链条联接件的冷冲压模具设计-级进模含NX三维及8张CAD图
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链条联接件的冷冲压模具设计-级进模含NX三维及8张CAD图,链条,联接,冲压,模具设计,级进模含,NX,三维,CAD
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显微硬度表征板材成形过程中的实验特性的应用Ali Mkaddem, Riadh Bahloul, Philippe Dal Santo, Alain PotironLPMI-ERT-ENSAM/CER, 2 Boulevard du Ronceray,bp3525-49035昂热，法国232004.4.23收到； 2006.4.10接受摘要在本文中，一个实验显微硬度程序被提出用于评估低合金高强度钢在板料成形过程中每个工序的行为演变。随着显微技术具备一种可靠的检测，其已被保留用于按照可能在制造过程中发生的力学特性进行变化。这一结论适用于在经过不同工序后的特性板材上，如：原始（未经滚卷的）板材，退卷板材，矫直材和弯曲板材。在原始低合金 高强度钢（HSLA）上的剖视显微硬度结果表明，材料在板材厚度上是高度不均匀的。经过退卷处理的显微硬度型材表现出一种在板材成形中被广泛采纳的用于使板材变得足够平直以便材料加工成形的高灵敏度的板材矫直行为特点。而一系列的原始材料和矫直材料间的硬度比例也被清楚地观察到。此外，显微硬度亦被用于研究弯曲件在大梯度变形情况下褶皱带力学性能的变化展示。通过这个方法，通常同时发生在弹塑性钢中的硬化现象和破坏现象将被准确地量化。通过比较它们的结果，即可得出一个相互作用的过程材料的好结论。 2006 Elsevier B.V出版社出版关键词：显微硬度；钣金；滚卷；矫直；弯曲；损伤目 录1、介绍2、轧制过程 2.1 轧制周期 2.2 参考材料3、行为特性 3.1 原始板材 3.1.1显微硬度测试 3.1.2平均宽度X射线测试 3.1.3 相关结果 3.2 矫直板 3.3 弯曲板4、损坏特性 4.1 理论公式 4.2显微硬度规律的鉴定 4.3 损坏规律的鉴定5、结论与讨论鸣谢参考文献1、介绍金属板材成形工业已经成为汽车工业的一个主要制造中心之一，而板材产品因具有轻质量和较好的成形性能而受到欢迎。如文献1中Tang和Tai所言，板料成形是一个更加复杂的平面应变过程，常伴有一个不容忽视的高比例的高度减少之类的结构变化过程。如图1所示，滚卷、退卷、矫直及弯曲这样一个多样化的板材加工顺序可以使材料特性获得一个平整和改善的改变。有些时候，成形的机械和环境条件被认为是在成形周期中引起钢强度减小与微观结构变化的主要原因之一。图1. 制造周期的主要工序在开创性研究中，材料强度，抗疏，损伤和材料成形能力的主要研究广泛采用一个状态下或单独的步骤进行。低负荷下的压痕硬度试验是一个公认的评估轧制材料各种机械性能如屈服应力，断裂应力，弹性模量和断裂韧性的工具。因此，所提出的用于测量0.09%SHLA板材碳钢硬度的方法是依据制造序列与性能变化之间的关系开展的。由材料厚度范围内的测量值推出的曲线将考虑成形过程中所有可能的步骤。* 相关作者：电子邮件地址：ali.mkaddemangers.ensam.fr（A. Mkaddem）。0924-0136/ $见前页2006 Elsevier B.V出版社出版。内政部：10.1016/j.jmatprotec.2006.04.006。2、轧制2.1 轧制周期轧制过程包括如图2所示的几个支配基体材料最终状态的连续步骤。厚度减少的水平通过改变晶体的结构而使材料获得高硬度。 在一般的生产实践中，板料的保持温度必须达到再结晶以上，以使奥氏体熔液在冷却结束时成形。同时为获得好的材料性能，这一保持温度必须被准确地控制。在热轧工序的末尾，温度也要求被准确地调节以成功地确保沉淀的晶粒尺寸尽可能地小。