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凹模入口圓角在板料沖壓成形發(fā)生的磨損
摘要：
眾所周知，在板料沖壓成形過程中，凹模入口圓角磨損分布不均和多重磨損情況可能同時發(fā)生。然而，一直很少或根本沒有研究詳細(xì)介紹不同磨損的細(xì)節(jié)類型，并量化它們發(fā)生的地點。此外，依時間的接觸條件和磨損程度之間的聯(lián)系，目前還不清楚。本文提出的實驗研究目的在于，在一個典型的板料沖壓成形工藝中，檢驗凹模入口圓角的磨損發(fā)生地點、類型和嚴(yán)重程度。研究發(fā)現(xiàn), 凹模入口圓角的磨損包含劃痕和毛刺。劃痕的相對嚴(yán)重程度，在凹模入口圓角分為兩個截然不同的區(qū)域，與我們最近公布的接觸壓力和滑動距離的數(shù)值模擬研究預(yù)測有良好的關(guān)聯(lián)。毛刺導(dǎo)致沖壓工藝的失敗。因此，整體工具的磨損是關(guān)鍵。我們的分析表明，過大的接觸壓力/小滑動距離的條件，發(fā)生在第一階段的過程，會造成所觀測到的毛刺過大。因此，推斷出整體工具磨損和工具壽命主要依賴沖壓工藝初始瞬態(tài)階段。
關(guān)鍵詞:接觸壓力，失效，磨損，板料沖壓成形，工具磨損
1、簡介
在金屬薄板自動沖壓行業(yè)，因在沖壓車間中高強(qiáng)度鋼板的應(yīng)用和潤滑油使用的減少，工具磨損的研究已變得越來越重要。檢查工具磨損常常通過使用典型的磨損測試，如簡單的兩體滑動接觸情況[1-3]或彎曲張力型操作[4-9]。這些處理使接觸條件在臨界磨損下達(dá)到穩(wěn)定,在板料沖壓成形過程中被設(shè)定為代表最重要磨損條件經(jīng)驗。然而，一些研究表明，板料沖壓成形[9–15]中，非穩(wěn)定的接觸條件在凹模入口圓角也是存在的。雖然在沖壓過程中的很大一部分表現(xiàn)出穩(wěn)定的接觸條件，定性比較彎曲張力進(jìn)程，它最近已被認(rèn)定是有一個獨特的初始過渡階段，表現(xiàn)出重度和時間依賴性的接觸條件[13–15]（參考Fig.1）。如Fig. 1a所示，發(fā)生在凹模入口圓角的接觸壓力,超過那些在穩(wěn)態(tài)階段的經(jīng)驗。此外，也表明在磨損臨界狀態(tài)瞬態(tài)階段下獨特的接觸壓力[13]、滑動距離[14]、體積變形條件[15]，與傳統(tǒng)的磨損試驗經(jīng)驗有顯著不同。據(jù)佩雷拉等[13-15] 推測，接觸和變形條件在瞬態(tài)階段中存在，可能是整體板料沖壓成形工具磨損的關(guān)鍵。
眾所周知, 幾種不同的磨損包括微切削，刮痕，棘輪和毛邊——出現(xiàn)在板料沖壓成形過程。文獻(xiàn)顯示,磨損發(fā)生在凹模入口圓角的位置、發(fā)生機(jī)制的類型,和相應(yīng)嚴(yán)重磨損程度可發(fā)生顯著變化（例如，見[2,16-18] ）。對于一個給定的沖壓工藝，這種變化往往可以在一單凹模入口圓角表面的不同位置被觀察到。彎曲張力流程、位置、類型和磨損的嚴(yán)重程度展示了存在工具半徑[4,6,8,19,20]的接觸壓力兩個峰值分布的密切關(guān)聯(lián)。然而,對于板料沖壓成形過程，磨損性能和接觸條件之間的關(guān)系目前不得而知。
通過表面輪廓的使用，凹模入口圓角的磨損深度為筒形成形工序[16,21]的案例提供依據(jù)。這種方法可以成功地量化涉及材料去除的磨損，如微切削磨損。然而，當(dāng)表面不去除材料——即刮痕、毛邊，或發(fā)生磨料和粘合劑相結(jié)合——表面輪廓/磨損深度的結(jié)果可能更難以解釋。在這些情況下，顯微鏡或目測觀察已被用來識別主要磨損[17、18]。然而,據(jù)作者所知,在板料沖壓成形，還沒有著作發(fā)表，針對凹模入口圓角來詳細(xì)說明磨損的類型，并量化它們發(fā)生的位置。這方面的知識顯得尤為重要，考慮已確定發(fā)生的不同的接觸條件，無論是在凹模入口圓角和整個沖壓過程的持續(xù)時間。因此，本次研究的第一個目的是為一個典型的板料沖壓工藝描述發(fā)生在凹模入口圓角的磨損位置、類型和嚴(yán)重程度。
一旦以磨損為特點，在凹模入口圓角的宏觀尺度接觸、滑動和變形條件就可以進(jìn)行檢測。尤其關(guān)鍵的是整體工具磨損性能對于凹模入口圓角的條件就可以決定了。因此，本次研究的第二個目的是評估沖壓工藝的瞬態(tài)階段，和凹模入口圓角（Fig.1a所示）造成的瞬態(tài)條件下，是否對整體磨損有重要影響。
Fig. 1. 在典型金屬板料沖壓操作過程中，凹模入口圓角根據(jù)間斷和時間依賴性的接觸條件。（a）接觸壓力的演變,顯示存在兩種不同的階段(改編自[13])。（b）不同程度的接觸壓力下在凹模表面上滑行距離分布(改編自[14])。
Fig. 2. 通道形成磨損試驗和模具，使用埃里克森通用板料試驗機(jī)：（a）最初的沖壓過程。（b）最終的沖壓過程。
Fig.3. 表面輪廓測量沿坯料滑動方向。
2、實驗裝置
2.1 測試方法和配置
