英语原文共 19 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

铜铝复合材料单点增量成形:变形行为的综合研究

摘要

与整体金属薄板相比，双金属复合薄板的单点增量成形 (SPIF) 由于具有强度高、密度低、耐蚀性好等优点而受到越来越多的关注。然而，SPIF 中的双金属复合片材的变形行为可能不同于单层片材，这取决于各层的排列和力学性能。为此，通过预测模型，包括分析、经验和数值方法，以及考虑关键工艺参数影响的大量实验工作，对 SPIF 中 Cu-Al 复合轧件的变形行为进行了全面研究。结果表明，在不同的工艺参数下，整体的成形性、表面粗糙度、厚度变化和不同层数下的成形力与单层板材相似。进一步研究发现，层板的变形模式趋向于压缩状态，而层板的变形模式趋向于拉伸状态。与Cu/Al层组织相比，这种Al/Cu层组织具有更高的可成形性和更大的成形力，因为外部较薄但较强的铜层可以承受更大的拉伸变形。

关键词：单点增量成形、Cu-Al复合材料、形变、成形性、形成力。

1. 简介

利用不同基材的力学、物理、化学等综合特性，通过辊压法制备的双金属复合板材已广泛应用于航空、航天、电子、化工、船舶、建筑等行业的复合结构和元件中[1]。最近，人们越来越感兴趣关于双金属复合板材成形过程的研究。传统的成型工艺，如深拉伸被认为是处理这种材料。帕尔萨等[2]研究了厚度比和层的影响关于深度可达到的拉伸比的安排铝/不锈钢双层板材的绘图 -实际上和实验上,结果显示铝钢板厚度比为1/3可以实现最大拉深比。Bagherzadeh等人[3]开发了分析模型在水力发电中进行应力分析和不稳定条件铝/碳钢板的机械深冲。然后，层厚度，排列，拉伸比和的影响分析了成形过程中的摩擦条件基于已建立的模型。它显示了上架和片材的厚度可以改变工作FL流体压力区。在他们的进一步工作[4]中，适合的工艺条件实现了铝/钢板的成功成型由完善的有限元模型预测。更广泛的工作可以通过降低厚度来实现区域强度层以及铝层接触时用绘图打孔。参考文献[5]，关键因素的影响钢/黄铜层压板的深冲压是通过数值和实验进行了深入研究方法。结果表明层堆叠顺序可以显科幻着地影响网络最终部件属性。Karajibani等。[6]深入研究了铝钢板的成形性通过数值和实验方法绘制过程消耗臭氧层物质。结论是两层的拉伸比通过改善层可以增加金属板坯料和坯料之间的厚度，模具圆弧半径和摩擦力冲床。进行分析和实验分析由Dehghani和Salimi[7]研究铜的可成形性/深拉伸不锈钢板。据报道厚层（不锈钢）的厚度变化较大比较弱的（铜）均匀。而且，双金属板的成形性，在不同的层布置中，在各种因素方面，与单层趋势相同床单。随着对定制组件的需求不断增加对于双金属材料，有必要开发新的成型处理双金属复合材料的技术代替传统的深拉或冲压。单单点增量成形（SPIF）作为一种新兴技术已经消失通过过去十年的深入研究。在SPIF期间，局部变形通过a叠加到纸张上下面一prede比较小工具网络定义路径，直到网络最终形状实现。这种独特的变形机制带来重大好处音响TS，比如更好的成形性，低成型力，无成型模具和复杂设备与传统的拉伸和冲压相比需要过程，使其非常适合快速原型制作和小批量生产。SPIF最近的详细发展可以在参考文献中找到。[8-10]。虽然SPIF历史悠久主要应用于单层金属板[11-13]，但近年来，研究人员开始关注塑形SPIF加工的层状金属复合板材 AL-Ghamdi等人。[14]研究了退火效应Cu /钢SPIF过程中的粘结力和成形性复合板材。结果发现最合适退火温度使成形性最大化700℃。此外，也没有观察到在分层形成直到达到最大角度。参考文献[15]，还采用退火来降低硬化效应然后是各种表征测试，包括可成形性在冲压和SPIF过程中进行。结果揭示了冲压和SPIF的成形性随着退火温度的升高而增加。进一步-此外，发现可成形性受到分层的限制在冲压中，而在SPIF中没有。用数字Al / Cu双层SPIF的实验研究，Honarpisheh等。[16]证明通过增加 -工具半径和降压尺寸，成形力在增量期间增加并且壁厚减小形成研究的双金属材料。Sakhtemanian等。[17]还研究了低层的排列效应SPIF上的碳钢（St）和纯钛（Ti）双金属片实验和数字处理。他们的结论是Ti-St的排列显示出更高的成形力Ti-St模式下Ti层孪晶密度对St-Ti的影响比St-Ti模式高两倍，导致更多的工作硬化。根据文献综述，已经做了很多努力研究双金属复合材料的可成形性深拉伸过程中的纸张。只有少数尝试研究了双金属复合板的SPIF据作者所知，很少有人关注在变形的综合研究上获得了报酬形成过程中的行为。两个主要的在这项研究中应该回答有关的问题双金属复合板的SPIF：

