潤(rùn)滑劑在微深沖過(guò)程中對(duì)不銹鋼極薄帶的影響

袁盛楠,周存龍

(太原科技大學(xué) 重型機(jī)械教育部工程研究中心;冶金設(shè)備設(shè)計(jì)理論與技術(shù)省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,太原 030024)

近年來(lái)微成形工藝被廣泛應(yīng)用于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)和微系統(tǒng)技術(shù)(MST)領(lǐng)域[1]。微深沖被認(rèn)為是制造薄壁微產(chǎn)品的基本微成形工藝,并且也被認(rèn)為是微成形工藝中的一項(xiàng)重要技術(shù)[2]。盡管微成型工藝具有相當(dāng)大的前景,但仍面臨著巨大的挑戰(zhàn)。在微觀尺度上,金屬零件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,變形行為和可成形性與常規(guī)趨勢(shì)不一致,這主要是因?yàn)榻饘倭慵某叽缈s小到很小的程度,導(dǎo)致材料特性不均勻,即所謂的尺寸效應(yīng)。該特性導(dǎo)致在開(kāi)發(fā)微成型工藝時(shí),按比例縮小的樣品在微觀成形過(guò)程中的行為與宏觀尺度相比,根據(jù)其表面性質(zhì)和表面積與體積之比[3],有很大的不同。與此同時(shí),傳統(tǒng)的用于宏觀成形的潤(rùn)滑劑不再適用于微觀試樣,實(shí)踐證明合適的潤(rùn)滑劑是改善成形產(chǎn)品表面質(zhì)量的重要因素。本研究選擇了甘油基納米粒子潤(rùn)滑劑,其中TiO2含量分別為4.0%,2.0%,1.0%和0.5%,和干摩擦條件下對(duì)SUS304極薄帶微深沖過(guò)程的影響,為不銹鋼極薄帶的后期微成形提供參考。

為了研究甘油基納米顆粒潤(rùn)滑對(duì)SUS304箔片微拉深的影響,使用自動(dòng)密度測(cè)量?jī)x和試管制備了不同濃度的甘油基納米顆粒潤(rùn)滑劑。圖1是使用到的自動(dòng)密度測(cè)量?jī)x。

圖1 自動(dòng)密度測(cè)量?jī)xFig.1 Automatic density measuring instrument

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 熱處理

熱處理用于釋放殘余應(yīng)力并改善材料的機(jī)械特性。不銹鋼箔在KTL管式爐中在氬氣保護(hù)下以不同的溫度加熱,以防止材料氧化,冷卻過(guò)程也在氬氣保護(hù)下進(jìn)行。厚度為50 μm的SUS304箔在950 ℃熱處理95 min,在980 ℃熱處理98 min,在1 050 ℃熱處理105 min.表1列出了熱處理的詳細(xì)信息。

表1 熱處理

1.2 微拉伸實(shí)驗(yàn)

拉伸試驗(yàn)中使用的試樣如圖2,圖3所示。制作了厚度為50 μm,長(zhǎng)度為15 mm的微小拉伸試樣以研究力學(xué)性能,并根據(jù)以下條件將試樣制成易于操作的形狀。

圖2 拉伸試樣的染色劑標(biāo)記Fig.2 Gauge marking for the tensile test

圖3 尺寸標(biāo)記Fig.3 Size mark

在拉伸測(cè)試過(guò)程中,顯微鏡集中在標(biāo)記的矩形區(qū)域上,并以視頻格式記錄樣品的伸長(zhǎng)率,然后通過(guò)MATLAB將其分成單獨(dú)的圖像,從而利用顯微鏡獲得高分辨率的圖像,最后傳輸?shù)組ATLAB進(jìn)行處理,其中每一幀都被視為一張圖片。邊緣檢測(cè)由于樣品量規(guī)和背景之間的對(duì)比色而表現(xiàn)良好,并且通過(guò)比較具有不同顏色的相鄰像素來(lái)標(biāo)記量規(guī)區(qū)域,因此可以精確地進(jìn)行標(biāo)記。 確定量規(guī)的邊緣后,通過(guò)程序計(jì)算出樣品的伸長(zhǎng)長(zhǎng)度,并用兩個(gè)相鄰框架之間的區(qū)別代表伸長(zhǎng)率,在此過(guò)程中可以獲得特定的應(yīng)變值。同時(shí),測(cè)力程序記錄了與每個(gè)視頻幀相匹配的力,最終獲得了應(yīng)力與應(yīng)變之間的真實(shí)關(guān)系曲線。