通道形成試驗如Fig.2，形成本研究的基礎(chǔ)。表1中總結(jié)，測試配置以文獻(xiàn)[17,22,23]以前報道的半工業(yè)磨損試驗為基礎(chǔ)和佩雷拉等所進(jìn)行的數(shù)值研究[13,14]。幾何、工藝、材料參數(shù)與典型有磨損傾向自動板料沖壓成形過程密切相關(guān)。埃里克森通用板料試驗機(jī)(型號145 - 60)作為沖壓系統(tǒng)。自定義的工具（如Fig.2所示）被設(shè)計為可兼容標(biāo)準(zhǔn)工具，同時允許凹模入口圓角易于插入、拆卸，方便檢查和互換。
值得注意的是沖頭寬度的差異，在這項研究中使用（40毫米），相比數(shù)值研究（30毫米）[13,14]。然而，對照以前的數(shù)值研究仍然是有效的，數(shù)值分析表明，沖頭寬度的差異，對凹模入口圓角上接觸和變形的影響可以忽略不計[13]。此外，沖孔速度，V為1.5毫米/秒，明顯低于典型的自動板料沖壓過程中使用的撞擊速度[23]。作者注意到變形和摩擦生熱的影響，在較高的沖孔速度下，可能會影響工具的磨損率和機(jī)械破壞。然而，對這些影響的調(diào)查超出研究工作的范圍，并沒有在這項研究中考慮。
正如上文所言，實驗的主要目的之一是確定導(dǎo)致沖壓工藝失敗的磨損性能，是整體工具磨損的關(guān)鍵——即磨損類型和磨損原理，和在凹模入口圓角產(chǎn)生的位置。自動板料沖壓中，成形工件側(cè)壁上存在肉眼可見的劃痕是沖壓工藝失敗的典型判斷[17,22]。因此，每次成形操作后，必須仔細(xì)目視檢查沖壓件的側(cè)壁任何磨損的跡象。眾所周知，磨損率（尤其是毛刺）一旦這個過程產(chǎn)生可以上升得非常迅速[18,24]。因此，為了獲得準(zhǔn)確的關(guān)于磨損的類型和位置的信息，一旦關(guān)鍵的磨損明顯產(chǎn)生就停止測試尤為重要?；谶@個原因，凹模入口圓角鑲嵌件的表面在沖壓的每一步過程中也需要進(jìn)行嚴(yán)密地目視檢查。
值得高興的是，對沖壓零件側(cè)壁通過視覺檢測和表面輪廓(即劃痕深度的測量)的結(jié)合，可提供的一個估計磨損狀態(tài)的過程[17]。然而,在本次研究中, 研究人員發(fā)現(xiàn),目視檢查提供了一個有效和成功的單獨磨損鑒定發(fā)生識別方法。這是一個特例，因為需要停止測試時，磨損鑒定需在最初一瞬間可見的條件下。一旦停止測試，凹模入口圓角表面會用丙酮清洗，用表面輪廓和光學(xué)顯微鏡技術(shù)（將在2.3節(jié)所述）的詳細(xì)檢查。
測試之前，要對金屬板料坯料邊緣進(jìn)行毛刺去除，通過鍘除刀切割成所需的尺寸。每個樣品成型前所有工具和坯料表面要用蘸有丙酮的無絨布擦拭。在測試之前要確保有足夠的時間使丙酮從有效加工表面蒸發(fā)殆盡，而不導(dǎo)致發(fā)生潤滑。
2.2 材料
在成型沖程過程中與坯料接觸的工具（凹模，凹模入口圓角鑲嵌件和壓邊）采用AISI D2工具鋼和通過硬化為60 HRC。D2級工具鋼的選擇，因為通常被用于在自動沖壓模具行業(yè)[17]。坯料材料是無涂層的雙相鋼板（DP600），應(yīng)變硬化指數(shù)為0.15，通過拉伸試驗確定屈服強(qiáng)度400MPa及拉伸強(qiáng)度660MPa。
2.3 表面特性
結(jié)合表面輪廓和光學(xué)顯微鏡來描述凹模入口圓角鑲嵌之前和沖壓磨損試驗之后的表面特性。凹模入口圓角外形（形狀）使用二維輪廓測定法沿著坯料滑動方向測量，而粗糙度采用滑動和橫向兩個方向進(jìn)行測量。
2.3.1 表面輪廓(外形)沿滑動方向測量單
表面輪廓測定法采用泰勒-霍普森公司的高精密粗度量測儀(112/3477–01)，長120毫米，60度錐度，2米半徑，在尖頭焊接有金剛石的觸針。觸針的滑動速度和采樣率分別為1mm/s和2000Hz。
每一個壓模嵌入件與水平面成40度的夾角放置，而凹模入口圓角表面使用單一的橫向移動觸針沿外形滑動方向測量，如Fig.3所示。使用7毫米的長度測試測量凹模入口圓角約-5到80度的區(qū)域。測量在凹模入口圓角三個位置上重復(fù)——即相距15、20、25mm，邊緣測量顯示在Fig.3。值得注意的是坯料材料和凹模入口圓角表面的范圍距凹模入口圓角邊緣大約11-31毫米，如Fig.3中凹模入口圓角上陰影區(qū)域所示。
在這項研究中需要對凹模入口圓角鑲嵌件制造與測量給予細(xì)致的關(guān)注。凹模入口圓角表面的形狀應(yīng)制造精確，特別是關(guān)于入口圓角和平面之間入口圓角表面的圓柱度、和過渡面精確度已趨于規(guī)范。因此，凹模入口圓角鑲嵌件有效表面的小輪廓公差±0.02mm已有規(guī)定(參閱Fig. 4所示表面B-C)。然而，凹模入口圓角的尺寸公差往往設(shè)定為±0.2毫米，以減少成本。
每個凹模入口圓角質(zhì)量的檢查是通過計算理想輪廓外形實測斷面的偏差。理想斷面由入口圓角的外圓角與水平線完美相切。實測斷面與理想斷面的偏差如Fig. 5所示，數(shù)學(xué)計算求解程序由Microsoft Excel開發(fā)。x的水平線的可以視為理想斷面,而實測斷面的曲線偏差也屬于理想。通過平移和轉(zhuǎn)動處于二維空間的實測斷面來求解實測斷面和理想斷面之間最低限度的偏差。作為偏差最低限度程序的一部分，入口圓角的理想斷面按照指定的制造公差允許±0.2mm的偏差。如Fig. 5針對凹模入口圓角斷面測量的檢查，最合適的理想斷面是獲得5.048 mm的入口圓角。