1. 金属层是如何形成的安排及其属性以及其他参数全面在FLuence形成过程？
2. 是什么两种不同变形行为的原因整体金属板和双金属复合板由SPIF处理？

注意到Cu-Al双金属片被广泛用作导电，导热和导电的装饰材料与接触等应用洗衣机，高低压配电装置（保存材料与仅使用Cu相比），耐热餐具（与传统的不锈钢材料相比，它的导电率要高得多，并且可以更均匀，加热，以节省能源），装饰板等。在这研究了轧制Cu-Al复合板的SPIF通过预测来揭示变形行为建模和实验方法来探索这种材料的加工能力的影响工艺参数，例如片层排列，步骤 -尺寸，拉拔角度和刀具直径，成形性，表面粗糙度，厚度变化以及成形基于实验，对力进行综合分析结果。此外，通过导出的预测结果分析，实证和数值的方法是VERI音响编与实验的，显示良好的一致性彼此。本文的其余部分安排如下。第2节介绍了所用的材料和实验设备这项研究。方法论包括分析，经验和评估可成形性的数值方法，表面粗糙度 -提出了厚度变化和成形力第3节第4节介绍和讨论结果，说明了Cu-Al的SPIF变形行为复合板材。最后总结了结论部分。

图 1 C 拉伸试验：(a) 犬骨形样本和 (b) Cu-Al 复合片材的真实应力-应变曲线。

1. 材料和设备
   1. 物料

在这项研究中，铜（C10100）和铝（Al1060-O）通过冷轧粘合制造复合板材实验采用1 mm的总厚度，由洛阳铜一金属公司提供Material Develops Co.Ltd。原始厚度铝-Al1060-O和铜-C10100片约轧制前8.5毫米和1.5毫米。滚动后，平均值铝和铜层的厚度是分别为0.85毫米和0.15毫米。另外，双金属片，平均铝和铜层厚度为0.9毫米和0.1毫米以及单层铝-Al1060-O和铜-C10100片1.0毫米还提供了厚度用于实验比较目的。将Cu-Al复合板切成小块件以200mm尺寸Acirc;200毫米准备使用。为了评估Cu-Al的机械性能复合板，狗骨形拉伸试验沿滚动方向，对角线方向和横向方向的样本（如图1（a）所示）在通用测试中进行机器（型号：DNS-100，由Sinotest制造设备有限公司）最大负载为100 kN。在拉伸试验期间，应变速率设定为5mm /分钟。对于每个样品，已经进行了三次测试重复以获得平均值。真实的压力-张力获得曲线，如图1（b）所示。各向异性三个方向的拉伸性能不是那么明显，所以在下面的FE建模中，他们会假设是各向同性的。铜，铝的机械性能它们的复合物列于表1中。几篇论文提出了机械的观点复合板的性质是适当的总和其组件层的属性。杨氏模量，泊松比，屈服应力和极限拉伸强度都可以通过以下等式[18]计算：

其中，xCu-Al、xCu 和 xAl 可参考 Young-s 模块、泊松比、屈服应力和极限拉伸强度。cCU 和 cAl 是复合板中金属组分的体积（百分比）分数。对于双金属复合片材，E、P、Y 和 UTS 的计算值分别为 77.4 GPa、0.329、77.3 mPa 和 123.5 mPa，与表 1 中拉伸试验获得的值非常接近。

图 2 - 四轴 MIKRON VCE 800W Pro 机器

表 1 - 铜、铝及其复合材料的力学性能

2.2. 实验设备

所有成形试验均在四轴立式加工中心 (MIKRONfi VCE 800WPro) 上进行，如图2所示，试验中使用的进给速度范围为 1000 mm/ min 至4000 mm/ min。采用不同直径的碳化钨半球形刀具对铜铝复合薄板进行变形。所有试验的成形工具均固定为不旋转。成型前，用空白支架将片材夹在框架上。在成形过程中，通过 Heidenhain iTNC530 控制器对成形工具进行数字控制，该控制器遵循专门设计的工具路径。使用通用锂基润滑脂（品牌：EFFICIENT）和矿物油（品牌：Sinopec SJ10W-40）混合物润滑成形工具和金属片之间的成形接触区域，以减少摩擦并避免工具表面过度磨损。本研究中使用的测力计有三个通道用于测量实验中x、y和z方向的力（最大范围：x-5000 N、y-5000 N、z-10,000 N）。测力计系统的实验装置详见图 3，其他分析设备为用于表面粗糙度测量的便携式轮廓仪（型号：TR210）和用于界面形态观察的光学显微镜（型号：ICX41M，Sunny Optical Technology Co.,Ltd.）。

