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    镀镍钢带冲压成形过程中的应变场研究.pdf

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    镀镍钢带冲压成形过程中的应变场研究.pdf

    镀镍钢带冲压成形过程中的应变场研究*任晓雷 ,龙士国 ,马增胜 ,周猛(湘潭大学材料与光电物理学院 ,低维材料及其应用技术教育部重点实验室 ,湘潭411105)摘要用 RG2000型微机控制电子万能试验机结合 ARGUS板金成形网格应变测试系统对镀镍钢带进行了冲压成型试验 ,研究了镀镍钢带在不同压入深度下的应变分布 。并用有限元软件 ABAQUS对此过程进行了模拟验证 。结果表明 ,杯形件底部区域应变变形不大 ,由圆角处开始逐渐增大 ,随着压入深度的增加 ,这种趋势越来越明显 ;实验和数值模拟同时证明镍镀层在凸模圆角处最易发生破坏 ,此处镀层厚度减薄率最大 ,约为 11.08%。关键词镍镀层钢带冲压成形ABAQUS 应变分布减薄率中图分类号 TB301文献标识码 AStudyon the Strain Field of StampingProcess of Nickel Plated Steel StripREN Xiaolei,LONG Shiguo,MA Zengsheng,ZHOU Meng(Key Laboratory of Low Dimensional Materials &Application Technology of Ministry of Education,Faculty of Materials,Optoelectronics and Physics,Xiangtan University,Xiangtan 411105)Abstract Stamping forming was done on nickel plated steel strip by an RG2000computer controled electronical purpose equipment combined with ARGUS optical forming analysis experimental system.The strain distributionunder different punch penetrations was studied.And the finite element software ABAQUS was imported to simulateand verify this process.The results showed that smal deformations at the bottom zone,high stretching at the sheetwal,these dilatation and contraction trends were more pronounced as the punch moved downwards.Both the experi-ment and numerical simulation proved that the most likely failure zone was around the punch radius and thinning ratioof the coating thickness here was the largest,up to 11.08%.Keywords nickel plating steel strip,stamping forming,ABAQUS,strain distribution,thinning ratio*国家自然科学基金 (10702057);湖南省自然科学基金 (09JJ3003)任晓雷 硕士研究生 ,研究方向为金属表面涂层薄膜材料加工过程中的关键技术与理论E-mailrenrendoukeai@126.com 龙士国 通讯作者 ,教授E-mailsglong@xtu.edu.cn金属表面镀层处理是材料表面改性的重要方法 。镀镍钢带是指在低碳钢基体上电沉积具有较高抗拉强度 、伸长率及较好耐腐蚀性和耐高温特性的镍镀层[1]。因镀镍钢带具有优良性能 ,随着经济的快速发展已被广泛运用于电子 、印刷等行业[2]。由于带金属表面镀层零部件质量及加工中环保与节能新要求的提出 ,逐步形成了 “先对基材表面镀层处理 ,后对带金属表面镀层材料精密塑性成形 ”的 加 工 方式[3,4]。冲压成形因具有生产效率高 、操作简便 、便于实现机械化和自动化等优点在加工中占有重要地位 。在冲压过程中 ,镍镀层受到复杂的应力应变 ,表现为局部减薄 、起皮或剥落等现象 ,这些失效形式的出现影响了镀镍钢带成形构件的力学性能 ,因此有必要对镀镍钢带在冲压成形过程中的成形特性 、应变分布和减薄率进行研究 。目前对镀层薄板加工成形的研究越来越多 ,但主要集中于单层板的研究[5]。Jiang等[6]对镀锌钢板的成形 、力学参数进行了研究 ,其中提到镀锌层在冲压过程中对应变分布有影响 ,但没有具体详细的分析 ;梁旭等[7]对镀镍钢带进行了冲压成形试验 ,观察了微观形貌 ,但并没有涉及应变分布变化的研究 。