顯而易見，凹模表面輪廓非常準(zhǔn)確的在Fig. 5顯示，凹模表面約?5—80度的整個范圍內(nèi)的理想最大偏差都小于0.004 mm。在每個凹模入口圓角表面測試中所采取的三種測量方法中，凹模表面?5—75度之間區(qū)域的最大偏差小于± 0.006毫米。所示區(qū)域（從-5到75度）與預(yù)測的坯料接觸區(qū)域大體相符，如Fig. 1所示。因此，與制造不精確相關(guān)的任何影響，都假設(shè)對這項研究中獲得的磨損結(jié)果影響甚微。
Fig. 4. 摘自凹模入口圓角鑲件的工程制圖。所有的尺寸均以毫米。一般線性公差±0.2毫米。
Fig. 5. 基于理想斷面下實測斷面的偏差（距凹模入口圓角邊緣20mm處）。數(shù)據(jù)采集采用5.048 mm理想入口圓角。
2.3.2 沿滑動方向和橫向的表面粗糙度測量
斷面測量值，如上所述，用來計算凹模入口圓角在滑動方向上的粗糙度。在橫向方向上，凹模入口圓角支架設(shè)備用于定位凹模入口圓角使與水平面成角，如此便使觸針在凹模入口圓角表面放置成同樣的角（見Fig. 6）。如圖所示，橫向的粗糙度測量選擇距凹模入口圓角邊緣15至27mm的區(qū)域。在凹模入口圓角0—80度的范圍內(nèi)以10度的遞增量進(jìn)行重復(fù)測量。對于每個斷面測量值，使用泰勒-霍普森Ultra軟件（版本5.5.4.20 ）來計算粗糙度的算術(shù)平均值，詳細(xì)參數(shù)參考表2，單位Ra。
Fig. 6. 坯料滑動方向斷面表面的橫向測量
表2
典型的粗糙度的計算,截止長度(lc,顯示在表2)是用來抑制較長長度的產(chǎn)生,這樣可以確定表面粗糙度[25]。因此,同樣的,表面粗糙度是通過計算凹模入口圓角彎曲表面的平面波紋、高斯濾波和濾波器截止。根據(jù)[25]詳細(xì)的流程，為粗糙度做出正確的計算面選擇最適當(dāng)?shù)倪^濾器，采用務(wù)實的實證方法。使用這種方法，采用高斯粗糙過濾器，由最長截點（8毫米）開始，在最短截點（0.08毫米）結(jié)束，在每種情況下都能得到的“改良”的表面輪廓?？紤]到所有在滑動方向的剖面測量，截止長度增長了0.25mm使顯著表面特征（即粗糙度）達(dá)到了最好的平衡，從而抑制了最小數(shù)值的產(chǎn)生。Utilising這個實證的方法，明確的顯示，較小的截止長度0.08毫米抑制粗糙度本身,而較大的截止0.8毫米無法根除——因此這些都不適合粗糙度計算。應(yīng)當(dāng)指出的是，為這次研究所測量的粗糙度數(shù)值，截止長度增長值選擇（0.25毫米）也應(yīng)密切對應(yīng)相關(guān)的ISO標(biāo)準(zhǔn) [26]。
2.3.3. 光學(xué)顯微鏡成像
凹模入口圓角鑲嵌件放置在光學(xué)顯微鏡臺上，與水平面成0 - 80度角，以10度遞增(見Fig.7)。在每個角度，沿橫向方向每1mm的增量用10×光學(xué)鏡頭捕獲了一系列數(shù)碼照片。用這種方法，入口圓角0—80度的表面區(qū)域和壓模嵌入件14–28 mm的邊緣都可以進(jìn)行檢測。在測試結(jié)束時所捕獲的全套顯微照片，對應(yīng)約120張凹模入口圓角鑲嵌件的圖像，以便獲得對磨損表現(xiàn)形式的詳細(xì)認(rèn)識。這是一個非常耗時的任務(wù)，因此，較少的顯微圖像在測試之前應(yīng)進(jìn)行處理。目的在于，在這種情況下，結(jié)合在2.3.2節(jié)中所述的粗糙度測量，獲得的初始表面形狀的常規(guī)認(rèn)知。
Fig.7. 凹模入口圓角鑲嵌件表面成像的光學(xué)顯微鏡設(shè)置。上圖所示為凹模入口圓角鑲嵌件與水平面成40度角放置。
2.4. 測試條件
表3詳細(xì)總結(jié)了在這項研究中磨損測試檢查，除了一般的幾何參數(shù)和工藝參數(shù)外的詳細(xì)說明參考表1。凹模入口圓角值、斷面最大偏差值和粗糙度的平均值從2.3節(jié)中描述的表面輪廓測量和計算得到。如表3所示，每個測試之間的主要區(qū)別是在指定的圖紙深度和用于準(zhǔn)備凹模入口圓角鑲嵌件表面的方法。
關(guān)于表面處理法，凹模入口圓角鑲嵌件的第一、五、六道工序用1200金剛砂濕、干砂紙在玻璃平板上手工打磨。凹模入口圓角鑲嵌件的第二道工序也用同樣的方法手工打磨，但使用2400砂紙。凹模入口圓角鑲嵌件的第三道工序使用附屬于臺式磨床的拋光棉輪進(jìn)行拋光，添加少量金屬拋光劑。在這些工序下，沿橫向方向的有效表面（Fig. 4所示表面B–C）在制造過程最終階段都完成拋光。凹模入口圓角鑲嵌件第四道工序不用拋光，有效表面使用精密加工。
Fig. 8展示了完整的凹模入口圓角坯料接觸區(qū)域表面中心的形態(tài)圖像。構(gòu)建這些圖片，沿滑動方向線性的光學(xué)顯微圖像通過手工拼接在一起。該方法用于捕捉和構(gòu)建圖像以確保整個凹模入口圓角表面的顯微圖像中有精確位置成立，如Fig. 8.所示軸線。這個知識對于凹模入口圓角表面的磨損檢查至關(guān)重要，將在第三節(jié)詳細(xì)說明。