在这个工序过程中，所使用的温度要求不能有助于相体的异化。热轧工序之后，板材由浸泡进行冷却，然后进行滚卷成形。材料微观晶粒尺寸的大小取决于所采用冷却速度的大小，冷却速度越快，粒径越小。滚卷工序对热轧钢的最终机械和微观特性有一个具体的影响。滚卷温度属于板料的一个再热处理温度，其对工艺进程中可以被培养的晶粒尺寸和析出有一个特别的影响。基体材料内容的分布首先是HSLA 钢的组成元素数量之一，其次是热轧周期中对微观结构改变都有重要作用的每个步骤的轧制条件的一个基础。图2. 板材热轧过程的主要步骤 2.2 参考材料一般来说，轧制材料被卷成滚卷型。滚卷之前的基体材料被被认为是“原始材料”，其所构成的板材被当做参考金属，其处在如图3a所示的筒板的内侧末端位置。参考材料可用于矫直和弯曲的微观硬度测量机械热轧制控制过程可以使晶粒细化，从而可以获得高的机械特性与成形性能。图3b展示了0.09%碳钢板的微观结构。考虑材料的铁素体晶粒一般都小于10um且轧制的择优取向被明确的标志。之前的阐述步骤基本上可以决定微观结构的这些最终性能。图 3. (a) 参考板料和 (b) HSLA热轧钢基于的基体材料3、行为特性3.1 原始板材3.1.1显微硬度测试在轧制工序过程中，当最终温度达到时，晶粒的密度迅速增加并首先发生在冷却速度最大的靠近板件表面处。从而，晶粒发展停止并获得足够小的尺寸。此外，在低合金高强度钢板厚度上的微观结构并不均匀。微观结构的多相化将不可避免地在厚度上由晶粒梯度对随后的机械性能产生影响。在原始板材上由内表面到外表面的200g负载显微硬度检测可以对材料特性提供准确的理解。标本在被认为变形量最小的参考区采取，接着，为了提高测量精度还对其进行了涂层和抛光。最后，几次显微维氏实验在表面质量被擦亮的样本上进行。图4显示了在板料厚度上的相对显微维氏硬度（数值取平均值（HV）并不是统一的。特别地是，其最高值是在晶粒较小的靠近表面处，而晶粒发展相对靠近表面区较慢的中间区域的硬化速率显得较为低些。硬化率似乎较低的中立区，沉淀一般发达姗姗来迟相比近表面区。显微硬度演变证实了对夹持、轧制和冷却步骤的准确温度调节是非常重要的。图4. 板料厚度上的显微维氏硬度变化图板材中性区和表面间相对硬度值的差异可以达到8%，而两表面却没有明显的变化。在没有任何大变形的前提下对原始板料的显微硬度测量被视为参考特性。以实际的方式，显微硬度特性必须有助于确定材料的特性发展与随后的制造工序的联系。3.1.2 X射线平均宽度测试对原始板料进行典型分析的技术方法是X射线衍射技术。图5展示了由按随基体塑性变形进行变化的原理进行设计的平均宽度X射线峰值在板料厚度内由内表面到外表面进行测量所获数值的绘制。值得注意的是，平均宽度分布是不均匀的。这再次证实了显微硬度测量的结果。这种典型的演变表明， 拟定过程中的不同步骤对往下材料的特性有直接的影响并诱导板料厚度内中心区和表面区间的硬化率差异产生显着偏差。 图5. 板料厚度上的平均宽度X射线衍射变化图如显微硬度调查所指出的一样，高数值的平均宽度位于板料的表面区。这条曲线显示了最小的角度数值为1.27，而两表面间不存在不同的结果。3.1.3 相关结果 显微硬度的典型分布和板材厚度上检测得的的平均宽度让我们考虑着一个明显的基于实验的联系，即可以成比例地预测显微硬度值与平均宽度X射线峰值测量间有一个固定的缩进负荷。由此，对于考虑的板材，图4与图5间的一个简单的线性关系组合可以被发现。如图6中所预期，基于维氏硬度值与X射线测量值间有一个相对较高的波动的这一本质的事实，它们之间是存在一个明显可行的测量值间的线性规律的。图6. 维氏显微硬度与X射线平均宽度的相互关系3.2 矫直板板材经过轧制后将辊进行滚卷，而在这个操作过程中，其微观结构因经历一些机械变形而引进了残余应力。为了生产高质量的零件，滚筒板必须经过退卷和矫直加工。其中，辊平是钢板经过热轧、热处理及冷却后广泛采用的矫直方法。