本实验旨在采用 ARGUS板金成形网格应变测试系统测试其主应变和厚度减薄率 ,并采用有限元软件 ABAQUS对镍镀层钢板冲压过程建立模型进行验证 。1 实验1.1 样品制备本实验所选用的是结构功能材料 ,可以通过电沉积法制备 。具体制备方法为 取 0.3mm厚宝钢生产的 BDCK电池专用钢作为基体 ,其力学性能及微量元素如表 1所示 。碱洗3min,再用3%HCl+4% H2SO4(质量分数 ,下同 )溶液除锈2min,并用5%HCl活化 1min,最后用蒸馏水冲洗 。镍电镀液配方为 NiSO46H2O 250g/L,NiCl26H2O 50g/L,硼酸35g/L,双氧水 、活性碳处理2h后过滤,小电流电解除杂[8],pH值为 4,温度 42℃,然后根据要求改变电流密度 、电镀时间和氯离子含量等工艺参数制备样品 。镀镍后用蒸馏水冲洗 ,在烘箱中烘干 。1.2 试验方法为了配合实验模具 ,在镀镍钢带成形前 ,先用切割机将201 材料导报B研究篇2011年9月 (下 )第25卷第9期其切成直径为 60mm的圆形件 ,然后利用电化学蚀刻的方法在镀镍钢带的表面印刷由圆点组成的标准图案 ,其中圆点的直径为 1mm,样品示意图见图 1。接着利用 RG2000型微机控制电子万能试验机和根据镀镍钢带的材料性能以及冲压要求设计的冲压模具进行冲压成形试验 ,图 2为冲压示意图 。模具参数及镀镍钢带的尺寸见表 2。试验过程中在板料表面加润滑剂以减小镀镍钢带与模具间的摩擦力 ,设定冲头移动速度为 2mm/min,在压边力为 1500N条件下将镀镍钢带冲压出深度分别为 10.0mm、12.3mm、14.2mm、16.0mm和 18.3mm的杯形件试样 。表 1基体的力学性能及微量元素含量Table 1 Mechanical properties and content of microelementsin substrate微量元素含量 /%C Si Mn P S屈服强度MPa抗拉强度MPa0.04 0.009 0.19 0.002 0.01 186 298冲压完成后 ,利用 ARGUS测量系统对成形后的镀镍钢带杯形件进行应变测量 。在测量中 ,将一些数码标记点与一或两把比例尺放在被测零件周围 ,然后利用数码相机从多个角度捕获照片 ,照片图像实时传输到 ARGUS软件 ,可以方便地控制拍摄图像的质量 、曝光强度和正确的测量范围 。随后 ,ARGUS软件将自动对每幅图像进行分析 ,获得每个图案圆点圆心的空间坐标 ,这些圆点中心数据可以反映零件的几何形状 。根据相临的 4个圆点构成网格面片 ,系统自动计算该位置的局部应变 ,这样就可以得到整个镀镍钢带杯形件的应变分布 。表 2冲压模具参数及镀镍钢带尺寸Table 2 Parameters of stampingmould and the size ofnickel plate steel strip项目 参数 项目 参数薄板初始半径 R0 30mm凸模圆角半径 rp 2.5mm基体初始厚度 t0.3mm凹模半径 Rd 15.83mm镀层初始厚度 t0 3μm凹模圆角半径 rd 2.5mm凸模半径 RP 15.5mm2 有限元模型采用 ABAQUS有限元软件对镍镀层钢板深冲成杯形件进行了模拟 。镍镀层和低碳钢基底都采用指数强化模型 ε=σE,forσ≤σyσyEσσ( )y1/n,烅烄烆others(1)镀镍层与低碳钢基底的力学参数取本课题组纳米压痕实验所得到的结果 。镍镀层的弹性模量 Ef为 215GPa,屈服强度σyf为 470MPa,硬化指数 nf为 0.13,泊松比νf为 0.3。基体的弹性模量 Es为 210GPa,屈服强度σys为 186MPa,硬化指数 ns为 0.12,泊松比νs为 0.3。在有限元分析中 ,由于板料的对称性 ,为了节省计算时间和计算量 ,只取板料的 1/2进行成形模拟 。模具假定为解析刚体 ,钢带基体与镍镀层采用 1050个四节点的双线性轴对称单元 ,图 3为有限元模拟的深冲过程模型及镀镍钢带的网格划分 。由于镍镀层与基体之间良好的结合性 ,在实验中未出现分离等现象 ,因此在此模拟中镍镀层与低碳钢基体之间采用完美结合形式 。压边力采用 1500N,镀镍钢带与模具之间库仑摩擦系数规定为 0.1,基体与镀层的厚度分别为 0.3mm和 3μm,模型几何参数与实验一致 。图 3模拟冲压模型及板料网格划分Fig.3 Axisymmetrical model of the stampingsetupand the FE discretization of the blank3 结果与讨论3.1 镍镀层钢带冲力冲程曲线对镀镍钢带进行了在压入深度分别为 10.0mm、12.3mm、14.2mm、16.0mm、18.3mm的冲压成形试验。由图4301镀镍钢带冲压成形过程中的应变场研究 /任晓雷等可以看出该试验的重复性较好 ,冲压出的杯形件没有出现破裂及起皱现象 。当冲压深度达到 9.89mm的时候出现冲压力最大值 10309N。图 4冲头位移载荷曲线及杯形件形貌Fig.4 Punch force-punch displacement curve and morphologyof circular cups3.2 不同压入深度下的应变分布利用 ARGUS板金成形网格应变测试系统可以得到不同压入深度下杯形件的应变分布 。在不同杯形件上取多条截面线 ,取其平均值 。