Fig. 8提供了一個簡潔的凹模入口圓角鑲嵌件初始表面形態(tài)的視覺摘要。對凹模入口圓角鑲嵌件的第四道工序的檢查表明，有相當(dāng)數(shù)量的磨痕，從制造工藝來看，是目前精密加工凹模入口圓角表面的狀態(tài)。而在滑動和橫向方向分別測量的粗糙度的值0.38和0.12也進(jìn)一步證明（見表3）。手工打磨的方法，使用1200砂礫濕和干砂紙（參閱一、五、六道工序），忽略這些制造的磨痕。對于這些情況，表面形態(tài)特點就是無數(shù)橫向輕微劃痕和滑動、橫向方向的粗糙度。最后，顯而易見，無論是用2400砂紙手工拋光法和機(jī)器拋光法(分別為第二、三道工序)，也不能徹底清除磨痕。然而,深層磨削的磨痕仍會出現(xiàn)在模具表面(即Fig. 8 b和c，觀察凹模入口圓角的第二、三道工序垂線或接近垂線的線),對測量粗糙值發(fā)生顯著的影響還沒出現(xiàn)。
至于第一至四道工序的拉延深度：50mm，描繪之前檢測典型成形工藝的實驗[22,23]及數(shù)值模擬[13,14]的全部拉延深度。第五、六道工序的拉延深度：17mm，捕捉0到17mm的沖壓行程成成形過程的瞬態(tài)階段。
表3
Fig. 8.沖壓磨損測試中凹模入口圓角鑲嵌件表面。坯料滑動方向從左到右。
3. 結(jié)果和討論
全沖程的測試(測試I-IV)表征在整個凹模入口圓角全部磨損現(xiàn)象發(fā)生 (見3.1節(jié))。基于這些發(fā)現(xiàn),短沖程測試(測試V和VI)評估全部磨損現(xiàn)象在瞬態(tài)階段的顯著性(見3.2節(jié))。在每個測試中凹模入口圓角的磨損現(xiàn)象將互相比較，與之前作者報告中接觸和滑動條件也進(jìn)行比較[13–15]。
3.1 整體工具磨損（測試I-IV）
檢查凹模入口圓角表面，在測試之前、每進(jìn)行15個沖壓件和測試之后（失效發(fā)生時），都要對表面特性描述，詳細(xì)方式如第2.3節(jié)所述。如前所述，失效的定義為在沖壓件的側(cè)壁首次出現(xiàn)可見劃痕，或在凹模入口圓角表面首次發(fā)現(xiàn)磨痕。每次測試中廢品的總數(shù)顯示在表3，而Fig.9所示的是每次測試中最后一個沖壓件的側(cè)壁。表面上嚴(yán)重的劃痕在另一沖壓件上則很輕微。
然而，通過仔細(xì)的照明和閃光攝影，零件的側(cè)壁上的劃痕清晰可見，如Fig. 9。由于本研究旨在探討關(guān)鍵的磨損現(xiàn)象在凹模入口圓角發(fā)生區(qū)域，重點是要捕獲轉(zhuǎn)變成由于表面損傷積累所造成嚴(yán)重磨損之前的最初期的磨損現(xiàn)象。
把光學(xué)顯微鏡圖像通過手工拼接在一起獲得所想要的關(guān)鍵區(qū)域筒形凹模入口圓角表面的完整視圖。為突出典型的磨損表現(xiàn)在Fig. 10顯示了I–IV工序凹模入口圓角表面的區(qū)域/物件尚未發(fā)生嚴(yán)重磨損，I和IV的凹模入口圓角被認(rèn)為出現(xiàn)失效分別在沖壓30、18個工件的時刻。因此，F(xiàn)ig. 10 a和d顯示的是沖壓15個工件后的凹模入口圓角表面，在出現(xiàn)失效之前提供典型磨損表現(xiàn)的信息。Die inserts II and III failed at 14 parts. However, at this instant, scratches were not evident over the entire sidewall region of the stamped parts (see Fig. 9b and c). II和III凹模入口圓角在沖壓14個工件后失效。然而，在這一瞬間，劃痕在沖壓工件的整個側(cè)壁區(qū)域不明顯（見Fig. 9 b和c)。因此，顯示在失效前的磨損表現(xiàn)，在Fig. 10 b和c所示凹模區(qū)域與劃痕不明顯的側(cè)壁區(qū)域相符。Fig. 11顯示的是測試結(jié)束時I–IV的凹模入口圓角表面，發(fā)生嚴(yán)重磨損的區(qū)域顯而易見——即與沖壓槽側(cè)壁的磨損區(qū)域相符。數(shù)據(jù)的目的是為了強(qiáng)調(diào)整體工具磨損對于磨損在凹模入口圓角的表現(xiàn)和區(qū)域是至關(guān)重要的。
Fig.9. I–IV道測試結(jié)束后成形工件的側(cè)壁
Fig.10. 全沖程測試的凹模入口圓角表面，展示典型磨損表現(xiàn)在尚未發(fā)生嚴(yán)重磨損（即失效）的實體和區(qū)域。坯料滑動方向從左向右。接觸區(qū)域的近似位置已由佩雷拉等人確定[13]，顯示在Fig. 1，已標(biāo)明在底部。
Fig.11. 全沖程測試的凹模入口圓角表面，展示典型磨損表現(xiàn)在尚未發(fā)生嚴(yán)重磨損（即失效）的實體和區(qū)域。坯料滑動方向從左向右。接觸區(qū)域的近似位置已由佩雷拉等人確定[13]，顯示在Fig. 1，已標(biāo)明在底部。
3.1.1 概述
Fig.10和11提供了大量在整個凹模入口圓角所發(fā)生的磨損與接觸條件相互關(guān)系的信息。在討論具體條件之前，值得強(qiáng)調(diào)拼接的顯微圖像中一些典型的點。首先，磨痕或表面缺陷在制造過程的出現(xiàn)都有可能造成凹模入口圓角不水平現(xiàn)象，開始測試之前的表面目前存在。
