池金春,張安峰,謝士興,金成

(1.西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室, 710054, 西安;2.西安交通大學(xué)快速制造國家工程研究中心, 710054, 西安)

電弧噴涂快速模具內(nèi)應(yīng)力檢測和噴涂工藝優(yōu)化

池金春1,張安峰1,謝士興1,金成2

(1.西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室, 710054, 西安;2.西安交通大學(xué)快速制造國家工程研究中心, 710054, 西安)

以降低電弧噴涂厚涂層內(nèi)應(yīng)力為目的,對曲率法所依據(jù)的Stoney公式進行了修正。采用修正后的曲率法較穩(wěn)定可靠地檢測出了厚涂層的平均內(nèi)應(yīng)力,優(yōu)化了噴涂工藝,提高了模具的成形精度,并成功應(yīng)用于長為2 m的汽車外飾鈑金件沖壓模具制作。實驗研究噴涂工藝(噴涂距離、噴涂電流、掃描軌跡和掃描速度)與涂層內(nèi)應(yīng)力之間的定量關(guān)系后發(fā)現(xiàn):涂層內(nèi)應(yīng)力與單層涂層厚度呈現(xiàn)相似的變化趨勢,但變化比例并不是一一相對應(yīng)的;內(nèi)應(yīng)力隨噴涂距離和掃描速度的增加以及噴涂電流的減小而遞減,受掃描軌跡影響最顯著。通過優(yōu)化工藝,使涂層內(nèi)應(yīng)力降低了27.5%～63.9%。

電弧噴涂;快速模具;工藝;內(nèi)應(yīng)力

電弧噴涂快速模具技術(shù)是利用電弧噴涂成型的厚涂層型殼作為模具工作面的一種簡易快捷的模具制造技術(shù),用于家電、鞋類、汽車等眾多行業(yè)的樣品試制,能極大地降低開發(fā)成本,縮短試制時間。1996年,英國的Sprayform Tools & Dies,Ltd公司成功開發(fā)出電弧噴涂快速模具的工藝,隨后美國福特公司成功制備高熔點合金模具,并應(yīng)用于汽車、飛機覆蓋件的沖壓成型,實現(xiàn)了快速模具在工業(yè)生產(chǎn)中的實際應(yīng)用[1-5]。國內(nèi)的西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)等高校也進行了深入系統(tǒng)的研究[6-8],西安交通大學(xué)率先在國家“863計劃”和“十一五”重大專項項目支持下,對電弧噴涂快速制模技術(shù)裝備、工藝和材料方面做了系統(tǒng)的研究工作[8-13],并成功與國內(nèi)多家汽車企業(yè)合作推廣該技術(shù)的實際應(yīng)用。然而,在成型過程中,涂層內(nèi)應(yīng)力的累積導(dǎo)致涂層的變形甚至開裂失效,限制了電弧噴涂快速模具技術(shù)的發(fā)展,此外由于內(nèi)應(yīng)力的復(fù)雜性,使得尋找可靠的厚涂層平均內(nèi)應(yīng)力檢測方法也成為難題。雖然內(nèi)應(yīng)力檢測方法很多,但是每種方法都有各自的優(yōu)缺點和適用范圍。如鉆孔法是最普遍的方法之一[14],但是對零件表面的的光潔度有一定要求,也不能用于檢測多材料組成的復(fù)合涂層系統(tǒng)。廣泛使用的X射線法[15]只能測試材料表面(一般為表層下幾十微米)的應(yīng)力,而噴涂模具的涂層厚度一般是幾個毫米到幾十毫米。曲率法是根據(jù)Stoney公式給出的薄膜內(nèi)部殘余應(yīng)力的計算公式[16-17],但是要求涂層厚度遠小于基體的厚度。受內(nèi)應(yīng)力檢測方法的限制,國內(nèi)外普遍只能用計算機模擬、X射線衍射測試等方法評價厚涂層的內(nèi)應(yīng)力水平[18-19],然而這些方法的誤差大,重復(fù)性差,無法為工藝優(yōu)化提供可靠的參考依據(jù)。文獻[20]給出了Stoney方程的修正方法計算厚涂層內(nèi)應(yīng)力,本文引用文獻[20]的修正思想,陳述了Stoney公式的修正方法,依據(jù)修正后的曲率法較穩(wěn)定可靠地檢測出厚涂層的平均內(nèi)應(yīng)力。使用該方法實驗研究噴涂工藝與涂層內(nèi)應(yīng)力之間的定量關(guān)系,優(yōu)化噴涂工藝并提高了模具的成形精度。

