润滑剂在微深冲过程中对不锈钢极薄带的影响

2023-12-13袁盛楠周存龙

太原科技大学学报 2023年6期

袁盛楠,周存龙

(太原科技大学重型机械教育部工程研究中心;冶金设备设计理论与技术省部共建国家重点实验室培育基地,太原 030024)

近年来微成形工艺被广泛应用于微机电系统(MEMS)和微系统技术(MST)领域[1]。微深冲被认为是制造薄壁微产品的基本微成形工艺,并且也被认为是微成形工艺中的一项重要技术[2]。尽管微成型工艺具有相当大的前景,但仍面临着巨大的挑战。在微观尺度上,金属零件的应力-应变关系,变形行为和可成形性与常规趋势不一致,这主要是因为金属零件的尺寸缩小到很小的程度,导致材料特性不均匀,即所谓的尺寸效应。该特性导致在开发微成型工艺时,按比例缩小的样品在微观成形过程中的行为与宏观尺度相比,根据其表面性质和表面积与体积之比[3],有很大的不同。与此同时,传统的用于宏观成形的润滑剂不再适用于微观试样,实践证明合适的润滑剂是改善成形产品表面质量的重要因素。本研究选择了甘油基纳米粒子润滑剂,其中TiO2含量分别为4.0%,2.0%,1.0%和0.5%,和干摩擦条件下对SUS304极薄带微深冲过程的影响,为不锈钢极薄带的后期微成形提供参考。

为了研究甘油基纳米颗粒润滑对SUS304箔片微拉深的影响,使用自动密度测量仪和试管制备了不同浓度的甘油基纳米颗粒润滑剂。图1是使用到的自动密度测量仪。

图1 自动密度测量仪Fig.1 Automatic density measuring instrument

1 实验方法

1.1 热处理

热处理用于释放残余应力并改善材料的机械特性。不锈钢箔在KTL管式炉中在氩气保护下以不同的温度加热,以防止材料氧化,冷却过程也在氩气保护下进行。厚度为50 μm的SUS304箔在950 ℃热处理95 min,在980 ℃热处理98 min,在1 050 ℃热处理105 min.表1列出了热处理的详细信息。

表1 热处理

1.2 微拉伸实验

拉伸试验中使用的试样如图2,图3所示。制作了厚度为50 μm,长度为15 mm的微小拉伸试样以研究力学性能,并根据以下条件将试样制成易于操作的形状。

图2 拉伸试样的染色剂标记Fig.2 Gauge marking for the tensile test

图3 尺寸标记Fig.3 Size mark

在拉伸测试过程中,显微镜集中在标记的矩形区域上,并以视频格式记录样品的伸长率,然后通过MATLAB将其分成单独的图像,从而利用显微镜获得高分辨率的图像,最后传输到MATLAB进行处理,其中每一帧都被视为一张图片。边缘检测由于样品量规和背景之间的对比色而表现良好,并且通过比较具有不同颜色的相邻像素来标记量规区域,因此可以精确地进行标记。确定量规的边缘后,通过程序计算出样品的伸长长度,并用两个相邻框架之间的区别代表伸长率,在此过程中可以获得特定的应变值。同时,测力程序记录了与每个视频帧相匹配的力,最终获得了应力与应变之间的真实关系曲线。

1.3 微深冲实验

由可移动冲头、压边圈和下模这三个主要部分组成的实验装置用于进行微深冲实验[4]。微深冲系统在冲裁阶段冲头和下模将SUS304试样冲成圆形毛坯,然后在拉伸阶段将圆形试样拉成微型杯。在微深冲工艺中,分别将具有4.0 wt%、2.0 wt%、1.0 wt%和0.5 wt%的TiO2的甘油基纳米添加剂润滑剂添加到下模和试样中以减少摩擦力。室温下甘油密度为1.26 g/cm3,记录从各润滑类别获得的拉伸力,最后求出它们的平均值。通过比较从不同浓度的润滑剂组绘制出五个冲程与拉伸力曲线,即可确定润滑剂的浓度如何影响微深拉伸过程。微深冲系统如图4所示。

图4 微深冲系统Fig.4 Micro deep drawing system

2 实验结果与讨论

2.1 润滑剂腔的机理

在微深冲过程中使用了厚度为50 μm的SUS304箔,并用具有不同TiO2浓度的甘油基纳米颗粒润滑剂处理了该极薄带,以研究润滑对SUS304深冲的影响。润滑剂粘度是优化拉伸过程的重要参数,而纳米颗粒润滑剂则具有较高的粘度,可以显著降低摩擦。当用纳米颗粒润滑剂润滑时,在界面处存在封闭的润滑剂囊,在微成形过程中,该润滑剂囊在很大程度上影响了摩擦[5]。图5说明了MDD中干燥和润滑的程度。