此外，以角度10度的增量在凹模入口圓角重復(fù)，在模具表面上的明和暗圖像區(qū)域非常明顯。這種顏色樣式并不是表面的實際特征，但這樣的結(jié)果是由每套在以角度10度增量測試（詳見2.3節(jié)）中獲得的27套顯微圖像拼接的圖像(Fig. 10和11)引起。因模具為圓柱形，顯微鏡鏡頭觀察與正常的視覺相似，因此，每張表面圖像的中央部分顯得更加明亮。表面圖像中央的左右兩側(cè)因鏡頭視線角度的增加，因此顯得暗。
3.1.2 接觸區(qū)域
沿著坯料滑動方向的水平標(biāo)識和顏色變化的觀察（見Fig.10和11 ）都清晰的表明沖壓過程中在入口圓角表面約0—75度的區(qū)域內(nèi)坯料與模具的滑動接觸。這區(qū)域以外的表面沒發(fā)生任何改變，說明這些區(qū)域沒有發(fā)生滑動接觸。因此，凹模入口圓角表面約0—75度的區(qū)域作為“整體”接觸區(qū)域。
失效前的典型磨損在“整體”接觸區(qū)域顯示了兩種不同表現(xiàn)形式。在凹模入口圓角表面約0—50度的區(qū)域顏色變暗，出現(xiàn)了大量的橫向痕跡。而50 - 75度的區(qū)域橫向痕跡數(shù)量減少和顏色變化不大。這個結(jié)果是合理的，根據(jù)在凹模入口圓角上半部分所發(fā)生的較大滑動距離的經(jīng)驗，是穩(wěn)態(tài)階段的結(jié)果[14]，如Fig. 1b所示。
接觸區(qū)的大致位置——已由佩雷拉等人證明[13]，如Fig. 1所示——在Figs. 10和11已做出表明。整個沖壓過程中用實驗的方法觀察“整體”接觸區(qū)域與數(shù)據(jù)預(yù)測接觸區(qū)域有很好的關(guān)聯(lián)是很明顯的。此外，F(xiàn)igs. 10和11中兩種不同表現(xiàn)形式（如上所述）很好的聯(lián)系著穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)接觸區(qū)域。
值得注意的是，這兩種接觸帶在拋光模具（I–III模具）上很容易辨別，磨損嚴(yán)重的區(qū)域并不明顯(Fig. 10a–c)。然而,對于未拋光模具(IV模具，F(xiàn)ig. 10d)，坯料接觸區(qū)域不清晰，由于表面缺陷的數(shù)量和嚴(yán)重性最初出現(xiàn)在凹模入口圓角。此外，嚴(yán)重磨損和毛刺的存在(Fig. 11)使鑒定這兩種接觸帶更加困難。然而，在這些情況下，仔細(xì)檢查仍然能揭示觀察“整體”接觸區(qū)域中穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)接觸區(qū)的存在。
造成顏色變化的原因尚未了解。在整個凹模入口圓角、坯料壓邊圈平面和模具都能觀察到顏色的變化，清楚地表明坯料表面發(fā)生了滑動接觸。然而，推測這是一種輕微的原理，對于整體磨損表現(xiàn)不是關(guān)鍵，特別是考慮到更多的機(jī)械磨損（劃痕、毛刺）的觀察，將在下文討論。
3.1.3 劃痕原理
滑動和橫向方向上的粗糙值，從測試之前和之后的輪廓測量值中獲得，檢查的目的在于試圖描繪磨損表現(xiàn)在整個凹模入口圓角上的特性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，粗糙值參數(shù)不能提供清晰或一致跡象在整個凹模入口圓角上的磨損位置和嚴(yán)重性[27]。然而，可以發(fā)現(xiàn)，通過整個凹模入口圓角的表面輪廓偏差和磨損測試之前、之后數(shù)據(jù)的比較，能夠用于評估在磨損過程中材料是否會從模具表面去除。因此，F(xiàn)ig. 12的兩個測量值不能得到在凹模入口圓角鑲嵌件表面上精確的相同位置，數(shù)值也不能相互比較——即兩條曲線之間的差異不能被用來計算材料去除量。然而，通過兩條曲線性質(zhì)上的比較，如Fig. 12，輪廓的常規(guī)形狀與測試之前、之后的測量值大體相似。因此，考慮到兩條曲線的相關(guān)聯(lián)（特別提及Fig.12的縱線坐標(biāo)），磨損中涉及的材料去除可能不占優(yōu)勢。觀察這項研究每個第六道工序的凹模入口圓角的類似趨勢。
仔細(xì)檢查在模具表面上的水平痕跡，如Figs.10和11所示，表明在坯料滑動方向的水平痕跡由平行的“凹槽”和“山脊”組成（見Fig. 13）。目視觀測和表面輪廓測量，F(xiàn)ig. 12所示，表明在凹模入口圓角表面，劃痕粗糙變形是主要原理。在所有的凹模嵌入件測試中，這樣的劃痕類型出現(xiàn)在大部分的接觸區(qū)域（即在凹模入口圓角約0-75度范圍內(nèi)）。然而，F(xiàn)ig. 13顯示在瞬態(tài)接觸地區(qū)劃痕的數(shù)量在減少（在凹模入口圓角約50-75度）。這與預(yù)計發(fā)生較短滑動距離的地區(qū)有很好的聯(lián)系（參見Fig. 1b）。
3.1.4. 毛刺原理
