采用不同參數(shù)的輥壓成形工藝制備平板和套筒金屬橡膠試樣，與沖壓成形平板金屬橡膠試樣進(jìn)行形貌與動(dòng)態(tài)力學(xué)性能對(duì)比分析，并研究了輥壓工藝參數(shù)對(duì)試樣動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：相比于沖壓成形，輥壓成形平板金屬橡膠試樣的結(jié)構(gòu)均勻且金屬絲間勾連效果更好，損耗因子和動(dòng)剛度更小；輥壓平板金屬橡膠試樣的損耗因子隨輥壓轉(zhuǎn)速的增大而增大，隨壓下率和進(jìn)料角度的增大而減小，動(dòng)剛度隨壓下率和輥壓轉(zhuǎn)速的增大而增大，隨進(jìn)料角度的增大而減?。惠亯禾淄步饘傧鹉z試樣的動(dòng)剛度隨激振頻率、激振振幅和預(yù)緊間距的增大而減小，損耗因子隨激振頻率和激振振幅的增大而減小，隨預(yù)緊間距的增大而增大。
1、 試樣制備與試驗(yàn)方法
1.1 試樣制備
試驗(yàn)材料為304不銹鋼金屬絲，其直徑為0.3mm，密度為7.93g·cm-3，硬度小于200HV，抗拉強(qiáng)度大于520MPa。使用繞絲機(jī)將金屬絲繞制成螺旋卷，螺旋卷的直徑和螺距均為3mm。使用自主研發(fā)的數(shù)控自動(dòng)金屬絲網(wǎng)毛坯纏繞設(shè)備將繞制的螺旋卷進(jìn)行等螺距拉伸，使螺旋卷間可以更好地勾連，再在工裝上進(jìn)行45°方向纏繞，得到金屬橡膠毛坯。
先采用沖壓成形工藝制備平板金屬橡膠試樣。將金屬橡膠毛坯放入模具中進(jìn)行冷沖壓成形，最大成形壓力為25.5kN，沖壓速度為5mm·min-1，制備得到的沖壓平板金屬橡膠試樣的尺寸 為60mm×60mm×4mm。
采用輥壓成形工藝制備平板和套筒金屬橡膠試樣，輥壓工藝如圖1所示。將金屬橡膠毛坯放入自動(dòng)化輥壓機(jī)，通過上、下軋輥對(duì)毛坯施加對(duì)稱作用力，使毛坯產(chǎn)生塑性變形，工藝參數(shù)見表1，制備得到平板金屬橡膠試樣。將覆蓋金屬橡膠毛坯的芯棒固定在自主研發(fā)的自動(dòng)化輥壓機(jī)上，通過限位塊限制毛坯的位移，動(dòng)輥由電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，升降結(jié)構(gòu)壓迫芯軸向下移動(dòng)直至接觸定輥，工藝參數(shù)見表2，制備得到套筒金屬橡膠試樣。輥壓平板金屬橡膠試樣的尺寸為60mm×60mm×4mm，輥壓套筒金屬橡膠試樣的內(nèi)徑為50 mm，外徑為60mm，高度為62mm。
表1 平板金屬橡膠試樣輥壓成形工藝參數(shù)
表2 套筒金屬橡膠試樣輥壓成形工藝參數(shù)
1.2 試驗(yàn)方法
使用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察金屬橡膠試樣的形貌。使用高低溫動(dòng)靜材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫動(dòng)態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)，對(duì)金屬橡膠試樣施加頻率為1Hz、振幅為0.6mm的正弦位移激勵(lì)，通過試驗(yàn)機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄力和位移信號(hào)，繪制恢復(fù)力-位移曲線。對(duì)恢復(fù)力-位移曲線進(jìn)行積分，曲線包圍的面積即為耗能 W。根據(jù)恢復(fù)力-位移曲線計(jì)算儲(chǔ)能W、損耗因子η和動(dòng)剛度K，計(jì)算公式如下：
2、 試驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1 沖壓和輥壓平板試樣的形貌和性能
由圖2可見，沖壓成形平板金屬橡膠試樣的表面不平整，分層現(xiàn)象明顯，成形不完全。這是由于沖壓引入的大多是縱向力，金屬絲之間的摩擦力和位移較小，因此會(huì)出現(xiàn)較多勾連強(qiáng)度低的圓弧平面兩側(cè)線接觸，造成分層。輥壓成形平板金屬橡膠試樣的結(jié)構(gòu)均勻且金屬絲間勾連效果更好，這是由于輥壓解決了引入應(yīng)力不均勻的問題，在橫向力的作用下金屬絲之間的摩擦力和位移較大，因此會(huì)出現(xiàn)勾連強(qiáng)度較好的圓弧內(nèi)外兩側(cè)線接觸。
由圖3可見，沖壓和輥壓成形平板金屬橡膠試樣的滯回曲線不重合，沖壓平板試樣滯回曲線包圍的面積略大于輥壓平板試樣，說明沖壓平板試樣的耗能更大。輥壓平板試樣的損耗因子略低于沖壓平板試樣，動(dòng)剛度則明顯低于沖壓平板試樣，這是由于沖壓平板試樣中金屬絲的空間結(jié)構(gòu)為徑向受載的微彈簧結(jié)構(gòu)，其剛度大于輥壓平板試樣中軸向受載的微彈簧結(jié)構(gòu)。
2.2 輥壓參數(shù)對(duì)平板試樣動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響
2.2.1 壓下率的影響