1.3 微深沖實(shí)驗(yàn)

由可移動(dòng)沖頭、壓邊圈和下模這三個(gè)主要部分組成的實(shí)驗(yàn)裝置用于進(jìn)行微深沖實(shí)驗(yàn)[4]。微深沖系統(tǒng)在沖裁階段沖頭和下模將SUS304試樣沖成圓形毛坯,然后在拉伸階段將圓形試樣拉成微型杯。在微深沖工藝中,分別將具有4.0 wt%、2.0 wt%、1.0 wt%和0.5 wt%的TiO2的甘油基納米添加劑潤(rùn)滑劑添加到下模和試樣中以減少摩擦力。室溫下甘油密度為1.26 g/cm3,記錄從各潤(rùn)滑類別獲得的拉伸力,最后求出它們的平均值。 通過(guò)比較從不同濃度的潤(rùn)滑劑組繪制出五個(gè)沖程與拉伸力曲線,即可確定潤(rùn)滑劑的濃度如何影響微深拉伸過(guò)程。微深沖系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 微深沖系統(tǒng)Fig.4 Micro deep drawing system

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 潤(rùn)滑劑腔的機(jī)理

在微深沖過(guò)程中使用了厚度為50 μm的SUS304箔,并用具有不同TiO2濃度的甘油基納米顆粒潤(rùn)滑劑處理了該極薄帶,以研究潤(rùn)滑對(duì)SUS304深沖的影響。 潤(rùn)滑劑粘度是優(yōu)化拉伸過(guò)程的重要參數(shù),而納米顆粒潤(rùn)滑劑則具有較高的粘度,可以顯著降低摩擦。當(dāng)用納米顆粒潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑時(shí),在界面處存在封閉的潤(rùn)滑劑囊,在微成形過(guò)程中,該潤(rùn)滑劑囊在很大程度上影響了摩擦[5]。圖5說(shuō)明了MDD中干燥和潤(rùn)滑的程度。

圖5 微深沖過(guò)程中干摩擦和潤(rùn)滑劑Fig.5 The stretch of lubrication and dry friction in MDD

圖6顯示了潤(rùn)滑劑囊的機(jī)理示意圖,潤(rùn)滑劑中的納米顆?？梢詼p少溢流,從而在界面處保留大量的甘油。4 wt%的甘油基納米顆粒潤(rùn)滑劑由于其最大的納米顆粒質(zhì)量比而具有最高的流動(dòng)阻力,因此在微深拉工藝中表現(xiàn)出顯著的性能,并且與較低濃度的納米顆粒潤(rùn)滑劑甚至是干潤(rùn)滑條件相比大大提高了潤(rùn)滑效果。此外,微型杯的主要成形力會(huì)導(dǎo)致在試樣極薄帶和模具之間的界面上產(chǎn)生較大的接觸壓力,這會(huì)顯著增加摩擦力,因此會(huì)留下很多谷值和峰值。陷在谷中的納米顆粒有助于防止?jié)櫥瑒┮绯?因此可以存儲(chǔ)更多的潤(rùn)滑劑以減輕摩擦,并且潤(rùn)滑劑濃度越高,摩擦力越小。通過(guò)上述機(jī)理可知在使用較高濃度的納米顆粒潤(rùn)滑劑之后表面粗糙度參數(shù)如Ra,Rv會(huì)有所降低。

圖6 潤(rùn)滑劑腔的機(jī)理Fig.6 The mechanism of the lubricant pockets

2.2 微成形過(guò)程中不同濃度TiO2的摩擦尺寸效應(yīng)

圖7顯示了在甘油基納米顆粒潤(rùn)滑條件和干燥條件下所獲得的SUS304箔的微型深沖杯。

圖7 甘油基納米顆粒潤(rùn)滑條件和干燥條件下的微型杯Fig.7 Micro cap wall under the glycerin based nano-additive lubricant and dry condition

可以看出,當(dāng)潤(rùn)滑劑濃度變化時(shí),這些微零件中有些形成了均勻的形狀。另外發(fā)現(xiàn),增加納米顆粒潤(rùn)滑劑的濃度,微型杯中的劃痕變得越來(lái)越少,尤其是在杯的邊緣處。