除了上述劃痕原理，毛刺在凹模入口圓角表面也是顯而易見的。毛刺是因薄板表面在材料薄板傳送至工具表面時咬粘而產(chǎn)生，它會導(dǎo)致成形板材表面磨損[18]。因此，毛刺可以通過觀察凹模入口圓角表面和成形板材表面來識別。Fig.11顯示入口圓角區(qū)域與在沖壓通道側(cè)壁觀察到的劃痕位置相符（參考Fig. 9）。在所有情況下，失效的原因在于毛刺過大。因此，毛刺對沖壓加工檢測中整體工具的磨損影響的重要性是很明顯的。
Fig. 11的初步檢查表明，材料傳送到不同的凹模表面，毛刺分別出現(xiàn)在每個展示凹模的不同位置。也就是說，凹模嵌入件I顯示毛刺過大出現(xiàn)在凹模入口圓角約60–75度位置，凹模II在35–55度位置，凹模III在25–50度位置，凹模IV在凹模表面50–75度位置。然而，仔細(xì)檢查磨損表面發(fā)現(xiàn)，在所有的凹模測試中，除了在這些局部地區(qū)內(nèi)過大的毛刺很容易觀察，輕微毛刺出現(xiàn)在整個約10 - 75度的區(qū)域。例如，F(xiàn)ig. 14表明在凹模I和II中毛刺都出現(xiàn)在凹模入口圓角約10 – 75度的區(qū)域。Fig. 14b–f所示為在Fig.11a和b中謹(jǐn)慎選取的區(qū)域，詳細(xì)展示同一地區(qū)，使可見于更宏觀水平。類似的毛刺痕跡可以在凹模III和IV中相同的區(qū)域（10 - 75度）找到。
通常認(rèn)為，毛刺是在材料傳送階段性增長過程局部傳送的初始階段中多階段加工產(chǎn)生的結(jié)果。因此，從工具磨損的角度來分析，識別引起這些初始階段毛刺的條件是特別重要的事。實驗觀察顯示，凹模入口圓角10 - 75度區(qū)域的接觸條件的經(jīng)驗足以引發(fā)毛刺過大。因此,可以推斷這些條件是整體工具磨損的關(guān)鍵。
Fig.12. 距離凹模入口圓角I邊緣20mm處，在表面預(yù)處理(0工件成形)和測試結(jié)束表面(30個工件成形)時表面輪廓偏差的比較。
Fig. 13.凹模入口圓角II加工14個工件后表面上的兩個位置，顯示了平行的“凹槽”和“山脊”與滑動方向一致是存在的。每張光學(xué)顯微鏡圖像采用了100×的鏡頭。坯料滑動方向從左到右。
雖然對于工具磨損而言毛刺不是至關(guān)重要的，觀察發(fā)現(xiàn)在每個凹模上可見的過大毛刺在不同的位置，可以一定程度解釋兩個階段毛刺的本質(zhì)。毛刺的成長階段可以是相當(dāng)迅速的，也可以被一些因素影響，包括:接觸壓力、接觸面剪切強(qiáng)度、粗糙沖角、粗糙高度等[24]。通過檢查出現(xiàn)在材料大幅提升傳送速度，沖壓15到18個工件后的凹模嵌入件IV表面，可知這種快速生長階段的本質(zhì)是明顯的(參見Fig. 10d和11d)。此外，一旦毛刺的生長階段已經(jīng)開始，由于板料/咬合材料的自身接觸造成的內(nèi)存附著力，和粗糙高度的增加與材料組合的聯(lián)系，使生長有可能在較不嚴(yán)重的接觸條件下繼續(xù)。
Fig.14. 凹模入口圓角嵌入件I和II表面的幾個位置，顯示毛刺存在于凹模入口圓角表面10—75度的區(qū)域內(nèi)。每張光學(xué)顯微鏡圖像采用10×鏡頭。坯料滑動方向從左到右。
對于凹模嵌入件I和IV，過大毛刺的可見區(qū)域與經(jīng)歷100MPa以上滑動接觸壓力接近結(jié)束的凹模入口圓角區(qū)域相符。毛刺產(chǎn)生之后，在低接觸壓力下，使材料傳送有更進(jìn)一步的增長趨勢。參考Fig. 11b和c（凹模嵌入件II和III）。在這些情況下，在穩(wěn)態(tài)階段存在的可見毛刺所在的局部區(qū)域與在凹模入口圓角發(fā)生二次接觸壓力峰值有很好的一致性。因此，毛刺產(chǎn)生后，滑動距離過大和出現(xiàn)在穩(wěn)態(tài)階段的適度接觸壓力足以造成材料傳送的局部區(qū)域迅速增長是可能的。然而，在所有的情況下，可以明顯看出，毛刺產(chǎn)生于凹模入口圓角10–75度的區(qū)域內(nèi)，促使可見毛刺增長（失效）也出現(xiàn)在這個區(qū)域。
試驗觀測表明，在所有的測試中毛刺不產(chǎn)生于凹模入口圓角初始位置（接近0度）。因此，很明顯，在沖壓過程穩(wěn)態(tài)階段中在接近凹模入口圓角0度位置出現(xiàn)的過大的接觸壓力和滑動距離，不會出現(xiàn)毛刺，因而不是整體工具磨損的關(guān)鍵因素。相反地，過大的毛刺出現(xiàn)在瞬態(tài)接觸區(qū)域（凹模入口圓角50–75度）是很明顯的。Fig. 1a顯示凹模表面的這些區(qū)域在沖壓過程瞬態(tài)階段中只接觸坯料。因此，在這個區(qū)域內(nèi)任何被觀察到的表面破壞只能歸因于瞬態(tài)階段（不能同穩(wěn)定階段聯(lián)系在一起）。同樣地，磨損觀察結(jié)果表明，瞬態(tài)階段是整個磨損的關(guān)鍵，相關(guān)知識將在3.2節(jié)進(jìn)行詳細(xì)說明。