图3-带测力计的实验装置

3.方法学

在本研究中，设计了三种几何形状（凹槽、可变母线的截锥和固定拉伸角的截锥）进行实验研究。相应的设计形状如图 4 所示。值得注意的是，凹槽形状旨在研究可用于确定摩擦系数的成形性和双向 (X-Z) 力。设计了可变母线的截锥来检验成形性，以简单的几何关系估计最大成形角。由于锥面具有平整的成形面，便于曲面测量和力的计算，因此采用固定拉伸角的截断锥面来研究其表面质量和成形力。

图 4 -设计的几何形状：(a) 凹槽，(b) 具有可变母线的截锥，和 (C) 截锥

3.1. 成形性

采用图 4 (a) 和 (b) 所示的两种几何形状（凹槽和可变母线的截锥）评价 Cu-Al 复合板材的工艺成形性。在凹槽试验中，成型工具沿着 zig-zag 工具路径使材料变形，直至观察到完整裂纹。在图 4 (b) 中，最大成形角 alpha;max 可由

决定。其中 R 为母线半径；h 为设计高度；hp 为裂纹高度。

图5-扇形孔高度 hs (mm) 与工艺参数（刀具半径 r (mm)、压下量 Dz (mm)、拉拔角 a（度））之间的几何关系。

3.2. 表面粗糙度

在SPIF工艺[13]中，表面粗糙度被视为一个弱点。表面状况非常复杂，主要取决于刀具路径（步进尺寸和刀具直径）。在SPIF中，工具-片材接触面上的表面粗糙度可表征为由成形工具路径产生的大范围波纹和由大表面应变引起的小范围粗糙度的结果（参见参考文献中的图 1 (a)）[13]。此外，随着步进尺寸的减小，内部刀片接触面将从波纹外观变为严格的粗糙度外观（参见参考文献中的图 2）。因此，SPIF 中典型的工具片接触面表现出粗糙度和波纹度（参见参考文献中的图3）[13]。在本研究中，我们研究扇形高度，因为它是由两个相邻刀具路径引起的波纹度峰值，这对SPIF部件的表面粗糙度有直接和显著的影响，可以通过Rz近似测量和表征。因此，考虑到工艺参数的影响，有效预测由扇贝高度引起的表面粗糙度Rz，从而评价部件的表面质量具有重要意义。最近，一个简化的分析模型被建议计算扇贝高度[19]。扇贝高度与工艺参数的几何关系，如刀具半径、步降大小、拉深角度等如图5所示，为了建立模型，应考虑两种情况(Ⅰ)和(Ⅱ)。当两条相邻刀具路径在位置A相交且满足OA=OA=OO=r时，步进尺寸△z可计算为

△z =rsin2alpha; （3）

1. 当 △z le;rsin2alpha;（beta;=beta;） 如图 5 (b) 所示时，推导出

鉴于 hs 远小于 r，它有

1. 当图 5 (c) 所示的 △z ＞rsin2alpha;（beta;ne;beta;）时，它导出

hs 和 Dz 之间的关系可以从 Eqs 导出。(7)-(9)，

值得注意的是，SPIF中使用的工具半径通常在5到15 mm之间。选择的压降尺寸小于2 mm。在这种情况下，△z/rle;0.4，alpha;可以用公式估算。(3) .推导出了alpha;ge;78°，表明式(II)中的式(10)适用于拉深角度较大、步进尺寸较小、刀具半径较小的场合。

3.3 厚度变化

厚度变化对 SPIF 成形零件的性能影响很大。正弦定律是预测单程 SPIF 过程中厚度变化的常用公式，可表示为

其中，t0 和 t 代表原始片材厚度和变形片材厚度；a 代表拉伸角。

3.4. 成形力

成形力是了解 SPIF 11 中广泛研究的成形机理的重要工艺量。在本研究中，开发了有限元和经验模型来有效预测成形力。特别值得关注的是，基于统计方法，Aerens 等人[20]提出了一个预测轴向力的通用模型，如 Eq.(12) .他们声称，确立的公式仅适用于基于抗拉强度的任何材料。

其中，Rm 是抗拉强度(N/mmsup2;)，t 是片材厚度(mm)，d是工具直径 (mm)，alpha;是拉伸角（度），Dh是扇形孔高度，Dz是阶梯尺寸(mm)。为了提高双金属复合材料的预测精度，对式(11)中的模型进行了修正。鉴于

全文共18514字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[2266]