1 修正Stoney方程

圖1 涂層內(nèi)應(yīng)力作用示意圖

如圖1所示,涂層收縮產(chǎn)生力矩M′使涂層和基體系統(tǒng)翹曲變形,系統(tǒng)產(chǎn)生反作用力矩M,在涂層內(nèi)形成拉應(yīng)力F,系統(tǒng)不受外力作用,合力矩為M+M′=0。曲率法檢測內(nèi)應(yīng)力是檢測系統(tǒng)的曲率變化量Δρ,根據(jù)Stoney方程反推出內(nèi)應(yīng)力F[16]。為了簡化計算作如下假設(shè):①系統(tǒng)的變形是完全彈性的;②彈性應(yīng)變沿涂層厚度方向線性變化;③平面應(yīng)力均勻分布在平行于涂層的平面內(nèi),即涂層在xy平面內(nèi)為各向同性的。

設(shè)涂層沉積前后基體的曲率半徑分別為ρ1和ρ2,系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)力的總和為每個微分層面z的應(yīng)力?σ(z)沿著z方向的積分,單個z層面在涂層沉積前后應(yīng)變的變化為?ε(z),可表示為

(1)

根據(jù)完全彈性假設(shè),涂層在Z平面內(nèi)的應(yīng)力變化量為

?σ(z)=E*(z)?ε(z)

(2)

(3)

假設(shè)系統(tǒng)的寬度為常數(shù)w,ds=wdz,代入式(3),再把式(1)和式(2)也代入式(3),得到

(4)

計算得到系統(tǒng)中性面z0位置為

(5)

力矩M與涂層內(nèi)力F的關(guān)系為

(6)

系統(tǒng)的彎矩M′為

(7)

根據(jù)M+M′=0,聯(lián)合式(6)、式(7)兩個方程,可以算出

根據(jù)微波無損傳輸線數(shù)學(xué)模型可知,相對于其他諧振器,枝節(jié)線加載諧振器的電路結(jié)構(gòu)非常靈活,同時諧振頻率容易控制,調(diào)整某段枝節(jié)線長度只會影響某個特定的諧振頻率而不會影響其他的諧振頻率,這正好滿足了高性能多頻帶濾波器的設(shè)計要求。因此,本文采用枝節(jié)線加載的方式設(shè)計基本的諧振器結(jié)構(gòu)單元。

(8)

令

其中

可以計算出涂層平均應(yīng)力

(9)

2 工藝與內(nèi)應(yīng)力的影響關(guān)系

使用Taylor Hobson PGI 3D非球面測量儀檢測噴涂前后樣品曲率,將測試得到的曲率半徑和相關(guān)的參數(shù)代入應(yīng)力計算式(9),即可計算出涂層內(nèi)應(yīng)力。實驗噴涂1mm厚的Al涂層,基體為Q235鋼,E=200GPa,尺寸為200mm×100mm×5 mm。由于涂層中存在大量孔隙和氧化物,Al涂層的彈性模量值很不穩(wěn)定,根據(jù)平均檢測值取n=0.35,m=0.2,噴涂主要工藝參數(shù)見表1。

表1 噴涂主要工藝參數(shù)

由于噴涂成型的本質(zhì)是能量和質(zhì)量的累積,金屬粒子、氣流和涂層3者之間的傳熱過程極其復(fù)雜,而通過紅外測溫發(fā)現(xiàn)涂層的表面射流光斑中心溫度只有50℃左右,涂層表面溫度不能體現(xiàn)單個粒子在撞擊過程中的溫度變化以及由此產(chǎn)生的熱應(yīng)力。所以,本文將檢測質(zhì)量的輸入(即單層涂層厚度)作為分析內(nèi)應(yīng)力和溫度變化規(guī)律的參考。