最后，測試I—IV所獲得的結(jié)果表明，用于凹模嵌入件表面的不同表面處理方法，對磨損產(chǎn)生的位置或類型都沒有顯著的影響。由于磨損本質(zhì)的隨機(jī)測試（和正常測試），針對每種條件實施的單個測試不能斷定表面處理方法對磨損率的影響。不管怎樣，會在3.3節(jié)進(jìn)一步探討，這并不是其中的一個研究目的。研究的主要目的是為了描繪在凹模入口圓角上大量嚴(yán)重磨損和失效的位置特性，與可識別接觸條件有關(guān)。選擇若干不同的表面處理方法是為了確保 在各種各樣的條件獲得的磨損觀察結(jié)果穩(wěn)定和有效。很明顯這個目的已經(jīng)達(dá)到，通過每個案例的整體磨損表現(xiàn)互相比較，因此提供置信水平指標(biāo)來觀察所獲得結(jié)果和計算結(jié)果的關(guān)系。
3.2. 瞬態(tài)階段的工具磨損（測試V和VI）
基于整體磨損表現(xiàn)特點和接觸條件知識，單單就第二系列測試進(jìn)行評估，工具磨損表現(xiàn)是應(yīng)歸于沖壓過程的瞬態(tài)階段。表3顯示測試的細(xì)節(jié)與測試I數(shù)據(jù)相同，除了較短的拉延深度17mm。這相當(dāng)于沖壓行程（0–17 mm）區(qū)域有必要對沖壓過程的瞬態(tài)階段進(jìn)行復(fù)制，如Fig. 1a所示。因此，瞬態(tài)階段對于整體磨損表現(xiàn)的意義就非常明顯。
用于測試I的表面處理方法被復(fù)制于測試V和VI，因為可以最大限度保持表面形貌始終如一，主要為了避免在制造過程中的磨削損耗，因此是工業(yè)沖壓工具中最具代表性的預(yù)期表面條件。
由于磨損本質(zhì)的隨機(jī)測試，兩次測試所獲得結(jié)果通過提供的置信水平指標(biāo)來處理。
凹模嵌入件V和VI的表面，失效出現(xiàn)的位置（即與沖壓工件上有輕微劃痕的區(qū)域相一致），如Fig. 15a和b所示。這些地區(qū)被選出來以便突出一般的磨損表現(xiàn)。由于相對少量的材料咬合痕跡在成形加工13個工件后的凹模嵌入件VI是很明顯的（Fig. 15b），測試VI則繼續(xù)增加了12個沖壓件。凹模嵌入件VI上相同的區(qū)域顯示在Fig. 15b和c，以便展示加工13至25個成形工件的磨損演化。
3.2.1． 接觸區(qū)域
Fig. 15顯示坯料與凹模入口圓角的滑動接觸，在凹模入口圓角約0–75度的位置。不出所料，與測試I–IV所觀察的接觸區(qū)域一致，因瞬態(tài)階段引起坯料與凹模入口圓角有最大接觸角[13] (見Fig. 1a)。此外，F(xiàn)ig. 15表明凹模入口圓角嵌入件V和VI表面接觸區(qū)域兩者之間沒有明顯區(qū)別。在穩(wěn)態(tài)階段和瞬態(tài)階段的接觸區(qū)域之間最大的差別在于滑動距離——觀察測試I–IV中的凹模入口圓角引起的區(qū)別(見Fig. 10)——測試V和VI則不存在，這個結(jié)果在預(yù)料之內(nèi)。因此，這個結(jié)果與數(shù)值模擬所預(yù)測的接觸表現(xiàn)有良好的關(guān)聯(lián)性。
3.2.2． 劃痕原理
劃痕在凹模嵌入件V和VI的整個接觸區(qū)域上很明顯，與凹模嵌入件I–IV上觀察到的劃痕相當(dāng)。從凹模V和VI來看，與劃痕相關(guān)的數(shù)目和嚴(yán)重刮傷，與接觸區(qū)域末端相比，更接近始端。這個結(jié)果很好地比較出瞬態(tài)階段期間出現(xiàn)在凹模入口圓角始端的較大的滑動距離，通過獨立的滑動距離數(shù)據(jù)計算來說明[14,27]。
值得注意的是，F(xiàn)ig. 15b和c都顯示在凹模入口圓角表面接近0度的位置有一道深凹槽。測試結(jié)束之后在所有的凹模表面接近0度的位置，少量的類似凹槽清晰可見，參考Fig. 10和11。推測這些凹槽是由凹模表面附近的合金被拉拔出來而造成的，作為劃痕的結(jié)果。然而，劃痕的位置（依據(jù)凹模嵌入件邊緣的距離），出現(xiàn)在接近凹模入口圓角的末端，與在凹模入口圓角始端觀察到的深凹槽位置不相符。因此，對整個磨損不是關(guān)鍵因素是合理的。
Fig.15. 用于短行程的凹模嵌入件表面，表明只有沖壓加工瞬態(tài)階段對磨損有影響。坯料滑動方向從左到右。接觸區(qū)的近似位置，已由佩雷拉等人證明[13]，在Fig. 1底部進(jìn)行了注釋。
3.2.3． 毛刺原理
正如在3.1節(jié)所確定的，毛刺的出現(xiàn)是整個工具磨損的關(guān)鍵，因為它最終導(dǎo)致了沖壓加工的失效。仔細(xì)檢查Fig. 15所示表面，顯示了在凹模入口圓角嵌入件V和VI上約10–75度區(qū)域的毛刺痕跡。事實上，短行程測試（V和VI）毛刺同樣分布在凹模入口圓角，與全行程測試（I–IV）相比，清晰地證明已知的沖壓加工瞬態(tài)階段對整個工具磨損的重要性。此外，嚴(yán)重磨損在所有測試中沖壓了相似數(shù)目的沖壓件之后都能被觀察到，表明工具壽命主要依賴瞬態(tài)接觸條件。
凹模V的凹模入口圓角近40度的位置有大量的毛刺出現(xiàn)（Fig. 15a）。原因與測試I-IV所描述的類似。從瞬態(tài)階段的有限元模型所預(yù)測的接觸條件，僅僅表明，在低接觸壓力下凹模入口圓角近40度的位置，有大量滑動出現(xiàn)[14,27]。然而，如前所述，一旦磨損開始，此低接觸壓力條件也足以造成材料傳送的局部區(qū)域迅速增長，導(dǎo)致嚴(yán)重的可見磨損。