如图7所示，辊平操作是为降低轧制工序作用的使板或卷板多个来回弯曲的工序。这是一个复杂的过程，同时在这个过程中基本无法了解板料的细节行为特征。板料暴露在反向弯曲矫直过程中且其应变由几何矫正设备机进行控制。这意味着，钢板处在反向应变循环加载控制中。 图7. 矫直过程中钢板压平的主要工序该操作通过在设备上使用不同的滚轴从而施加变化的压力，它是钢材加工矫直工序中必不可少的，因为，这可以通过获得所需的平面粗糙度和低的残余应力以实现在矫直后，钢板可以实现增加任何后续处理工序的成功率。不可否认地，材料将在矫直过程中发生塑性变形并引起一定数量的硬化率，这一硬化率水平可以在材料的表面区被特别清楚地观察到。下面在矫直板上进行数次在不同滚轴作用下的显微硬度试验，在三个预先存在的辊的位置上，只有第一个将发生了改变，而第二和第三的辊保持不变。在工业实践中，在卷板后面的第一个位置放置第一根滚轴并施加最高的作用力是必然的，如此，可以在第二或第三位置滚轴处施加较小的作用力。渗透是对辊后另一个或第三个。其中，实验的材料厚度为4毫米，辊的位置设计成三个一组，即没有施加作用时的t，t，t。随后，分别为第一，二，第三辊施加a，b，c的作用力，这样，辊的位置组合变成如表1所示的不同研究组合：t-a，t-b,t-c 。表 1. 特性的不同矫直反应轧辊1(mm)轧辊2(mm)轧辊3(mm)组合第一种反应034034第二种反应134134第三种反应234234图8. 矫直板相对显微硬度如图8所示展示了测量结果的设计曲线，并为每个研究情况附加原始板料的剖视显微硬度曲线。对于实验的板材，通过对比板料的原始状态和矫直状态，由矫直工序引起的机械性能的变化可以被清楚的识别。参考图8，可以指出：在所有情况下，矫直后的板料硬度比参考板料高。此外，这种特性像在参考板料上所观察到的显微硬度演变一般，其在板料厚度内也表现出保持类似的非线性演化结果。在上述的三个实验里，当相对测量数值较小时，板料厚度上的外表区微观组织变化似乎比中间区域的显得要更多些。特别地是，最高的硬化率在在滚卷工序时处在实际压力区的卷板外表区测得。板料两个面的不同显微硬度水平有利于实现在滚卷和矫直操作时塑性变形在卷板的外部区域叠加。在前述实验中，可以确定的是，卷板外表面显微硬度的量化比在其内表面的要敏感得多，同时板料在厚度上的残余应力场是不相似的，其在很大程度上取决于以往的制造步骤。在这个阶段，板料经历低的塑性变形，但它足以用来确定在矫直工序中诱发的仅有的硬化水平。如图8所示，在上述三个研究案件里，硬化水平尤其在板料的外表面区表现出不相似。与参考板料的剖视显微硬度分布对比，可以看到，以维氏硬度值表示的硬化程度变化值在辊作用很高时变得很显著。这一观察的结果与基体材料被诱发的塑性变形的数量有关，并直接取决于辊的作用。当材料发生流动时，一个对应的剪切过程被激活并快速导致错位量的产生。随着原位置的晶粒经历了硬化过程，其基体材料将得到强化，同时微观组织的纹理密度将得到增高。而基体材料高晶体纹理密度引起的原位置材料的剪切运动将造成中间厚度区显微硬度值的变化。具体地是，在较为剧烈的034 辊组合矫直案例中，对板料内外表面的分别测量结果为：0.5毫米深度处的硬化水平为1%，然而4.5毫米深度的硬化水平却达到4.5%。而相对参考板料，其内侧和中间厚度区域的硬度值变化却保持相对稳定。因此，矫直条件对材料往下成形工序的机械性能产生一个直接的影响。对于板料的厚度中间区和厚度表面区，矫直工序中的辊压操作将增大其属性差距。另外，矫直工序将使残余应力的分布均匀化，而由此造成的硬化水平将影响材料在往下成形工序的成形性。3.3 弯曲板 在弯曲工序中，材料将经历一个重要的应变比过程，特别是在褶皱带，它的特点是硬化现象。根据不同的工艺参数，褶皱带区域的塑性应变将产生导致高水平的硬化率和微观损伤的产生和发展的剧烈梯度。在上述研究中，Kurt已经推断出微观硬度在外表面区域的值比在内表面地区的高。因此，在这次调查中，所使用的实验HSLA板钢零件将经历一个干的弯曲冲压过程。