2.1 噴涂距離對涂層內(nèi)應(yīng)力的影響

圖2 噴涂距離對涂層內(nèi)應(yīng)力的影響

2.2 噴涂電流對涂層內(nèi)應(yīng)力的影響

圖3 噴涂電流對涂層內(nèi)應(yīng)力的影響

在噴涂電壓不變的條件下,噴涂電流大小反映了噴涂效率。通過調(diào)節(jié)送絲速度可以調(diào)節(jié)噴涂電流,分別用80、120、160和200A電流沉積1mm厚的涂層。內(nèi)應(yīng)力檢測結(jié)果顯示,涂層內(nèi)應(yīng)力和單層涂層厚度都隨著噴涂電流的增加而遞增,見圖3。將電流從200A降為80A,內(nèi)應(yīng)力從81MPa降低到58.7 MPa,增大了27.5%,單層涂層厚度減小了45.8%。噴涂電流增加意味著送絲速度加快,單位時間內(nèi)沉積的粒子數(shù)量增加,能量和質(zhì)量輸入增加,單層涂層厚度增加,涂層內(nèi)應(yīng)力也增大;反之,內(nèi)應(yīng)力降低。在其他條件滿足的情況下,宜使用較小的電流進行噴涂,但是電流過低會引起電弧燃燒不穩(wěn)定。

2.3 噴涂軌跡對涂層內(nèi)應(yīng)力的影響

分別使用3種不同噴涂軌跡堆積0.9 mm厚涂層,見圖4。內(nèi)應(yīng)力檢測結(jié)果顯示,噴涂軌跡對涂層內(nèi)應(yīng)力有顯著的影響,單向Z字形軌跡的內(nèi)應(yīng)力最高,環(huán)形軌跡最低,相比降低63.9%,見圖5。與Z字形軌跡相比,環(huán)行軌跡的溫度場更均勻,降低了溫度梯度引起的熱應(yīng)力,避免溫度和應(yīng)力在一個方向的積累,從而降低整體應(yīng)力水平。

(a)單向Z字形軌跡 (b)交叉Z字形軌跡 (c)環(huán)形軌跡

圖5 噴涂軌跡對涂層內(nèi)應(yīng)力的影響

2.4 掃描速度對涂層內(nèi)應(yīng)力的影響

分別使用100、300、500、700mm/s 4種不同掃描速度沉積1mm厚涂層,內(nèi)應(yīng)力檢測結(jié)果顯示,涂層內(nèi)應(yīng)力和單層涂層厚度隨掃描速度的增加而遞減,速度提高使內(nèi)應(yīng)力和單層涂層厚度分別降低了38.1%和71.7%,見圖6。提高掃描速度降低了單位時間、單位面積的能量和質(zhì)量輸入,涂層整體溫度和單層厚度降低,使得涂層熱應(yīng)力也降低。從以上所有實驗結(jié)果可以看出,涂層內(nèi)應(yīng)力和單層涂層厚度有很好的統(tǒng)一性,二者的變化趨勢非常類似。

圖6 掃描速度對涂層內(nèi)應(yīng)力的影響

根據(jù)上述分析結(jié)果,總結(jié)出降低整體內(nèi)應(yīng)力水平的原則是降低單層涂層厚度和掃描表面的溫度梯度。優(yōu)化后的工藝方法使噴涂模具的精度明顯提高,為中國一汽汽車制作外飾鈑金件的沖壓模具見圖7,零件型面尺寸為1600mm×975 mm×237 mm,模具長度為2 000m,拉延成形合格件120件(見圖8)。相對于機加工方法,電弧噴涂快速模具節(jié)約成本50%～70%,生產(chǎn)周期僅為25 d,獲得企業(yè)高度好評并達成進一步推廣應(yīng)用的合作意向。

