外文翻譯對(duì)無(wú)潤(rùn)滑但用DLC涂層的冷沖模的研究

對(duì)無(wú) 潤(rùn)滑但 用 DLC 涂層的冷沖模的研究 a Department of Mechanical Engineering, Nippon Institute of Technology, 4-1 Gakuendai, Miyashiro-machi, Saitama 345, Japan b Nanotec Corporation, 8-19-8 Nishi, Shiraoka-machi, Saitama 349-02, Japan 摘要： 在這片文章中，我們提出用一種表面涂有類(lèi)金剛石薄膜的模具來(lái)沖無(wú)潤(rùn)滑 油的鋁板材，令人驚奇的是， 在沖出 6200 個(gè)方形杯之后 表明，類(lèi)金剛石涂層的使用可以 有效 替代潤(rùn)滑油的使用， 以此 來(lái)阻止 附著 在模具材料上的鋁 ，這 6200 個(gè)方形杯都是以 20x20x12 的規(guī)格生產(chǎn)的。 用離子鍍?cè)O(shè)備把這層類(lèi)金剛石涂層涂在一 套 Wc-Co 合金的拉深模上，這種設(shè)備使用的是一種三電極型直流電弧放電與燈絲離子源，陽(yáng)極和反射器被用作苯的前體。工作材料是1mm 厚的 AS0000 鋁板。相對(duì)于有類(lèi)金剛石涂層的模具，一套未涂有 Wc-Co 合金的拉深模在無(wú)潤(rùn)滑的情況下工作，僅僅在 5 分鐘拉深之后，由于模具上材料很輕的附著力，就導(dǎo)致鋁板被折斷，這就表明了類(lèi)金剛石涂層戲劇性的效果。 關(guān)鍵詞： 類(lèi)金剛石膜 ;拉深模 ;鋁 板 ;DLC 1.引言 鋁材由于其輕便的重量，已被人們廣泛地應(yīng)用到汽零件的制作上，然而， 在這些零件上使用的鋁板又有一些問(wèn)題，其中之一就是與鋁板接觸的工具，比如說(shuō)是拉 深 模具，導(dǎo)致潤(rùn)滑油的粘度增加，由于這些潤(rùn)滑油需要強(qiáng)有力的脫脂劑，例如碳氟化合物或 1-1-1 三氯乙烷，這些都是不利的因素，一項(xiàng)研究已經(jīng)開(kāi)始去研究尋找一種可以替代潤(rùn)滑油，但粘度低得多，可以消除有害的脫脂劑的一種物質(zhì)。 在這種大背景下，一項(xiàng)有關(guān)鋁材中沖壓的摩擦學(xué)的研究正在大力的 進(jìn)行，然而，對(duì)鋁材沖壓卻有很少關(guān)于摩擦學(xué)的研究。據(jù)我們所知，在沖壓過(guò)程中不管是有微量的潤(rùn)滑劑還是無(wú)潤(rùn)滑劑，只有氮化鈦對(duì) LDP 模具的影響或減少拉拔力進(jìn)行了研究。 因此，在本研究旨在調(diào)查各種硬質(zhì)合金涂層的影響，努力尋找喲在硬質(zhì)合金涂層在沒(méi)有潤(rùn)滑油或更壞的情況下去拉深鋁板 。這項(xiàng)研究的動(dòng)機(jī)可以追溯到兩個(gè)作家的發(fā)現(xiàn) ，一個(gè)適用于有類(lèi)金剛石涂層的切割刀，這種切割刀應(yīng)與切割鋁板，它可能有效地防止鋁粘附在刀的兩側(cè)，基于這一點(diǎn)，當(dāng)拉深鋁板時(shí)，肯是類(lèi)金剛石涂層的影響。因此，我們做深沖鋁板測(cè)試，分別用涂有類(lèi)金剛石涂層的模具和其他硬 質(zhì)合金的模具。 2.有不同涂層的拉深模實(shí)驗(yàn) 2.1 實(shí)驗(yàn) （ 1）拉伸試驗(yàn) 如圖 1 所示，我們用 1mm 厚的鋁板在級(jí)進(jìn)模上做拉深實(shí)驗(yàn)。雖然從拉深實(shí)驗(yàn)工序圖中顯示不出，首先，在一個(gè)有空白的鋁板上進(jìn)行針孔實(shí)驗(yàn)，然后空白部分被切去，提供一個(gè)拉深空白部分。接下來(lái)，通過(guò)對(duì)一個(gè) 18X18 的方料和一個(gè) 20x20 的拉深模進(jìn)行拉深（因此每邊含有 1mm 的間隙），以此來(lái)獲得深為 12mm 的方形杯。 （ 2）模具涂層 表 1 顯示硬質(zhì)涂層的三個(gè)特性，這些性能是測(cè)試當(dāng)用于拉深鋁材時(shí)其耐久力的，除了類(lèi)金剛石涂層，氮化鈦涂層和植被植被氮化鈦涂層既由傳統(tǒng) 的空心陽(yáng)極放電式離子鍍方法分別進(jìn)行比較選擇，因?yàn)榍罢呤菑V泛用于其抗磨損性能 ,而后者具備很好的抗腐蝕和磨損性能。涂有這些涂層的工具基體最初選擇是 SKD (相關(guān)程度： 752)，從成本的角度看，然后 WC-Co 合金被納入具有良好性能的觀(guān)點(diǎn)。 