由图 5可以看出在杯形件的底部区域出现的变形较小 ,当板料被拉入到凹模模腔时发生明显的弯曲变形 ,筒壁出现了拉伸变形 ,当板料在压边与凹模之间流动时 ,板料受到环向压缩变形 。随着压入深度的增加这种扩张和收缩趋势更加明显 。10mm 杯 形 件 的 最 大 主 应 变 为23.5%,而到18.3mm时达到了 45.6%。这也说明了随着压入深度的增加 ,镍镀层表面裂纹会不断增加[7]。图 5不同压入深度下沿着板料半径的主应变Fig.5 Major strain alongthe radius of sample underdifferent punch penetration3.3 板料厚度变化分析同样利用 ARGUS板金成形网格应变测试系统可以测得不同压入深度下杯形件的厚度减薄率 。图 6为 18.3mm杯形件镍镀层厚度减薄率的实验与有限元模拟的对比图 。由图 6可以看出在离圆心为 13.95mm 处减薄率最大 ,为11.08%;凸模底部板料厚度变化不大 ,有所减薄 ,但在凸模圆角处减薄最大 ,这是因为板料在此处受到双向拉应力 ,同时受到弯曲以及与运动的冲头直接接触的缘故 ;另外还可以发现圆筒上部以及凸缘部分厚度有所增加 ,这主要是因为这部分板料受到较大环向压应力 。由图 6可见 ,实验与数值模拟出来的结果基本相同 。图 618.3mm杯形件的减薄率Fig.6 Thickness reduction of 18.3mm circular cup4 结论(1)杯形件底部区域应变变形不大 ,由圆角处开始逐渐增大 。随着压入深度的增加 ,这种趋势越来越明显 ,压入深度为 18.3mm时最大主应变达到了 45.6%。(2)实验和数值模拟同时证明镍镀层在凸模圆角处最易发生破坏 ,此处镀层厚度减薄率最大 ,为 11.08%;同时可以发现圆筒上部以及凸缘部分厚度增加 。参考文献1 Huang Yongli(黄 勇 力 ),Zhang Sha(章 莎 ),et al.Thestress-strain relationship of electrodeposited nickel coatingmeasured by nanoindentation(用纳米压痕法测量电沉积镍镀层的应力-应变关系 )[J].NaturalSci J Xiangtan Univer-sity(湘潭大学自然科学学报 ),2006,28(2)472 Tang Tian(唐甜 ),et al.Mechanical and anti-corrosion pro-perties of nickel pla-ted steel strips for cans of alkaline Zn/MnO2battery(碱锰电池钢壳用镀镍钢带的力学和耐腐蚀性能 [J].NaturalSci J Xiangtan University(湘潭大学自然科学学报 ),2005,35(5)3803 Lee J M,Ko D C,Lee K S,et al.Identification of the bulk be-havior of coatings by nano-indentation test and FE-analysisand its application to forming analysis of the coated steelsheet[J].J Mater Process Techn,2007,188(12)3094 Zhou L Q,Li Y P,Zhou Y C.Forming limit of electrode-posited nickel coating in the left region[J].J Mater Eng Per-formance,2006,15(3)2875 Padmanabhan R,Oliveira M C,et al.Numerical simulationand analysis on the deep drawing of LPG bottles[J].J MaterProcess Techn,2008,200(1-3)4166 Jiang H M,Chen X P,Wu H,et al.Forming characteris-tics and mechanical parameter sensitivity study on pre-phos-phated electro-galvanized sheet steel[J].J Mater ProcessTechn,2004,151(1-3)2487 Liang Xu(梁旭 ),et al.Stamping forming performance ofnickel plated steel strip(镀镍钢带的冲压成型性能 )[J].Mater Mechan Eng(机械工程材料 ),2009,33(7)268 Sun Zengxun(孙增焄 ).Correct adjustment of nickel hatingsolution(选择合适的镀镍液处理方法 )[J].ElectroplatingFinishing(电镀与涂饰 ),1995,14(4)51(责任编辑汪雁南 )401 材料导报B研究篇2011年9月 (下 )第25卷第9期

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