圖7 汽車外飾板模具

圖8 汽車外飾板的合格零件

3 結(jié)論與展望

(1)根據(jù)修正后Stoney公式曲率法能可靠地檢測厚涂層平均內(nèi)應(yīng)力,適用于檢測電弧噴涂快速模具涂層型殼,檢測結(jié)果重復(fù)性好。

(2)涂層內(nèi)應(yīng)力與單層涂層厚度呈現(xiàn)相似的變化趨勢,但變化比例不是一一對應(yīng)的。

(3)掃描軌跡對涂層平均內(nèi)應(yīng)力有最為顯著的影響,掃描速度和噴涂距離的影響程度接近,噴涂電流則相對最低。

(4)各項工藝優(yōu)化能使內(nèi)應(yīng)力水平降低27.5%～63.9%,提高了模具成型精度。使用優(yōu)化后的工藝參數(shù)成功為一汽汽車制作2 m長外飾鈑金件的沖壓模具,成形合格件120件,大幅度降低成本和周期。

(5)下一步電弧噴涂快速模具技術(shù)的發(fā)展方向是研究更高硬度的材料(如鋼基合金)成型工藝,提高模具使用壽命。

[1] GRANT P S, DUNCAN S R, ROCHE A, et al. Scientific, technological, and economic aspects of rapid tooling by electric arc spray forming [J]. Journal of Thermal Spray Technology, 2006, 15(4): 796-801.

[2] CHUA C, HONG K, Ho S. Rapid tooling technology: part 2 a case study using arc spray metal tooling [J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 1999, 15(8): 609-614.

[3] RAYMENT T, HOILE S, GRANT P S. Phase transformations and control of residual stresses in thick spray-formed steel shells [J]. Metallurgical and Materials Transactions: B Process Metallurgy and Materials Processing Science, 2004, 35(6): 1113-1122.

[4] NEWBERY A P, GRANT P S, JORDAN R M. The electric arc spray manufacture of rapid production tooling: a case study [C]∥ Thermal Spray: Meeting the Challenges of the 21st Century. Oxford, UK: ASM Internation/Materials Park, 1998: 25-29.

[5] GRANT P S, NEWBERY A P, NEISER R A. The velocity and temperature of steel droplets during electric arc spraying [J]. Surface & Coatings Technology, 2005, 195(1): 91-101.

[6] 唐正連. 電鑄與電弧噴涂快速制模技術(shù)研究 [D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2004.

[7] 婁建新, 李德元, 張忠禮, 等. 基于電弧噴涂的快速鋼基模具制造 [J]. 沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2006, 28(3): 255-257. LOU Jianxin, LI Deyuan, ZHANG Zhongli, et al. Rapid steel mould manufacture based on arc spraying [J]. Journal of Shenyang University of Technology, 2006, 28(3): 255-257.

[8] 何仲赟, 盧秉恒, 朱東波, 等. 面向汽車覆蓋件模具快速開發(fā)的金屬噴涂機器人研究 [J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報, 2004, 38(11): 1173-1177. HE Zhongyun, LU Bingheng, ZHU Dongbo, et al. Novel metal arc spraying robot for rapid tooling of large-sized automobile body panel dies [J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2004, 38(11): 1173-1177.

[9] 仲成. 面向鋼基合金電弧噴涂制模技術(shù)的母模制備工藝研究 [D]. 西安: 西安交通大學(xué), 2011.

[10]王伊卿, 趙文軫, 唐一平, 等. 電弧噴涂模具材料性能研究 [J]. 中國機械工程, 2000, 11(10): 1112-1115. WANG Yiqing, ZHAO Wenzhen, TANG Yiping, et al. Study on arc spray molding material properties [J]. China Mechanical Engineering, 2000, 11(10): 1112-1115.

[11]劉彬. 鋼基合金電弧噴涂模具型殼制備工藝研究 [D]. 西安: 西安交通大學(xué), 2011.

[12]李延平, 朱東波, 盧秉恒. 基于RP技術(shù)的電弧噴涂板料沖壓模具快速制造 [J]. 電加工與模具, 2004, 21(4): 52-57. LI Yanping, ZHU Dongbo, LU Bingheng. Rapid tooling manufacturing based on RP&RT integrated environment [J]. Electromachining & Mould, 2004, 21(4): 52-57.

