微電機外殼用鍍鋅鋼板沖壓成型性能試驗研究

黃珍媛，蘇達權(quán)*，魏婉珠，謝佳娜，陳敏生

(1. 華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510641；2. 揭陽市匯寶昌電器有限公司，廣東 揭陽 522000)

0 引 言

微電機外殼為異形對稱件，零件尺寸小，拉深高度大，沖壓特征結(jié)構(gòu)復(fù)雜且材料薄，在拉深過程中極易出現(xiàn)破裂起皺等缺陷，因此對成型材料提出了較高的要求。鍍鋅鋼板除具有鋼的材料性能外，還具有較好的耐蝕性，因此被廣泛用于微電機外殼零件的制造。

目前關(guān)于鍍鋅鋼板的研究主要集中在其焊接性能上，關(guān)于其材料性能僅有少數(shù)學者做了研究，如李飛鵬等[1]通過對比實驗，對日本新日鐵、川崎和中國寶鋼生產(chǎn)的鍍鋅鋼板進行了成型性能、耐腐蝕性等研究，為汽車零件合理選用鍍鋅鋼板提供了依據(jù)；龔紅英等[2]通過正交分析法，對熱鍍鋅鋼板拉深成型性能的主要工藝參數(shù)進行了研究和優(yōu)化，從工藝方面提高了材料的成型性能，但兩者都主要是應(yīng)用在汽車零部件上，而專門針對微電機外殼用鍍鋅鋼板材料性能研究的文獻并不多。

本文將對SECD和DX53D兩種常見用于微電機外殼的鍍鋅鋼板進行單向拉伸試驗，深入研究和了解鍍鋅鋼板材料的拉伸成型性能，提高微電機外殼多道次拉伸成型質(zhì)量。

1 試驗方案

試驗板料為0.6 mm厚的SECD鍍鋅鋼板和2.3 mm厚的DX53D鍍鋅鋼板，按照標準繪制的狗骨拉伸試樣(見圖1)，為了研究材料的各向異性，分別沿軸線與軋制方向成0°， 45°和90°的方向，利用線切割各獲取3個試樣。在試驗前先對試樣一側(cè)表面均勻噴涂黑白漆，形成在拉伸過程中用于識別位置變化的散斑。單向拉伸試驗裝置圖如圖2所示。

圖1 拉伸試樣(a)尺寸與(b)剖面圖

該單向拉伸試驗依照GB/T 228.1—2010試驗標準[3]進行，采用的拉伸機為島津AG-X萬能材料試驗機。試驗時的拉伸速度為2 mm·min-1，電腦采集拉伸機傳感器的應(yīng)力數(shù)據(jù)和DIC單目相機傳輸?shù)膽?yīng)變數(shù)據(jù)，應(yīng)力數(shù)據(jù)采集的時間間隔為0.01 s，應(yīng)變數(shù)據(jù)采集的時間間隔為1 s。

圖2 單向拉伸試驗裝置

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 力學性能分析

通過單向拉伸試驗后，SECD斷裂的試樣如圖3所示，由圖3中的斷口放大圖可知，斷口方向與最大正應(yīng)力方向夾角為45°，呈現(xiàn)切斷型斷裂，是典型的韌性斷裂。

圖3 SECD鍍鋅鋼板斷裂試樣

處理實驗數(shù)據(jù)獲得如表1所示的SECD鍍鋅鋼板力學性能參數(shù)。由表1可知：SECD鍍鋅鋼板的屈服強度為170 MPa，抗拉強度為295 MPa，延伸率為52%，屈強比為0.58。屈強比小，延伸率較大，說明SECD鍍鋅鋼板塑性較好，易發(fā)生塑性變形，不易發(fā)生斷裂，適用于拉伸成型。

表1 SECD鍍鋅鋼板力學性能參數(shù)

選取各組試樣中與平均值最接近的試驗數(shù)據(jù)繪制如圖4所示的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線。由圖4可知，SECD鍍鋅鋼板在達到屈服強度后曲線變化趨勢平緩，應(yīng)力隨應(yīng)變增加的變化緩慢，沒有明顯的屈服現(xiàn)象，是較為理想的彈塑性材料。

