鍍鋅板圓盤剪分切過程材料形變機理研究*

曾 軍，路家斌，閻秋生

（廣東工業大學機電工程學院，廣東廣州 510006）

0 前言

隨著IT、電工電訊、辦公機器、五金制品等行業的迅速發展，作為制造業重要組成部分的金屬制品加工產業正在蓬勃發展，綠色低碳經濟的發展需求對金屬板材分切加工技術提出了更高要求[1]。深入理解圓盤剪分切加工過程材料的塑性流動規律及剪切斷裂機理，對優化金屬板材分切加工工藝參數、提高分切斷面形狀和尺寸精度具有重大意義。

金屬板材分切加工過程變形復雜，且集中于剪切區域的局部材料之中，一般難以實時追蹤觀察材料的變形狀態。對剪切加工過程中材料流動和剪切機理的研究主要有實驗研究和有限元數值模擬研究等方法，實驗研究通常分階段對剪切加工過程中材料的組織形貌進行跟蹤研究，隨著計算機技術的迅速發展，有限元模擬方法已成為研究材料變形和斷裂機理的有效方法。孫坤等[2]實驗研究了剪切過程中TC6鈦合金不同組織的塑性流動和剪切帶的形成機理，結果表明等軸組織絕熱剪切帶的形成是位錯增殖、運動及塞積的結果，而網籃組織絕熱剪切帶的形成則是動態再結晶的結果。何昌煒等[3]對DP800的沖壓成形過程和裂紋擴展機理進行了實驗研究，發現DP800的斷口均分布著大量韌窩的韌性斷裂，其裂紋擴展機理是產生于鐵素體或馬氏體/鐵素體相界面的裂紋沿兩相界面或貫穿鐵素體而繼續擴展。Sartkulvanich等[4]應用DEFORM-2D仿真研究了DP590薄鋼板的沖裁和擴孔過程，發現沖裁過程中材料的塑性流動和應力應變狀態對沖裁斷面有重要影響。Thip?prakmas等[5]應對45號鋼精密沖裁斷面的形成機理進行實驗研究和仿真分析，結果表明仿真能夠準確地預測撕裂斷面和二次剪切面的形成。

金屬板材圓盤剪精密分切工藝同沖裁工藝有相似之處，均屬于塑性大應變變形過程，研究方法理應可以借鑒。本文實驗研究了不同徑向重疊量時剪切區域金相組織和分切斷面特征區域的組織微觀形貌，采用DEFORM-2D有限元軟件對分切加工過程中等效應力和主應變分布進行了仿真分析，深入研究了分切加工過程中材料的塑性流動規律及剪切斷裂機理。

1 分切過程的有限元仿真

1.1 分切加工原理

圖1 圓盤剪分切加工原理圖

對于厚度為0.1～3 mm的金屬板材卷料縱向分切一般采用上下成對圓盤刀滾剪加工[1]，其加工原理如圖1所示。c和δ分別是上下圓盤刀之間的軸向間隙和徑向重疊量。在分切過程中，上下圓盤刀以相反的方向旋轉，將金屬板材以圓盤刀周向速度逐漸卷入，刃口剪切區域的金屬板材先后發生彈性變形和塑性剪切滑移，最終產生裂紋并貫穿后導致材料分離[6]。

1.2 有限元建模

鍍鋅板圓盤剪分切加工的DEFORM-2D建模如圖2所示，實驗所用的1.6 mm DX51D+Z型鍍鋅薄鋼板由攀鋼集團生產，材料成分見表1。板材采用各向同性Hollomon硬化模型，材料性能如表2所示，性能參數通過WAW-300型電子萬能試驗機拉伸試驗結果擬合而得[7]。

圖2 圓盤剪分切加工建模

表1 DX51D+Z型鍍鋅板化學成分

表2 DX51D+Z型鍍鋅板材料性能

橡膠環墊由橡膠圈和鋼圈組成，板材分切過程中，橡膠圈通過其彈性變形對板材提供壓板力，使剪切過程穩定，并保證金屬板材不發生過度翹曲變形[1]。橡膠圈材料性能參數為：邵氏硬度90 HA，彈性模量22.6 MPa，泊松比0.495。

