工程角度:测量镀锌超高强度钢冲压摩擦

镀锌超高强度钢冲压摩擦测量

图3。这些是在hlh配置中测试的样品的侧面,与插入1(左)和插入2(右)接触。

编者注:一项类似的研究涉及未涂层金属板毛坯的文章“UHSS冲压摩擦测量“有关研究人员方法的更多详细信息,请参阅那篇文章。

超高强度钢(UHSS)的成形涉及到工具板界面的高接触压力和温度,导致润滑剂破裂、磨损和工具磨损。在本研究中,研究人员分析了物理气相沉积(PVD)涂层的工具钢刀片和涂锌的UHSS DP1180板之间的摩擦系数(COF)是如何受到润滑厚度、滑动速度、接触压力和模具表面粗糙度的影响。

板材上的涂层比模具上的涂层软很多倍,因为板材涂层的功能是保护冲压钣金部件免受腐蚀。模具涂层旨在增加模具表面的硬度,以便在不损坏的情况下形成更高强度的板材。

实验方法

在这项研究中,研究人员采用平均压边压力为极限抗拉强度的1%到3%。设计了板料-模面界面,防止坯料边缘接触模面。将1 mm厚的DP1180金属片剪成600 mm长、50.8 mm宽的条状。选择样品的尺寸是为了很好地适应水平水压机(见“钣金拉拔作业中拉延筋的抑制力)作为拉延珠模拟器。

模具表面代表了两个方形镶齿与圆角,有42 × 42毫米的接触面积与板材。带钢的边缘没有接触到模镶件。镶件由Caldie工具钢制成,并涂有PVD涂层,该涂层提供了一层非常薄的非常高强度和高硬度的材料,以保护基础工具钢材料免受损坏。

用61AUS轧制油润滑钢带,沿着200mm×50.8mm的试验区域均匀涂抹。然后使用安装在重型钢台上的水平液压机将钢带夹在两个42×42mm的平面之间,并夹在100kN Instron 5982拉伸试验机上(见图1)夹紧后,条带被Instron张力框架的上部液压夹具夹住,并向上拉150 mm。

本试验中的COF计算为垂直拉力F的比率z由Instron机器施加两倍夹紧力Fx,考虑到摩擦作用于条状的两个表面zf / 2x

结果

研究人员研究了测试速度、平均接触压力和润滑剂层厚度的影响。这些因素各有高低之分。平均接触压力为11.3 MPa和34 MPa,测试速度为200 mm/min。和1000毫米/分钟。,lubrication was applied as 60 mg/ft.2和110毫克/英尺。2

最初的实验包括测试两种平均粗糙度分别为136 nm和158 nm的pvd涂层插入物。试验过程中所测得的实验COF如图所示图2作为两个夹紧刀片之间的带钢位移的函数。在这组试验中,速度高,接触压力低,润滑水平高。测试结果有相当明显的分散,这可能是因为涂层从与插入2接触的一面比从与插入1接触的一面剥落的量大(见图3).这显示了有多少影响的插入粗糙度对摩擦和潜在的磨损。在随后的测试中,研究人员发现降低工具的粗糙度可以显著减少摩擦。因此,在最初的测试中,粗糙度水平被认为是高的。

COF因测试而异,因此平均结果在使用一个COF值的现有商业代码中更有用。平均咖啡测试配置的值计算通过整合每个曲线的位移的咖啡x,获得积分除以总位移控制x的整个过程,然后平均计算出咖啡的数量给定配置(见样品检测方程).

由于涂层嵌件的粗糙表面导致显著剥离,COFs高于裸材料的报告,研究人员从嵌件上剥离初始PVD涂层,抛光基底表面,然后重新涂覆涂层。他们再次测量了两个镶块的粗糙度,结果镶块1的粗糙度为82纳米,镶块2的粗糙度为104纳米。该步骤在观察到的摩擦结果中产生了显著差异(参见图4):当所有其他参数均在图2相同水平时,COF下降到0.048,锌剥离量显著下降,所做测试的重复性显著提高。

其中一个测试样品的两面如图所示图5。显然,剥落效应几乎被消除了,至少在样品的中心部分是这样。接触区边缘附近的金属镀层变化非常显著。尽管它几乎是不可能的,以达到均匀的接触条件以及整个测试表面,表面和接触条件变化也明显生产模具,锌涂层的剥落表明潜在高摩擦和磨损,可避免减少模具表面的粗糙度。

讨论

在研究的参数范围内,平均COFs的比较表明,涂层的表面粗糙度和接触压力是两个最显著的因素。这两种情况都导致更多的锌从薄板表面剥落,因为涂层模具插入件的非常硬的峰值在相对软的锌涂层上产生了很深的压痕。压痕越深,锌层的应变越大,镀层可能会被剥落。

粗糙度增加1.58倍对COF的影响可以通过比较测试条件来估计(见图6):

  • 对于高速、低压和高水平的润滑剂,1和3将COF降低了2.45倍。
  • 对于低速、低压和高水平的润滑剂,2和7将COF降低了3.06倍。

润滑层和接触压力效应的分析仅针对较低的镶块粗糙度进行。根据以下试验条件下结果的比较,将接触压力增加3倍的影响进行量化:

  • 对于高速和高润滑,3和5将COF增加了2.12倍。
  • 4和6在高速低润滑时,COF增加了2.08倍。
  • 7和9低速高润滑时,COF增加了2.08倍。
  • 8和10对于低速和低润滑剂,COF增加了2.15倍。

研究人员估计增加润滑剂层的效果从60毫克/平方英尺。110毫克/平米。使用以下测试条件的比较:

  • 4和3降低了约2%的COF在高速和低压。
  • 5和6对高速和高压无影响。
  • 7和8低压低速时COF降低6%。
  • 低速高压时,COF下降9.4%,10降低9.4%。

对比以下测试条件,分析了将测试速度从200 mm/min.提高到1000 mm/min.的效果:

  • 1和2降低了32%的COF高插入粗糙度,低压力,高润滑剂水平。
  • 对于低粗糙度、高压和高润滑剂,5和9降低了4%的COF。
  • 3和7降低了6%的COF低粗糙度,低压力,高润滑剂。
  • 4和8降低了10%的COF低粗糙度,低压力,低润滑剂。
  • 6和10降低了近14%的COF低粗糙度,高压和低润滑剂。

参考文献

t . Altan钣金成形工艺及应用(俄亥俄州材料园:ASM国际,2012)。

T.Huth Fehre,“测定透明有机层厚度的方法和装置”,欧洲专利EP 1 287 310 81。

关于作者

Evangelos Liasi博士

冲压CAE和模具面建模主管

福特汽车(f.n:行情)。

(313) 805-5210

奥克兰大学先进制造与材料中心

博士谢尔盖Golovashchenko

教授、主任

奥克兰大学先进制造与材料中心

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248-370-4051

娜塔莉亚·莱因伯格

博士生

奥克兰大学先进制造与材料中心

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奥克兰大学先进制造与材料中心

萨伊德·纳舍拉哈卡米

博士生

奥克兰大学先进制造与材料中心

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周伟田

博士生

先进制造与材料中心(CAMM)

奥克兰大学图书馆路115号

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