目前雖然有許多已知的方法去合成類(lèi)金剛石涂層，但他們的性能有很大差別，這些差異很大程度上取決于沉積的方法，所以導(dǎo)致有必要去指定一種方法來(lái)制備類(lèi)金剛石涂層及其拉曼光譜一些基本 特征數(shù)據(jù)。因此，用一些有問(wèn)題的物理氣相沉積裝置 ，包括 一個(gè)熱燈絲，陽(yáng)極，以及一個(gè)反射鏡來(lái)包圍它們。該 DLC 膜是由一種易制苯在高真空電弧放電裝置中分解而來(lái)，然后加速離子，并且自由基在 2000V 以上的偏低壓的作用下與沉積基板相撞，期間的溫度保持在 150200之間。圖二顯示了用在拉深模上的 DLC 涂層的拉曼光譜，頻譜屬于一種典型的物理氣相沉淀 ，該層碳涂層具有 1550cm-1的高峰 ，表二顯示了 1mm 厚工件材料的機(jī)械性能，也就是說(shuō)， A5000 鋁合金材料可以被用于制作汽車(chē)覆蓋件。 2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)用 SKD鋼制作的拉深模具的影響 一套無(wú)任何涂層的沖壓模（表 1 種的試 件 1） 受到用級(jí)進(jìn)模拉深實(shí)驗(yàn)設(shè)置如圖 1，目的是為了檢測(cè)是否無(wú)涂層模具可以承受沒(méi)有任何潤(rùn)滑的深沖操作。結(jié)果顯示，即使在工作材料在第一次拉深之后。也就是說(shuō)，發(fā)現(xiàn)鋁附著在模具臺(tái)階以其圓角上。經(jīng)過(guò) 5 次拉深后，工件材料就是過(guò)早地被拉斷。 接下來(lái) ，用試件 2（ TiCN 涂層 ） 和試件 3（ CrN）做相似的實(shí)驗(yàn)，并且得到 相似的結(jié)果，同時(shí)發(fā)現(xiàn)模具在第一次操作后上模附著著鋁，這就最終導(dǎo)致工件材料在 5 次拉深后發(fā)生過(guò)早地?cái)嗔?，總之，無(wú) TiN 或者 CrN 以及其他涂層的模具在沒(méi)有潤(rùn)滑條件下的拉深可以承受?chē)?yán)重的 力的作用，然而，實(shí)驗(yàn)表明： 沒(méi)有 DLC (工件 4)的拉深模在實(shí)驗(yàn)初始階段可以阻止鋁附著在模具上，以及在以后階段，因此可以阻止工件材料的過(guò)早斷裂，然而用涂有DLC 涂層的模具繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以研究在沒(méi)有潤(rùn)滑條件下我們可以成功地拉深多少次，結(jié)果顯示，在 進(jìn)行 1561 次拉深后工件材料斷裂。圖 3 顯示，一個(gè)用涂有 DLC 涂層的模具生產(chǎn)鋁杯產(chǎn)品的例子。 圖 4 顯示，（ a）模具臨近肩半徑部分的表明粗糙度的變化測(cè)試出當(dāng)拉深操作次數(shù)的增加和（ b）鋁拉深件 表面粗糙度操作的次數(shù)。很顯然，工件 1-3 的結(jié)果無(wú)論是模具還是工件材料 ，它們的表面粗糙 度都增加了，但是工件 4，也就是說(shuō)，沒(méi)有沒(méi)有 DLC 涂層的模具，杯形件的表面粗糙度在進(jìn)行 800 多次的操作后表面粗糙度還可以維持在 11 m 以下的水平，隨著逐漸增加觀(guān)察操作次數(shù)的增加超過(guò)這個(gè)值，這時(shí)由于在 800 次操作之后局部的 DLC 脫落導(dǎo)致鋁粘附在模具上。 3改善有 DLC 涂層的模具在有潤(rùn)滑條件下拉深的壽命 3.1.實(shí)驗(yàn)部分 以上我們證明，在沒(méi)有潤(rùn)滑的條件下拉深， DLC 涂層可以有效地防止鋁粘附在模具上，然而，我們想要延長(zhǎng) DLC 涂層模具的壽命，在實(shí)際生產(chǎn)中要改善其適應(yīng)性。 為了提高許可操作的限制數(shù)量（在模具的表面粗糙度無(wú)明顯增加前），重點(diǎn)似乎是阻止涂層的脫落；換句話(huà)說(shuō)， 基座或者模具和 DLC 涂層之間的附著物應(yīng)該被進(jìn)一步被增加。這里有兩種方案：（ 1）采取一種更好的沉積法，例如用等離子來(lái)混合，在同一基座的材料上的附著力方面。（ 2）采取一種不同的或者更好的基座材料，也就是說(shuō)，一種硬質(zhì)材料，為了平衡基座和涂層的硬度，以達(dá)到 基體內(nèi)部 的臨界應(yīng)力超過(guò)這個(gè)破損或者脫落，涂層出現(xiàn)了增長(zhǎng)。 在這里，我們通過(guò)方案 2 來(lái)試圖增加模具壽命，即，我們采用的工具 5 與工具 6 是由硬質(zhì)合金材料制成，也就是說(shuō)， WC-Co 合金，幾乎在工具 6 上用了同工件 4 上相同厚度的 DLC涂層，用這些拉深模像以前那樣進(jìn)行性能測(cè)試。 