由圖4可見，輥壓平板試樣的耗能、儲(chǔ)能和損耗因子均隨壓下率的增大而降低。這是因?yàn)殡S著壓下率的增大，軋制力逐漸增大，螺旋卷之間的接觸面積減小，所產(chǎn)生的摩擦力也隨之減少，所以儲(chǔ)能、耗能和損耗因子均降低。平板金屬橡膠試樣的動(dòng)剛度隨壓下率的增大而增大。這是因?yàn)殡S著壓下率的增大，輥壓道次減少，螺旋卷發(fā)生較大角度轉(zhuǎn)動(dòng)的次數(shù)減少，所以動(dòng)剛度增大。
2.2.2 進(jìn)料方向的影響
由圖5可見：當(dāng)進(jìn)料角度為0°時(shí)，輥壓平板試樣的損耗因子和動(dòng)剛度均最大，動(dòng)態(tài)力學(xué)性能較好，這是因?yàn)樵摻嵌认侣菪碇g的貼合更緊密，接觸點(diǎn)數(shù)量增加；當(dāng)進(jìn)料角度為90°時(shí)，試樣的損耗因子和動(dòng)剛度均最小，這是因?yàn)樵摻嵌认戮€圈間的接觸點(diǎn)減少，螺旋卷趨于分離。
2.2.3 輥壓轉(zhuǎn)速的影響
由圖6可見，輥壓平板試樣的損耗因子和動(dòng)剛度均隨輥壓轉(zhuǎn)速的增大而增大。這是因?yàn)檩亯恨D(zhuǎn)速越小，毛坯在兩輥之間受到擠壓的時(shí)間越長，螺旋卷的間隙越大，導(dǎo)致接觸點(diǎn)減少，損耗因子減小；輥壓轉(zhuǎn)速減小，試樣中懸臂梁與水平面之間的夾角變小，導(dǎo)致動(dòng)剛度減小。
2.3 輥壓參數(shù)對(duì)套筒試樣動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響
2.3.1 激振振幅的影響
表3 不同激振振幅下輥壓套筒金屬橡膠試樣的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能
由表3可見，在相同激振頻率下，隨著激振振幅的增大，輥壓套筒試樣的損耗因子和動(dòng)剛度減小，耗能和儲(chǔ)能增大。這是因?yàn)榧ふ裾穹黾邮乖嚇觾?nèi)金屬絲的位移增大，接觸面的滑動(dòng)摩擦力增大，導(dǎo)致耗能增大；由于金屬橡膠具有明顯的非線性漸硬化特性，其最大恢復(fù)力與振幅成正比，因此儲(chǔ)能增大，并且儲(chǔ)能的增大速率大于耗能，因此損耗因子減小。
2.3.2 激振頻率的影響
由圖7可見：當(dāng)激振頻率為1~2Hz，尤其是1Hz時(shí)，輥壓套筒試樣的滯回曲線所覆蓋的面積明顯大于其他激振頻率下；當(dāng)激振頻率為3~5Hz時(shí)，試樣的滯回曲線幾乎重合。這說明試樣的耗能隨激振頻率的增大先減小后趨于穩(wěn)定。隨著激振頻率的增加，試樣的損耗因子和動(dòng)剛度減小，最終趨于穩(wěn)定。激振頻率的增加使試樣內(nèi)部螺旋卷的空間位置來不及完全恢復(fù)，導(dǎo)致試樣內(nèi)部的相對(duì)摩擦力不足，從而降低損耗因子；同時(shí)使試樣之間的干摩擦轉(zhuǎn)化為動(dòng)摩擦，動(dòng)剛度減小。
2.3.3 預(yù)緊間距的影響
由圖8可知，隨著預(yù)緊間距的增大，輥壓套筒試樣的恢復(fù)力減小，滯回曲線的面積減小，說明金屬橡膠的耗能隨預(yù)緊間距的增大而減小。
表4 不同預(yù)緊間距下輥壓套筒金屬橡膠試樣的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能
由表4可知，隨預(yù)緊間距的增大，輥壓套筒試樣的耗能、儲(chǔ)能和動(dòng)剛度均減小，損耗因子增大。這是因?yàn)轭A(yù)緊間距的增大使金屬絲間的接觸不充分，干摩擦減小，耗能和儲(chǔ)能降低，并且耗能降低速率小于儲(chǔ)能，因此損耗因子增大。
3、 結(jié) 論
(1)沖壓平板金屬橡膠試樣表面不平整，分層現(xiàn)象明顯，輥壓平板金屬橡膠試樣結(jié)構(gòu)均勻且金屬絲間勾連效果更好；輥壓平板金屬橡膠試樣的損耗因子和動(dòng)剛度均低于沖壓平板金屬橡膠試樣，其中動(dòng)剛度的降低尤其顯著。
(2)輥壓平板金屬橡膠試樣的損耗因子隨輥壓轉(zhuǎn)速的增大而增大，隨壓下率和進(jìn)料角度的增大而減??；動(dòng)剛度隨壓下率和輥壓轉(zhuǎn)速的增大而增大，隨進(jìn)料角度的增大而減小。
(3)輥壓套筒金屬橡膠試樣的動(dòng)剛度隨激振頻率、激振振幅和預(yù)緊間距的增大而減??；損耗因子隨激振頻率和激振振幅的增大而減小，隨預(yù)緊間距的增大而增大。
引用本文：
熊赟玲子，鄒路明，李昂熙，等.輥壓工藝參數(shù)對(duì)平板和套筒金屬橡膠動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響[J].機(jī)械工程材料，2023，47（6）：14-19.
Xiong Y L Z , Zou L M, Li A X, et al.Effect of Rolling Process Parameters on Dynamic Mechanical Properties of Flatand Sleeve Metal Rubber, 2023, 47（6）: 14-19.
DOI:10.11973/jxgccl202306003
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