外文翻譯對無潤滑但用DLC涂層的冷沖模的研究

對無 潤滑但 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金剛石薄膜的模具來沖無潤滑 油的鋁板材，令人驚奇的是， 在沖出 6200 個(gè)方形杯之后 表明，類金剛石涂層的使用可以 有效 替代潤滑油的使用， 以此 來阻止 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。 用離子鍍設(shè)備把這層類金剛石涂層涂在一 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。相對于有類金剛石涂層的模具，一套未涂有 Wc-Co 合金的拉深模在無潤滑的情況下工作，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，這就表明了類金剛石涂層戲劇性的效果。 關(guān)鍵詞： 類金剛石膜 ;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題，其中之一就是與鋁板接觸的工具，比如說是拉 深 模具，導(dǎo)致潤滑油的粘度增加，由于這些潤滑油需要強(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)開始去研究尋找一種可以替代潤滑油，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，在沖壓過程中不管是有微量的潤滑劑還是無潤滑劑，只有氮化鈦對 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)合金涂層在沒有潤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)，肯是類金剛石涂層的影響。因此，我們做深沖鋁板測試，分別用涂有類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，通過對一個(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，這些性能是測試當(dāng)用于拉深鋁材時(shí)其耐久力的，除了類金剛石涂層，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點(diǎn)。 目前雖然有許多已知的方法去合成類金剛石涂層，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制備類金剛石涂層及其拉曼光譜一些基本 特征數(shù)據(jù)。因此，用一些有問題的物理氣相沉積裝置 ，包括 一個(gè)熱燈絲，陽極，以及一個(gè)反射鏡來包圍它們。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，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， A5000 鋁合金材料可以被用于制作汽車覆蓋件。 2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對用 SKD鋼制作的拉深模具的影響 一套無任何涂層的沖壓模（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，目的是為了檢測是否無涂層模具可以承受沒有任何潤滑的深沖操作。結(jié)果顯示，即使在工作材料在第一次拉深之后。也就是說，發(fā)現(xiàn)鋁附著在模具臺(tái)階以其圓角上。經(jīng)過 5 次拉深后，工件材料就是過早地被拉斷。 接下來 ，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)生過早地?cái)嗔?，總之，無 TiN 或者 CrN 以及其他涂層的模具在沒有潤滑條件下的拉深可以承受嚴(yán)重的 力的作用，然而，實(shí)驗(yàn)表明： 沒有 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)，以研究在沒有潤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，沒有沒有 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，隨著逐漸增加觀察操作次數(shù)的增加超過這個(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，在沒有潤滑的條件下拉深， 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 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明顯增加前），重點(diǎn)似乎是阻止涂層的脫落；換句話說， 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，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)力超過這個(gè)破損或者脫落，涂層出現(xiàn)了增長。 在這里，我們通過方案 2 來試圖增加模具壽命，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， 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)行性能測試。 3.2 試驗(yàn)結(jié)果與思考 首先，碳化鎢合金工具 5 沒有任何涂層去用于拉深操作。結(jié)果類似于工具 1 的結(jié)果，該鋁板在 10 次拉深 后就過早斷裂，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 。 在接下來的這步，我 們用涂有類金剛石的工具 6 老進(jìn)行相似的拉深試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)我們用涂有類金剛石的模具可以生產(chǎn) 5000 件以上的鋁杯而不用潤滑，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 涂層和沒有潤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，我們進(jìn)行了一個(gè)摩擦學(xué)試驗(yàn)，在這個(gè)測試中，一個(gè)球摩擦盤 實(shí)驗(yàn)機(jī)用以比較鋁球（直徑為 6mm）和涂有 SKD的鋼盤之間摩擦系數(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 為了得到無潤滑狀態(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（類金剛石碳），這些模具遭受實(shí)地測試，第一次使用 SKD（模具鋼）作為一種模具基材。從這個(gè)測試可以看出，只有類金剛石被證明 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)一步延長類金剛石涂層模具的壽命，用類金剛石涂層，但用 WC-Co 合金做基體材料去做類似的實(shí)驗(yàn)，以提高基體材料的附著力，得到超過 5000次 操作 這一很好的結(jié)果，在此期間，在無任何潤滑劑的情況下生產(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，感謝他們在實(shí)驗(yàn)過程中所給予的幫助。 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