维氏硬度值将特别选在零件褶皱带由压缩区到拉伸区的区域进行测量。测试的执行方式如下：内板表面对应于承受静压应力的板件内褶皱区，同理，外板表面将对应于拉伸纤维区域应用于研究样本的主要弯曲参数如表2所示：表 2 用于研究样本的主要弯曲参数凸模圆角半径 (mm)凹模圆角半径 (mm)压边半径 (mm)行程 (mm)间隙 (mm)厚度 (mm)弯曲角( )444290490 通过200g弯曲载荷的显微硬度测量结果，弯曲操作的影响已被分析了出来。通过对测量数据的处理可以得出如图9所示的原始板、矫直板及弯曲板间的剖视显微硬度结果。图9. 原始、矫直及弯曲板料的相对剖视显微硬度由绘制的数据可以发现的是，弯曲样本的显微硬度规律也是非线性的。而进行弯曲操作时，中间区域区和近表面区域的数值差距变得更加显着。无容置疑地，弯曲操作过程中诱导的塑性变形高于在矫直工序中由辊平设备导致的。此外，显微结构对弯曲操作的敏感程度的似乎比矫直操作还要高。特别可以预期的是，此时在弯曲试样内表面区的的相对维氏数值比在外表面区的要更重要。这个观察是建立在如下事实之上的：材料的内纤维在承受静压缩应力时，其微观损伤的产生和发展受到了压制。实际上，它的硬化水平上升了。对比原始板料，弯曲件的相对硬度在拉伸区和压缩区分别增加了约10%和10.5%。另一方面，可以观察到的是，以显微硬度表征的中间区域微观结构变化小到可以忽略不计。显微硬度测试技术表明，其显示材料制造过程中的材料行为特性的能力是充分可靠的。如果在板料范围内以硬化数值直接表征硬度率，则由塑性变形直接诱导的损伤发展可能可以仅仅直观的研究。为了更详细地探究，本文提出了一种研究损伤的新方法。4、损坏特性 4.1 理论公式 如前面几个实验所示的证明结果及理论发现，钢材的显微硬度（HV）的变化与材料的流动应力成线性关系，即如下关系： Hv = keq (1)其中，k为物质相关常数。等效应力可以写为：eq=y+R(Pl) （2）其中，y为屈服应力；R(Pl)为考虑钢的硬化规律。在损伤材料的案例中，等式（1）可以写为： = （3） 其中，D代表损伤标量。事实上，等式（3）可以被改写为如下方程式： =k （4）其中，（Pl）定义原始材料的测量显微硬度值； 代表有效等效应力。（Pl）为无损伤材料行为表征硬度的一种推断法。结合幂次法则，硬化演变将被写为：R=QR （5）由此，显微硬度与硬化规律成线性比例关系，如下关系可以被推断出：= QH （6）其中，QR和QH分别表示硬化系数和显微硬度系数。nR和nH分别表示等效硬化元素和显微硬度元素（即当Hv和R间属于线性关系时，需进行等效化处理）。为便于往后的演算，宜采取 nR=nH= n .拉伸试验极便于帮助确定n和QR值。，显微硬度测试有助于发现损伤材料的Hv规律关系。此外，可以确认的是，对于一个相当小的塑性应变，其损伤和硬化是如此的微不足道，以至于以下关系可以被验实：QH =a.QR （7）接着， QH=a.QR （8）其中，a是一个由测量值推导出的材料相关常数。由此，用Hv表征未损坏材料的显微硬度的规律被发现。而和测量值Hv间的不同可通过损伤参数D的测量来确定。4.2显微硬度规律的鉴定材料行为的知识对于我们的实验战略是必要的。原始材料的硬度规律不可能在没有确定出硬化参数QR和nR前被发现，因此，单向拉伸试验需在考虑材料上进行。在进行拉伸试验前，参考线已在实验样本标准拉伸长度内的表面上标出。参考线处的截面在实验前和实验后分别被测量。拉伸试验后，标准拉伸长度内每处的塑性变形将导致差异化的厚度减少。采用维氏压头，显微硬度测试已进行。根据拉伸方向，横向表面设计(由（N，L）表示) 如图10b所示。测量必须由低塑性应变区域处的S0开始并结束于破坏区域的最大塑性应变处的Sm。由实验推导出的实验区域压痕数据（Hv）如图10a所示。接着，代表原始材料特性的外推法显微硬度规律（）将因硬化参数被前面的拉伸试验所确定而被发现。