為平衡計算時間與精度，設定圓盤刀、鋼圈為剛體，鍍鋅板為塑性體，橡膠圈為彈性體，并對鍍鋅板和橡膠圈的局部網格細化分。針對鍍鋅板剪切區域網格進行細化，網格密度分別設定為0.001、0.01、1，針對橡膠圈與板材表面接觸的區域網格進行細化，網格密度分別設定為0.01、1，細化后的網格分布如圖2所示。各相鄰部件之間的接觸類型設定為剪摩擦，摩擦系數見表3。

表3 各相鄰部件間摩擦系數

為精確模擬裂紋的形成、擴展及合并，需要確定鍍鋅板的斷裂準則，本文采用Ayada韌性斷裂準則來預測鍍鋅板裂紋的產生。

式（1）中：σˉ——等效應力；

σm——靜水應力；

εf——材料發生斷裂時的等效塑性應變；

C——材料的臨界破壞值，C=0.5。

2 圓盤剪分切加工實驗研究

2.1 分切加工實驗

圖3 金屬板材圓盤剪分切加工實驗裝置

圓盤剪分切加工裝置如圖3所示，實驗加工條件見表4。為研究分切加工過程中剪切區域內材料的流動規律，需保證分切加工后板材不會被剪斷，故實驗中設置了徑向重疊量為負值。分切后的板材用線切割機床沿平行于剪切方向切取試樣，經研磨、機械拋光、腐蝕后在Keyence VHX600型超景深顯微鏡下觀察試樣斷面形貌及金相，并在S-3400型掃描電鏡下觀察分切面顯微形貌，以研究剪切斷裂機理。

表4 圓盤剪分切加工實驗條件

2.2 實驗與仿真結果對比

文獻[1]表明圓盤剪分切斷面形貌特征主要有塌角、剪切帶、斷裂帶、毛刺和撕裂角，軸向間隙是影響斷面形貌的最主要因素。由于在分切和制樣過程毛刺容易脫落，且尺寸很小，本文暫不考慮毛刺特征。分切實驗和仿真的斷面形貌如圖4（a）所示，從圖中可看出，在軸向間隙為0.02 mm時，剪切帶高度占了板厚的75%，塌角和斷裂帶所占比例均較小，撕裂角難以精確測量，本文暫不定量研究撕裂角特征。斷面形貌特征測量的實驗值和仿真值對比見圖4（b），由圖可見仿真結果與實驗有較好的一致性，因此可以采用有限元仿真較準確地模擬鍍鋅板圓盤剪分切加工。

圖4 圓盤剪分切斷面形貌的實驗與仿真對比

3 分切過程材料流動與剪切機理分析

3.1 分切過程剪切區域材料流動規律

板材在圓盤剪分切加工過程中，金屬的受力和變形情況非常復雜，剪切區域金屬是在拉、壓的綜合作用下成形[1]。由第四強度理論(畸變能密度理論)可知，當材料的等效應力超過某一極限值(ss)時，材料將發生屈服，產生塑性變形。金屬材料在再結晶溫度以下塑性變形時，晶粒發生錯動，出現位錯的纏結，使晶粒拉長、破碎和纖維化[6]。而鍍鋅板分切過程中材料的塑性流動直觀地體現在金相組織的變化上，因此可結合鍍鋅板在分切過程中金相組織、等效應力和主應變的分布特點來研究板材剪切區域材料塑性流動的規律。

分切前鍍鋅板金相組織如圖5所示，不同徑向重疊量下分切加工后刃角附近板材金相組織、主應變和等效應力分布見圖6。從圖5和圖6中各圖可見，最大等效應力等高線、最大主應變均集中在刃角附近，刃角附近板材塑性流動最強，晶粒纖維化最明顯。隨著徑向重疊量的增加，即圓盤刀切入加深，刃角附近等效應力逐漸增加，晶粒纖維化程度增加，同一數值的等效應力等高線水平范圍稍有增長，豎直范圍擴展明顯，而晶粒細化范圍的擴展出現同樣特征。由此可知刃角附近板材的晶粒纖維化程度和范圍的變化可由其等效應力的分布來判斷。