3.3．關(guān)于凹模入口圓角磨損的結(jié)束語
在本次研究中，對沖壓工藝研究所得到的系統(tǒng)極易磨損和刮傷的結(jié)果是很明顯的。因此，對凹模入口圓角表面的觀察是在進(jìn)行少量沖壓操作的情況下開始。它被稱為進(jìn)行測試前的組合：一相對較小的凹模入口圓角、采用先進(jìn)的高強(qiáng)度鋼板材與無涂層工具鋼表面的滑動接觸、和不使用潤滑劑的實際情況，是嚴(yán)重摩擦過程的表現(xiàn)。這些實驗設(shè)置是經(jīng)過慎重的選擇，是因為以實驗室為基礎(chǔ)條件的磨損實驗耗時的本質(zhì)。
作者們意識到，減少磨損試驗的時間尺度上，以加快生產(chǎn)數(shù)據(jù)，可以使因不同的表面退化機(jī)制所約束的磨損表現(xiàn)比其它狀態(tài)占優(yōu)勢的操作狀態(tài)避免危險[29]。然而，眾所周知，毛刺是板料沖壓模具中一種常見的失效模式[17,22,29]。很明顯，這種磨損是這次成型加工磨損測試調(diào)查研究的代表。此外，以往的研究表明，潤滑劑對嚴(yán)重機(jī)械磨損模式、形成分裂和刮痕的出現(xiàn)影響很小[18,30]。
測試的目的是獲得一個給定材料和工藝條件組合的磨損率，為后續(xù)用于磨損模型或估算磨損壽命，因此精確加載條件顯得尤為重要。本文提出的測試的目的，主要是為了描繪大量磨損的凹模入口圓角出現(xiàn)區(qū)域，這樣，這些可能與確定的接觸條件相關(guān)。因此，獲得精確的磨損率并不是重要的，也不是所要研究的。
由于這些原因，很明顯，這些嚴(yán)重摩擦條件的存在并不影響所提供的結(jié)果和得出的結(jié)論的真實性和意義。據(jù)作者所知，板料沖壓成形過程中在凹模入口圓角的精確位置和磨損類型在以往的文獻(xiàn)中未曾提及。此外，這是第一次整個工具磨損和工具壽命被證明，主要依賴凹模入口圓角和坯料表面瞬態(tài)接觸和變形條件的經(jīng)驗。結(jié)果表明，在沖壓加工的最初階段所出現(xiàn)的強(qiáng)烈接觸壓力/短滑動距離條件對整體磨損表現(xiàn)至關(guān)重要。
已經(jīng)證明強(qiáng)烈的接觸條件是由于在坯料表面出現(xiàn)的特有的大量變形條件，因為它在凹模入口圓角最初形成。變形條件和強(qiáng)烈接觸壓力的組合很在可能出現(xiàn)在瞬態(tài)階段，是整體磨損的關(guān)鍵，由傳統(tǒng)的磨損試驗和微機(jī)械磨損模型是不能準(zhǔn)確捕獲的。因此，傳統(tǒng)磨損試驗和模型用于板料沖壓行業(yè)的適用性值得懷疑。因此，這項研究的發(fā)現(xiàn)可能有助于未來相關(guān)的磨損研究的發(fā)展和應(yīng)用，可以在實際沖壓過程中對重要的接觸和變形條件進(jìn)行準(zhǔn)確的復(fù)制。
4. 摘要
在本文中，一個基于實驗室的新的沖壓測試和分析流程已經(jīng)詳細(xì)描述，旨在研究板料沖壓的工具磨損。對于一個典型的板料沖壓工藝，已經(jīng)詳細(xì)介紹在凹模入口圓角上特有的磨損表現(xiàn)和相對嚴(yán)重性的位置。重要的是，通過觀察，磨損表現(xiàn)并不是純粹的材料去除，因此相似的磨損類型通常能在表面硬化工業(yè)沖壓工具上觀察到。
結(jié)果表明，在凹模入口圓角的磨損主要由刮痕和毛刺兩者組成。刮痕在整體接觸區(qū)內(nèi)找到兩種截然不同的區(qū)域，出現(xiàn)在整個坯料接觸區(qū)域。這些區(qū)域的位置，觀察到的磨損的相對嚴(yán)重度，顯示與以往的有限元研究報告中的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)階段接觸區(qū)域有良好的關(guān)聯(lián)。毛刺在大部分的凹模入口圓角表面都能觀察到，導(dǎo)致板料沖壓成形過程失效，因此，是整體工具磨損的關(guān)鍵。值得注意的是，在凹模入口圓角端點位置沒有觀察到毛刺的出現(xiàn)——即該地區(qū)經(jīng)歷了與沖壓過程穩(wěn)態(tài)階段相關(guān)的大的滑動距離和適度的接觸壓力。
另一個加工測試系列的實施是為了評估已知瞬態(tài)階段對整體磨損表現(xiàn)的重要性。毛刺在之前已經(jīng)知道是整體磨損的關(guān)鍵，發(fā)現(xiàn)主要產(chǎn)生于瞬態(tài)階段過程。這個結(jié)果清晰地表明，加工過程的整體工具磨損和工具壽命主要依賴凹模入口圓角和坯料表面的瞬態(tài)接觸和變形條件。發(fā)生在沖壓過程的初始階段的嚴(yán)重接觸壓力/短滑動距離條件，第一次被證明對整體工具磨損是至關(guān)重要的。這些發(fā)現(xiàn)對于用于板料沖壓行業(yè)的傳統(tǒng)磨損測試和模型的適用性有直接的影響。
致謝
這項研究是由美國福特汽車公司、澳大利亞福特、瑞典沃爾沃汽車公司、澳大利亞研究理事會聯(lián)動項目（ LP0776913 ）支持。向迪肯大學(xué)教授彼得·霍奇森對他的支持表示感謝。
參考文獻(xiàn)
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