转动结构在精密铜合金板带残余应力检测中的应用和分析

.作者:张旦闻 刘宏昭 路俊攀 刘平
.来源期刊:中国有色金属学报2006年第1期
.中文关键字:残余应力; 转动结构; 铜合金板带
.英文关键字:residual stress; rotating structure; copper-alloy strip
.中文摘要:提出一种转动结构检测精密铜合金板带残余应力的方法, 应用有限元法作了结构分析和优化, 并利用梁弯曲产生的已知残余应力分布对转动结构的测试结果进行了验证, 两者吻合较好。 结果表明, 转动结构的灵敏度为0.48 μm/10-6, EDM批量加工后, 灵敏度的误差小于4.2%。 应用该方法对C194铜合金板带(600 mm×230 μm)的轧向残余应力进行测试, 结果表明: 在距板带中心200 mm范围内呈现小幅波动((27.4±3.3) MPa), 在边缘处变为压应力, 检测结果与实际板形分析结果相吻合。 与常规残余应力检测方法相比, 采用转动结构更加精确和便捷, 并提高了检测效率。
.英文摘要:A rotating structure for residual stress measurement in thin cold-rolled strip of copper alloy was introduced. The measurement sensitivity of the rotating structures was analyzed and optimized by finite element method (FEM). A experimental validation of the rotating structure was carried out on a plastically bent beam with known residual stress distribution, and as a consequence, the results are well consistent with results from FEM. The average sensitivity of the structures manufactured by EDM is 0.48 μm/10-6 and its deflection is less than 4.2%. The measurement results on C194 strip (600 mm×230 μm) indicate that there exist tensile residual stresses((27.4±3.3) MPa) in the area of 200 mm away from strip-center and compressive in strip edges. The rotating structure has the unique advantage of high resolution and easy-performance compared with common techniques.
.基金信息:国家高技术研究发展计划资助项目
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转动结构在精密铜合金板带残余应力检测中的应用和分析

张旦闻1, 2, 刘宏昭1, 路俊攀3, 刘 平2

(1. 西安理工大学 机械与精密仪器工程学院, 西安 710049;

2. 河南科技大学 材料科学与工程学院, 洛阳 471039;

3. 洛阳铜加工集团公司 质量检测中心, 洛阳 471000)

摘 要: 提出一种转动结构检测精密铜合金板带残余应力的方法, 应用有限元法作了结构分析和优化, 并利用梁弯曲产生的已知残余应力分布对转动结构的测试结果进行了验证, 两者吻合较好。 结果表明, 转动结构的灵敏度为0.48μm/10-6, EDM批量加工后, 灵敏度的误差小于4.2%。 应用该方法对C194铜合金板带(600mm×230μm)的轧向残余应力进行测试, 结果表明: 在距板带中心200mm范围内呈现小幅波动((27.4±3.3)MPa), 在边缘处变为压应力, 检测结果与实际板形分析结果相吻合。 与常规残余应力检测方法相比, 采用转动结构更加精确和便捷, 并提高了检测效率。

关键词: 残余应力; 转动结构; 铜合金板带 中图分类号: TG115.2; TG145.2

文献标识码: A

Applications and analyses of rotating structure in residual stress measurement on high accurate copper-alloy strip

ZHANG Dan-wen1, 2, LIU Hong-zhao1, LU Jun-pan3, LIU Ping2

(1. Department of Mechanical Engineering, Xian University of Technology,Xian 710049, China;

2. School of Materials Science and Engineering, Henan University of Science and Technology,Luoyang 471039, China;

3. Quality Testing Center, Luoyang Copper (Group) Co. Ltd., Luoyang 471000, China)

Abstract: A rotating structure for residual stress measurement in thin cold-rolled strip of copper alloy was introduced. The measurement sensitivity of the rotating structures was analyzed and optimized by finite element method (FEM). A experimental validation of the rotating structure was carried out on a plastically bent beam with known residual stress distribution, and as a consequence, the results are well consistent with results from FEM. The average sensitivity of the structures manufactured by EDM is 0.48μm/10-6 and its deflection is less than 4.2%. The measurement results on C194 strip (600mm×230μm) indicate that there exist tensile residual stresses((27.4±3.3)MPa) in the area of 200mm away from strip-center and compressive in strip edges. The rotating structure has the unique advantage of high resolution and easy-performance compared with common techniques.