圖4 SECD工程應(yīng)力應(yīng)變曲線

DX53D斷裂的試樣如圖5所示，由圖5中的斷裂處放大圖可知：斷口與SECD鍍鋅鋼板不同，斷口處有明顯的塑性形變，呈現(xiàn)正斷型斷裂，屬于韌性斷裂。

圖5 DX53D鍍鋅鋼板斷裂試樣

DX53D鍍鋅鋼板的屈服強度為122 MPa，抗拉強度為231 MPa，延伸率為58%，屈強比為0.53，屈強比較低，延伸率較大，說明DX53D鍍鋅鋼板塑性較好，易發(fā)生塑性變形，不易發(fā)生斷裂，適用于制造變形性能要求較高的深沖產(chǎn)品。

選取各組試樣中與平均值最接近的試驗數(shù)據(jù)繪制如圖6所示的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線。由圖6可知，DX53D鍍鋅鋼板在達到屈服強度后曲線變化趨勢逐漸平緩，應(yīng)力隨應(yīng)變增加的變化越來越緩慢，沒有明顯的屈服現(xiàn)象，是較為理想的彈塑性材料。

圖6 DX53D工程應(yīng)力應(yīng)變曲線

SECD鍍鋅鋼板的屈強比為0.58， DX53D鍍鋅鋼板的屈強比為0.53，說明DX53D的流動性更強，更易變形。

2.2 硬化特性分析

在單向拉伸試驗中，隨著應(yīng)變的增大，材料會經(jīng)過抵抗變形能力增強的強化階段，這個現(xiàn)象稱為應(yīng)變硬化。在實際加工中，隨著變形加劇，材料也會出現(xiàn)強度和硬度提高，塑性下降的現(xiàn)象，即加工硬化。所以硬化指數(shù)n是評判材料成型性能的重要指標之一，對沖壓成型質(zhì)量有著重要的影響。n值越大，材料的變形均勻性越高，極限變形程度越大，越有利于成型。

一般金屬在常溫下的應(yīng)力應(yīng)變曲線都符合Hollomon關(guān)系式：

σ=Kεn，

(1)

式中：σ為應(yīng)力，MPa；

ε為應(yīng)變；

K為強度系數(shù)，MPa；

n為硬化指數(shù)。

硬化指數(shù)n和強化系數(shù)K可以通過擬合得到，SECD鍍鋅鋼板的硬化指數(shù)和強度系數(shù)如表2所示。

表2 SECD鍍鋅鋼板的硬化指數(shù)和強度系數(shù)

考慮到材料的各向異性，以軋制方向為0°時的數(shù)據(jù)為準，可得SECD鍍鋅鋼板的硬化指數(shù)n為0.207，強度系數(shù)K為490 MPa。常用的沖壓材料還包括不銹鋼、銅合金和鋁合金等，一般不銹鋼的硬化指數(shù)n>0.4，銅合金的硬化指數(shù)n=0.21～0.53，包含鍍鋅鋼板在內(nèi)的普通鋼板的硬化指數(shù)n=0.20～0.23，相較而言，鍍鋅鋼板的硬化能力適中且更具經(jīng)濟性。SECD鍍鋅鋼板的硬化指數(shù)在與不同軋制方向上存在一定的差異，說明SECD鍍鋅鋼板具有各向異性。

DX53D鍍鋅鋼板的硬化指數(shù)和強度系數(shù)如表3所示。

表3 DX53D鍍鋅鋼板的硬化指數(shù)和強度系數(shù)

DX53D鍍鋅鋼板的硬化指數(shù)n為0.293，強度系數(shù)K為418 MPa。SECD鍍鋅鋼板的硬化指數(shù)n為0.207， DX53D更易發(fā)生硬化，更有利于成型。DX53D鍍鋅鋼板的硬化指數(shù)在與板料軋制方向成0°和90°兩個不同方向上大小相近，與45°方向有明顯差異，說明DX53D鍍鋅鋼板具有各向異性。

2.3 各向異性分析

厚向異性系數(shù)r是用于表征板料沖壓性能的重要參數(shù)，也叫塑性應(yīng)變比，軸線與軋制方向呈不同角度的試驗，其厚向異性系數(shù)也不同，其計算公式如(2)所示。

(2)