而在坯料和模具直接接觸即干摩擦條件下,潤(rùn)滑劑囊中缺少潤(rùn)滑劑,摩擦力顯著增加,因此在大變形下不可避免地出現(xiàn)磨損,導(dǎo)致深沖的成形杯刮痕最多,如圖7(e)所示。

MDD過(guò)程中發(fā)生的起皺(如圖7所示)現(xiàn)象,可能是由壓邊圈的力、晶粒尺寸、拉伸速度以及壓邊圈與下模的界面之間的間隙等多種因素引起的。當(dāng)晶粒尺寸變大時(shí),起皺現(xiàn)象會(huì)變得更加明顯,這主要是因?yàn)榫Я?shù)量的減少會(huì)導(dǎo)致較低的變形性,此外,試樣需要起皺以補(bǔ)償坯料邊緣上壓縮的弱穩(wěn)定性,因此,試樣很容易起皺。

為了更好地評(píng)估潤(rùn)滑劑的有效性,分析了所有實(shí)驗(yàn)的最大拉伸力和最后一次沖程拉伸力。

本研究中重復(fù)實(shí)驗(yàn)的每個(gè)潤(rùn)滑條件5次,然后計(jì)算出平均深沖力評(píng)估效果。 從不同的潤(rùn)滑條件獲得的深沖力的比較如圖8所示。

圖8 不同潤(rùn)滑劑條件下深沖力的對(duì)比Fig.8 The comparison between the drawing forces under different lubrication conditions

可以看到這五條曲線具有相似的趨勢(shì),最初每個(gè)潤(rùn)滑組的深沖力平穩(wěn)增加,直到落料模和落料座達(dá)到24.3 mm,然后沖模力顯著增長(zhǎng)直到達(dá)到峰值85 N 之后,由于微成型杯中保持的應(yīng)變能,深沖力迅速降至非零值。

拉伸力由摩擦力和抗彎性組成,成型初期,由于材料的抗彎性,拉伸力緩慢增長(zhǎng),并且由于坯料變形較大,所以與其它力相比,拉伸力占主導(dǎo)地位。在隨后的過(guò)程中,模具和毛坯之間的接觸區(qū)域在深沖過(guò)程中逐漸增加,因此摩擦力增加到最大值,而彎曲力相對(duì)較小。 到了成型過(guò)程后期,微型杯開(kāi)始釋放之前存儲(chǔ)在其中的應(yīng)變能,這使成型杯具有回彈趨勢(shì)。

圖9說(shuō)明了最大拉力和最大拉力的減小率的比較。 當(dāng)潤(rùn)滑劑條件從干燥條件變?yōu)?.5 wt%的納米顆粒潤(rùn)滑劑時(shí),最大沖頭載荷以較小的斜率減小,然后隨著潤(rùn)滑劑濃度的增加,減小趨勢(shì)變得更快。在潤(rùn)滑劑條件下最大拉伸力的降低率從2.0 wt%至4.0 wt%達(dá)到最大值1.99%.

圖9 50 μm厚SUS304極薄帶的最大深沖力及其減小率的比較Fig.9 The comparison of the reduction rate of the maximum drawing force and the maximum drawing force for SUS304 foil with 50 μm in thickness

圖10顯示了在不同潤(rùn)滑條件下的微型杯的俯視圖?？梢郧宄乜闯?不同成型杯的制耳情況相似,并且這些微型杯的制耳效果不明顯,這表明在SUS304箔中各向異性并不明顯。

圖10 不同潤(rùn)滑劑條件下的微型杯俯視圖Fig.10 Top views of micro cups with different lubrication conditions

3 結(jié)論

選擇厚度為50 μm的SUS304箔作為微深沖工藝中使用的材料,選擇了具有不同濃度和干燥條件的甘油基納米添加劑TiO2潤(rùn)滑劑,研究了在上述潤(rùn)滑條件下微成型杯的拉伸力和表面質(zhì)量。得出以下結(jié)論:

(1)納米顆粒潤(rùn)滑劑在微深沖過(guò)程中有很大的作用,與其他潤(rùn)滑條件相比,用4 wt%甘油基納米TiO2潤(rùn)滑劑拉伸的微成型杯的表面質(zhì)地最好;

(2)微成形杯的最大深沖力當(dāng)從干摩擦狀態(tài)到潤(rùn)滑劑濃度為4 wt%時(shí),最大深沖力由84.4 N減小到最小值81 N,即最大深沖力隨著潤(rùn)滑劑濃度的降低而增加,并且在無(wú)潤(rùn)滑條件下達(dá)到最大值。