图10. (a). 原始板材和损坏的显微硬度规律 (b) 拉伸试验前和结束后的样本形.4.3 损坏规律的鉴定这种方法被保留用于在本研究中进行低合金高强度钢损伤规律参数的描述。所进行的测量是在原先已进行拉伸试验的原始材料试样上。在mkaddem等人的工作完成后，损伤数值可以由显微硬度近似值推导出，他们的计算关系如下： =1 （9）由公式（9）计算得损伤值随塑性应变变化的关系如图11a所示。利用线性回归方法对基于实验的损伤结果进行研究，可以清楚地观察到，伤害在设计阈值点即0.05塑性应变点处开始变化，并与塑性变形呈线性的变化。临界损伤值点为 0.21，相应塑性应变值为样件破坏应变值，大小为0.36。为了确认显微硬度测试方法用于描述损伤规律常数的可靠性，在考虑钢上进行了连续数次的装载卸载拉伸实验。使用的测试标本皆配备了适用于大变形的应变仪。三个连续的量仪已被保留在试样上每个可以达到的表面上。使用负载单元的测量负载有利于为每次塑性应变的测量计算出合适的应力值。在损伤测量中，由弹性斜度表示的杨氏模量根据Lemaitre 和 Chaboche间的如下关系随着每个装卸载周期进行变化： =1 。其中，标量损伤量，而E和E0分别表示损坏材料和原始材料的弹性模量。测量值的线性回归如图11b所示，可以推断的是，临界点= 0；损坏发生的临界点= 0.34，此时的=0.206。 值得注意的是，这两种方法得到的结果间的协同度非常好。事实上，损害呈线性发展而常量都非常相似。从实用的角度来看，显微硬度测试过程的操作似乎比装卸载测试要简单得多。此外，拟议的显微硬度方法比连续的拉伸试验要少花费得多。 事实上，显微硬度表征技术表明，这种技术足够可靠地根据制造序列过程快速量化微观结构的改变和准确确定材料的常数。 图11. 损伤规律推导自： (a) 显微硬度方法和 (b) 拉伸试验过程5、总结与讨论对于汽车和航空业所使用零部件的一个全面和准确的材料特性演化的表征对于零件的成形是至关重要的。显微硬度测量可根据成形操作中的零件特性进行精确的检测。在成形中小型HLSA钢材零件的案例中，板材经过了冷却，卷起，退卷，矫直、连续冲裁及弯曲的操作。浮动起飞，整顿和连续冲裁和折弯操作。这些操作的每一个皆诱发基体材料的变形，并影响最终产品的机械性能。，在这方面的贡献，可以发现的是，显微硬度测量是一个更好地技术，其可用于表征原始板材的特性并跟随矫直和弯曲等后续工序的硬度演变。如在材料厚度上的测量所发现的一样，显微硬度实验测试选择在材料的不同状态下进行似乎有利于提高描述原始微观结构的改变的可靠度；此外，所提议的方法似乎可以精确地量化这些改变，即使它们是如此很小，。由矫直步骤和弯曲步骤造成的硬化水平如表3所示：表3. 矫直板和弯曲板的硬化水平区域/工序矫直操作弯曲操作034134234034内表面区（0.5mm）0.80.00.010.5外表面区（3.5mm）3.92.61.910.0关于材料损伤的合适的理解及其特性可以高度影响材料的成形加工和产品的工作寿命，这对于每一个制造操作的成功性都是非常重要的。这里开发出的新的硬度程序已成功地导出Lemaitre损伤参数的特性。如表4所示，所提出的方法和装卸测试确定的损害常数之间的协同度可以证明显微硬度程序的可靠性。表4. 实验确定的Lemaitre损伤参数方法/参数斜率（）装载卸载测试0.00.340.2060.6显微硬度测试0.060.360.2120.68鸣谢作者衷心感谢德维尔SA公司给予的技术支持。参考文献1 C.Y. Tang, W.H. Tai, Material damage and forming limits of textured sheet metals, J. Mater. Process. Technol. 