Key words: residual stress; rotating structure; copper-alloy strip

   铜合金板带内部的残余应力源自加工过程中的不均匀塑性变形, 其大小和分布对板形有重要的影响。 在集成电路引线框架的高速冲载过程中, 残余应力会对模具刃口造成受力不均和扭曲, 严重影响产品质量和生产效率。 通过有针对的调整轧制和矫直工艺参数[1, 2], 可有效地消除或减少板带中的残余应力, 提高板形质量。 因此, 研究更加有效的残余应力测试方法具有重要的实际意义。

米谷茂[3]介绍了薄板残余应力测量的基本理论和方法。 Kiuchi[4]在进一步的研究中指出在残余应力释放所引起的变形中对试样纵向宏观位移测量的重要性。 通常这种位移量很小, 钻孔法测量难度大且效率低, 而采用X射线法具有局限性[5, 6]。 Goosen等[7]和Zhang等[8]提出的转动微结构法测量面内位移法具有灵敏度高和结构简单等特点, 在薄膜力学测试领域得到广泛关注[9]。 在Michael[6]的裂纹柔度法中, 利用线切割手段释放试样中的残余应力, 结合有限元的分析计算方法, 极大地提高了残余应力的检测精度和效率。

本文作者针对Goosen等[7]和Zhang等[8]提出的转动微结构测量面内位移的方法作了分析和改进, 结合Prime[6]的应力释放测量方法, 提出了精密铜合金板带轧向残余应力的新检测方法, 采用有限元法进行了分析和优化, 并通过实验验证了该方法的可靠性。

1 试样条件

选用工厂提供的C194精密铜合金板带, 工艺过程为: 热轧→双面铣→冷轧(加工率为50%)→切边→退火→精轧(加工率为20%)→矫直。 板带宽度为600mm, 厚度为230μm。

经轧制后的铜合金板带会出现轧制织构, 晶粒取向统计分布具有正交对称性, 其力学性能呈现明显的各向异性特征[10-12]。 用电子拉伸试验机(型号: ZWACK/Z100; 引伸计: LE25mm)测量轧向和横向的平均弹性模量分别为Ex=138GPa、 Ey=120GPa。

1.1 板带残余应力测量原理

根据文献[3, 13]所介绍的方法将板带沿轧制方向腐蚀成栅条状试样后, 残余应力释放所引起的变形如图1所示。

图1中的Δl为轧向残余应力(σx)释放所引起的栅条沿x方向的变形量; Δy为σx沿栅条厚度不对称分布引起的弯曲挠度。

残余应力的计算公式为[4]

式中 E为弹性模量; t为板带厚度; l是栅条原始长度。

1.2 转动结构测量原理

试样制作成对单向应变敏感的转动结构具有将位移或变形放大的功能, 可测量残余应力释放所引起的微小变形。 图2所示为转动结构的示意图。 图2(b)为转动臂变形的局部视图。 固定臂随残余应力释放可伸缩变形, 转动臂有两个细长的颈(b×a), 分别与固定臂和基体相连, 两颈不共线有一个偏离量h。 这样, 当残余应力释放时, 固定臂沿x方向伸缩变形导致转动臂旋转, 通过测量转动臂顶部的偏移量(δx)计算实际的残余应力。

图1   残余应力释放所引起的变形及测量项目

Fig.1   Deformation caused by residual stresses releasing and corresponding measuring items

图2   纵向结构及转动臂的偏移量δx的测量示意图

Fig.2   Schematic illustrations of rotate-structure overall view(a) and enlarged part(b)

1.3 转动结构的有限元分析

采用ANSYS有限元分析软件, 采用8节点平面应变单元Plane82, 材料为各向异性(Ex=138GPa, Ey=120GPa, Gxy=45.5GPa, μ=0.33)。 对颈部区域的网格间距为10μm, 其他部分稀疏。 沿固定臂纵向加载以模拟板带中轧向残余应力, 提取转动臂顶部x方向的偏移量δx以及固定臂应变εx的计算结果。

图3所示为不同参数下偏转量δx与应变εx的有限元模拟计算结果。 偏转量δx可表示为[8]

残余应力的计算公式为

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