圖6 不同徑向重疊量時刃角附近板材金相組織(左)、主應變分布(中)和等效應力分布(右)

圖5 分切加工前鍍鋅板金相組織

圖7 分切斷面掃描電鏡觀測區域

進一步分析圖6中刃角附近板材主應變分布和金相組織可發現，隨著徑向重疊量的增加，刃角附近板材主應變的大小逐漸增加，主應變方向愈趨豎直，而對應區域晶粒細化程度增加，拉長方向同樣趨向豎直。這表明刃角附近板材的晶粒纖維化程度和方向的變化可由主應變的大小和方向來判斷。

3.2 分切斷面剪切機理

研究表明，當材料的應變達到一定值時，材料內部便會產生微觀空穴，隨著應變的繼續增加，空穴將會成長、合并，最終產生微裂紋。因此研究分切斷面中剪切帶和斷裂帶代表性區域（圖7中a、b、c矩形區域）的微觀形貌（圖8，圖中虛線表示剪切帶與斷裂帶的分界）可以揭示分切斷面在剪切過程中的形成機理。

從圖8可以看出，剪切帶中空穴的形貌為圓形、條狀孔洞，斷裂帶空穴則為深淺不一的韌窩。由圖8a可見初生剪切帶斷面密布有細小空穴，近似圓形。隨刀具切入深度增加，空穴尺寸增大，而形狀越發不規則，出現條狀、鋸齒狀邊緣，空穴密度增加，見圖8b所示。這是因為，當刀具切入板材時刃角附近板材發生塑性流動，晶粒產生位錯的滑移，開始形成剪切帶，同時晶粒在剪切應力的作用下沿應變方向拉長變形，當應變達到一定值時產生微觀空穴。分切斷面的剪切帶不同區域的空穴形貌從側面反映了剪切過程中空穴在板材內部的萌生、長大和合并的過程。空穴足夠大時成為微裂紋，裂紋擴展產生韌性斷裂，形成斷裂帶。斷裂帶斷口密布深淺不一的韌窩，韌窩尺寸相比空穴尺寸明顯增大，均表現為沿剪切方向伸展（見圖8b和c），而越靠近毛刺側，韌窩的形貌越不清晰（圖8c），這表明裂紋的擴展路徑沿剪切方向稍有偏移，從而導致斷面成形后剪切帶和斷裂帶所在平面呈一微小撕裂角（見圖2）。

4 結論

（1）鍍鋅板圓盤剪分切斷面形貌特征主要有塌角、剪切帶、斷裂帶、毛刺和撕裂角。仿真同實驗結果非常吻合，說明有限元仿真可以準確地模擬鍍鋅板圓盤剪分切加工過程。

圖8 不同區域微觀組織形貌

（2）結合實驗與仿真分析了不同重疊量時刃角附近板材金相組織、主應變和等效應力分布。研究發現刃角附近板材的塑性流動最為劇烈，隨著圓盤刀的不斷切入，等效應力、主應變的強度和范圍逐漸增加，晶粒細化程度和范圍也逐漸增加，而主應變方向愈趨豎直，晶粒拉長方向亦愈趨豎直。因此，可根據板材分切過程中等效應力和主應變的分布來判斷晶粒的纖維化程度、范圍和方向。

（3）觀察研究了分切斷面中剪切帶和斷裂帶的組織微觀形貌，發現板材分切斷面的形成過程是大量微觀空穴萌生、成長、合并和裂紋傳播的結果。裂紋沿與剪切方向稍有偏移的方向擴展，導致了撕裂角的成形。

［1］路家斌，潘嘉強，閻秋生.不銹鋼薄板圓盤剪分切過程有限元仿真研究［J］.機械工程學報，2013，49（9）：190-198.

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［4］Sartkulvanich P，Kroenauer B，Golle R，et al.Finite el?ement analysis of the effect of blanked edge quality upon stretch flanging of AHSS［J］.CIRP Annals-Manufactur?ing Technology，2010，59（1）：279-282.

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［7］李堯.金屬塑性成形原理［M］.北京：機械工業出版社，2010.