[13]池金春, 謝士興, 魏潤強, 等. ARMT 在長玻纖 PU 發(fā)泡成型中的應(yīng)用研究 [J]. 模具工業(yè), 2013, 39(2): 66-69. CHI Jinchun, XIE Shixing, WEI Runqiang, et al. Application of ARMT in long glass fiber reinforced PU foaming [J]. Die & Mould Industry, 2013, 39(2): 66-69.

[14]劉倩倩, 劉兆山, 宋森, 等. 殘余應(yīng)力測量研究現(xiàn)狀綜述 [J]. 機床與液壓, 2011, 39 (11): 135-138. LIU Qianqian, LIU Zhaoshan, SONG Sen, et al. Research status of measurement for residual stress [J]. Machine Tool & Hydraulics, 2011, 39 (11): 135-138.

[15]蔣剛, 譚明華, 王偉明, 等. 殘余應(yīng)力測量方法的研究現(xiàn)狀 [J]. 機床與液壓, 2007, 35 (6): 213-216. JIANG Gang, TAN Minghua, WANG Weiming, et al. Present research status of measuring residual stress [J]. Machine Tool & Hydraulics, 2007, 35 (6): 213-216.

[16]DOBRYNIN A V. On the applicability of Stoney’s formula for calculating the mechanical stresses in thick films and coatings [J]. Technical Physics Letters, 1997, 23(9): 709-710.

[17]葉義海. WC-Co熱噴涂層力學(xué)性能與殘余應(yīng)力研究 [D]. 成都: 西南交通大學(xué), 2010.

[18]JIANG Y, XU B S, WANG H D. Finite element modeling of residual stress around holes in the thermal barrier coatings [J]. Computational Materials Science, 2010, 49(3): 603-608.

[19]程江波, 梁秀兵, 陳永雄, 等. 再制造電弧噴涂成形層的殘余應(yīng)力分析 [J]. 焊接學(xué)報, 2008, 29(6): 17-20. CHENG Jiangbo, LIANG Xiubing, CHEN Yongxiong. Residual stress in electric arc sprayed coatings for remanufacturing [J]. Transactions of the China Welding Institution, 2008, 29(6): 17-20.

[20]WANG Tiegang, HUA Weigang. Estimation of residual stress and its effects on the mechanical properties of detonation gun sprayed WC-Co coatings [J]. Materials Science and Engineering: A, 2010, 527: 454-461.

(編輯 杜秀杰)

ProcessOptimizationandResidualStressMeasurementforArcSprayingRapidTooling

CHI Jinchun1,ZHANG Anfeng1,XIE Shixing1,JIN Cheng2

(1. State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710054, China;2. National Engineering Research Center of Rapid Manufacturing, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710054, China)

To reduce the residual stress in thick arc spraying coatings, Stoney formulation, which is the basis of the curvature method, was modified to reliably test the average residual stress. The process was then optimized with improved accuracy and was successfully applied to manufacturing a long stamping die of 2 m for an automobile external sheet metal part. Experimentally analyzing the relationship of the process parameters such as spraying distance, current, scanning path and speed with the residual stress, it is found that residual stress similarly tends to vary as the single layer coating thickness but with different varying proportion; residual stress is most significantly influenced by scanning path; the stress decreases steadily with the increasing spraying distance and scanning speed, and with the reducing spraying current; the residual stress is finally reduced by 27.5% to 63.9% via optimizing the process parameters.

arc spraying; rapid tooling; process; residual stress

2014-02-22。

池金春(1985—),男,碩士生;張安峰(通信作者),男,副教授。

國家自然科學(xué)基金資助項目(51275392);國家科技支撐計劃專項經(jīng)費重點資助項目(2006BAF04B14)。

時間:2014-07-28

10.7652/xjtuxb201412020

TG174.442

:A

:0253-987X(2014)12-0126-05

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20140728.1033.001.html