99 (2000) 135140.2 L.M. Kachanov, Introduction to Continuum Damage Mechanics, Mechanics of Elastic Stability, Kluwer Academic Publishers, USA, 1986.3 D.W.A. Rees, A tensor function for the R-value of sheet metal, Appl. Math. Model. 21 (1997) 579590.4 D.W.A. Rees, Pole instability theory for ellipsoidal bulging of rolled sheet, J. Mater. Process. Technol. 9293 (1999) 508517.5 G. Zamfirova, A. Dimitrova, Some methodological contributions to the Vickers microhardness technique, Polym. Test. 19 (2000) 533542.6 H. Yordanov, L. Minkova, Micro hardness and thermal stability of compatibilizedLDPE/PA6 blends, Eur. Polym. J. 39 (2003) 24232432.7 C. Berdin, M.J. Dong, C. Prioul, Local approach of damage and fracture toughness for nodular cast iron, Eng. Fract. Mech. 68 (2001) 11071117.8 D. Ye, Z. Wang, An approach to investigate pre-nucleation fatigue damage of cyclically loaded metals using Vickers micro hardness tests, Int. J. Fatigue 23 (2001) 8591.9 A. Constant, G. Henry, J.C. Charbonnier, Principes de Base des Traitements Thermiques Thermom ecaniques et Thermochimiques des Aciers, PYC, France, 1992.10 J.G. Speer, J.R. Michael, S.S. Hansen, Carbonitride precipitation in niobium/vanadium microalloyed steels, Metall. Trans. A, Phys. Metall. Mater.Sci. 18A (1987) 211222.11 B. Mintz, G.D. Ke Han, W. Smith, Grain size strengthening in steel and its relationship to grain boundary segregation of carbon, Mater. Sci. Technol. 8 (1992) 537540.12 M. Widmark, A. Melander, F. Meurling, Low cycle constant amplitude fully reversed strain controlled testing of low carbon and stainless sheet steels for simulation of straightening operations, Int. J. Fatigue 22 (2000) 307317.13 A. Mkaddem, A. Poti
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