式中：εw為寬度方向應(yīng)變；

εt為厚度方向應(yīng)變；

b為試樣拉伸后的寬度，mm；

b0為試樣初始寬度，mm；

t為試樣拉伸后的厚度，mm；

t0為試樣初始厚度，mm。

(3)

式中：r0為0°方向厚向異性系數(shù)；

r45為45°方向厚向異性系數(shù)；

r90為90°方向厚向異性系數(shù)。

用于表征材料在平面內(nèi)的變形平均程度的指標被稱為板平面方向各向異性Δr， Δr越大，說明板平面上方向性差異越大，越易出現(xiàn)凸耳現(xiàn)象，拉伸成型質(zhì)量越差，其計算公式如(4)所示。

(4)

SECD鍍鋅鋼板的各向異性系數(shù)如表4所示。

表4 SECD鍍鋅鋼板各向異性系數(shù)

SECD鍍鋅鋼板在各方向上的厚向異性系數(shù)差異表示其具有一定的各向異性。SECD鍍鋅鋼板的板厚方向各向異性系數(shù)為1.84，不銹鋼的板厚方向各向異性系數(shù)為1.16～1.24，銅合金的板厚方向各向異性系數(shù)為1.05，鋁合金的板厚方向各向異性系數(shù)為0.60～0.80之間[4]，相較而言，SECD鍍鋅鋼板的板厚方向各向異性系數(shù)更大，表明其在厚度方向上更不易發(fā)生變形，不易發(fā)生減薄和破裂。SECD鍍鋅鋼板的板平面方向各向異性系數(shù)為0.23，不銹鋼的板平面方向各向異性系數(shù)為0.74～1.34，銅合金的板平面方向各向異性系數(shù)為-0.14[5]，相較而言，SECD鍍鋅鋼板的板平面方向各向異性系數(shù)較小，表明其在沖壓過程中各個方向上的變形均勻，不易出現(xiàn)凸耳現(xiàn)象。

DX53D鍍鋅鋼板的各向異性系數(shù)如表5所示。

表5 DX53D鍍鋅鋼板各向異性系數(shù)

DX53D鍍鋅鋼板的板厚方向各向異性系數(shù)為1.72，而SECD鍍鋅鋼板為1.84，說明在拉伸過程中SECD鍍鋅鋼板在厚度方向上更不易發(fā)生變形，而DX53D鍍鋅鋼板更易出現(xiàn)減薄或增厚的現(xiàn)象；DX53D鍍鋅鋼板的板平面方向各向異性系數(shù)為0.07，而SECD鍍鋅鋼板為0.23，說明在拉伸過程中DX53D鍍鋅鋼板的平面方向變形更加均勻一致，不易發(fā)生凸耳現(xiàn)象。在實際生產(chǎn)過程中，SECD鍍鋅鋼板被應(yīng)用于級進拉伸，DX53D鍍鋅鋼板被應(yīng)用于變薄拉伸，符合以上對兩種鍍鋅鋼板的成型性能分析。

3 結(jié) 論

本文針對0.6 mm的SECD鍍鋅鋼板和2.3 mm的DX53D鍍鋅鋼板，開展單向拉伸試驗，研究了兩種鍍鋅鋼板的基礎(chǔ)力學性能、硬化特性和各向異性等，得到以下結(jié)論。

(1) SECD和DX53D兩種鍍鋅鋼板的屈強比均小于1， SECD的屈強比為0.58， DX53D的屈強比為0.53，且延伸率均大于50%，說明兩種鍍鋅鋼板都具有良好的塑性，在拉伸過程中易發(fā)生變形，不易發(fā)生斷裂，適用于微電機外殼的多道次沖壓成型。

(2) SECD和DX53D兩種鍍鋅鋼板的硬化指數(shù)分別為0.207和0.293，板厚方向各向異性系數(shù)為分別為1.84和1.72，板平面方向各向異性系數(shù)分別為0.23和0.07，兩種鍍鋅鋼板與其他常用沖壓材料相比，硬化能力適中，厚度方向抗變形能力強，平面方向變形均勻，更適用于深拉伸。

(3) 在實際生產(chǎn)中，SECD鍍鋅鋼板常用于級進拉深，DX53D鍍鋅鋼板常用于變薄拉伸，與試驗和分析結(jié)果一致。