3.2 試驗(yàn)結(jié)果與思考 首先，碳化鎢合金工具 5 沒(méi)有任何涂層去用于拉深操作。結(jié)果類(lèi)似于工具 1 的結(jié)果，該鋁板在 10 次拉深 后就過(guò)早斷裂，并且臺(tái)階圓角部分的表面粗糙度增加到最大值大約為25 m 。 在接下來(lái)的這步，我 們用涂有類(lèi)金剛石的工具 6 老進(jìn)行相似的拉深試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)我們用涂有類(lèi)金剛石的模具可以生產(chǎn) 5000 件以上的鋁杯而不用潤(rùn)滑，卻可以保持很好的表面粗糙度，在這種操作之后，中斷試驗(yàn)，來(lái)檢驗(yàn)杯形件和模具的表面情況。 圖 5 顯示， DLC 涂層模具在 5000 次拉深操作之后的工作表面，如圖所示，沒(méi)發(fā)現(xiàn) DLC涂層有明顯的剝落現(xiàn)象，并且只有少量的鋁材粘附在模具的凸起部分。 圖 6 顯示 ，隨著拉深模工作次數(shù)的增加，模具的表面粗糙度也在變化。表面粗糙度maxR的值約為 0.6 m ，但在大約 5000 次操作之后約為 2 m ，同樣的情況適用于杯形件產(chǎn)品表面粗糙度的變化： 最初的表面粗糙度約為 9 m ，在進(jìn)行 5000 次操作之后約為 14.5 m 。 雖然 5000 次操作可能在實(shí)際操作中足夠了，我們企圖繼續(xù)拉深操 作直到最終報(bào)廢，因?yàn)槲覀儼l(fā)現(xiàn)鋁片廢物松散到我們可以用布或類(lèi)似物擦去，大約在 5000 次操作之后，實(shí)際壽命大約在 6190 次，當(dāng)該工作材料最終斷裂由于涂層的部分脫落，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)基體發(fā)生同樣的變化。 我們認(rèn)為為什么只有 DLC 涂層和沒(méi)有潤(rùn)滑油的拉深鋁材有這兩種可能性，一種肯的原因是 DLC 涂層的低摩擦系數(shù)和另外一種可能性是 DLC 材料和鋁材較差的親和力，它阻止了鋁涂層的附著力。為了驗(yàn)證我們的猜測(cè)，我們進(jìn)行了一個(gè)摩擦學(xué)試驗(yàn)，在這個(gè)測(cè)試中，一個(gè)球摩擦盤(pán) 實(shí)驗(yàn)機(jī)用以比較鋁球（直徑為 6mm）和涂有 SKD的鋼盤(pán)之間摩擦系數(shù)的變化。 在圖 7中可以清楚地看到，只有 DLC 涂層顯示了非常低的系數(shù)。 4結(jié)論 為了得到無(wú)潤(rùn)滑狀態(tài)下拉深鋁板的影響，拉深模用多種硬質(zhì)合金涂裹，比如： TiCN、CrN 和 DLC（類(lèi)金剛石碳），這些模具遭受實(shí)地測(cè)試，第一次使用 SKD（模具鋼）作為一種模具基材。從這個(gè)測(cè)試可以看出，只有類(lèi)金剛石被證明 在阻止模具上粘附的鋁，從而阻止在1560 次拉深操作后鋁格的斷裂， 為了進(jìn)一步延長(zhǎng)類(lèi)金剛石涂層模具的壽命，用類(lèi)金剛石涂層，但用 WC-Co 合金做基體材料去做類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)，以提高基體材料的附著力，得到超過(guò) 5000次 操作 這一很好的結(jié)果，在此期間，在無(wú)任何潤(rùn)滑劑的情況下生產(chǎn)出高品質(zhì)的鋁方杯產(chǎn)品。 鳴謝： 在此 我們感謝 Messrs. T. Kogawa 以及 D.Kiryu， 還有我們學(xué)院的學(xué)生們，感謝他們?cè)趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中所給予的幫助。 參考資料： 1 K. Dohda, S.Kashiwada, Y.Tsuchiya and T. Arai, in Z.R. Wang and He Yuxin (eds.), Advanced Technology of Plasticity, Vol. 3, Int. Academic Publishers, Beijing, 1993, p. 1618. 2 K.H.W. Seah and K.S. Lee, J. Mater. Process. TechnoI., 37 (i993) 125. 3 M. Murakawa, N. Koga, S. Watanabe and S. Miyake, in Y.Tzeng et al. (ed