图5 微深冲过程中干摩擦和润滑剂Fig.5 The stretch of lubrication and dry friction in MDD

图6显示了润滑剂囊的机理示意图,润滑剂中的纳米颗粒可以减少溢流,从而在界面处保留大量的甘油。4 wt%的甘油基纳米颗粒润滑剂由于其最大的纳米颗粒质量比而具有最高的流动阻力,因此在微深拉工艺中表现出显着的性能,并且与较低浓度的纳米颗粒润滑剂甚至是干润滑条件相比大大提高了润滑效果。此外,微型杯的主要成形力会导致在试样极薄带和模具之间的界面上产生较大的接触压力,这会显着增加摩擦力,因此会留下很多谷值和峰值。陷在谷中的纳米颗粒有助于防止润滑剂溢出,因此可以存储更多的润滑剂以减轻摩擦,并且润滑剂浓度越高,摩擦力越小。通过上述机理可知在使用较高浓度的纳米颗粒润滑剂之后表面粗糙度参数如Ra,Rv会有所降低。

图6 润滑剂腔的机理Fig.6 The mechanism of the lubricant pockets

2.2 微成形过程中不同浓度TiO2的摩擦尺寸效应

图7显示了在甘油基纳米颗粒润滑条件和干燥条件下所获得的SUS304箔的微型深冲杯。

图7 甘油基纳米颗粒润滑条件和干燥条件下的微型杯Fig.7 Micro cap wall under the glycerin based nano-additive lubricant and dry condition

可以看出,当润滑剂浓度变化时,这些微零件中有些形成了均匀的形状。另外发现,增加纳米颗粒润滑剂的浓度,微型杯中的划痕变得越来越少,尤其是在杯的边缘处。

而在坯料和模具直接接触即干摩擦条件下,润滑剂囊中缺少润滑剂,摩擦力显着增加,因此在大变形下不可避免地出现磨损,导致深冲的成形杯刮痕最多,如图7(e)所示。

MDD过程中发生的起皱(如图7所示)现象,可能是由压边圈的力、晶粒尺寸、拉伸速度以及压边圈与下模的界面之间的间隙等多种因素引起的。当晶粒尺寸变大时,起皱现象会变得更加明显,这主要是因为晶粒数量的减少会导致较低的变形性,此外,试样需要起皱以补偿坯料边缘上压缩的弱稳定性,因此,试样很容易起皱。

为了更好地评估润滑剂的有效性,分析了所有实验的最大拉伸力和最后一次冲程拉伸力。

本研究中重复实验的每个润滑条件5次,然后计算出平均深冲力评估效果。从不同的润滑条件获得的深冲力的比较如图8所示。

图8 不同润滑剂条件下深冲力的对比Fig.8 The comparison between the drawing forces under different lubrication conditions

可以看到这五条曲线具有相似的趋势,最初每个润滑组的深冲力平稳增加,直到落料模和落料座达到24.3 mm,然后冲模力显著增长直到达到峰值85 N 之后,由于微成型杯中保持的应变能,深冲力迅速降至非零值。

拉伸力由摩擦力和抗弯性组成,成型初期,由于材料的抗弯性,拉伸力缓慢增长,并且由于坯料变形较大,所以与其它力相比,拉伸力占主导地位。在随后的过程中,模具和毛坯之间的接触区域在深冲过程中逐渐增加,因此摩擦力增加到最大值,而弯曲力相对较小。到了成型过程后期,微型杯开始释放之前存储在其中的应变能,这使成型杯具有回弹趋势。

图9说明了最大拉力和最大拉力的减小率的比较。当润滑剂条件从干燥条件变为0.5 wt%的纳米颗粒润滑剂时,最大冲头载荷以较小的斜率减小,然后随着润滑剂浓度的增加,减小趋势变得更快。在润滑剂条件下最大拉伸力的降低率从2.0 wt%至4.0 wt%达到最大值1.99%.

图9 50 μm厚SUS304极薄带的最大深冲力及其减小率的比较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

图10显示了在不同润滑条件下的微型杯的俯视图。可以清楚地看出,不同成型杯的制耳情况相似,并且这些微型杯的制耳效果不明显,这表明在SUS304箔中各向异性并不明显。