辊压工艺参数对平板和套筒金属橡胶动态力学性能的影响.pdf

14MATERIALSFORMECHANICAL ENGINEERINGVol.47No.6Jun._20232023年6 月第47 卷第6 期2023机械工程材料D0I:10.11973/jxgccl202306003辊压工艺参数对平板和套筒金属橡胶动态力学性能的影响熊赞玲子，邹路明，李昂熙，薛新（福州大学机械工程及自动化学院，金属橡胶与振动噪声研究所，福州3 50 116）摘要：采用不同参数的辊压成形工艺制备平板和套筒金属橡胶试样，与冲压成形平板金属橡胶试样进行形貌与动态力学性能对比分析，并研究了辊压工艺参数对试样动态力学性能的影响。结果表明：相比于冲压成形，辊压成形平板金属橡胶试样的结构均匀且金属丝间勾连效果更好，损耗因子和动刚度更小；辊压平板金属橡胶试样的损耗因子随辊压转速的增大而增大，随压下率和进料角度的增大而减小，动刚度随压下率和辊压转速的增大而增大，随进料角度的增大而减小；辊压套筒金属橡胶试样的动刚度随激振频率、激振振幅和预紧间距的增大而减小，损耗因子随激振频率和激振振幅的增大而减小，随预紧间距的增大而增大。关键词：金属橡胶；辊压成形；动态力学性能中图分类号：O345，T G 3 3 5.8 1文献标志码：A文章编号：10 0 0-3 7 3 8（2 0 2 3)0 6-0 0 14-0 6Effect of Rolling Process Parameters on Dynamic Mechanical Properties ofFlat and Sleeve Metal RubberXIONG Yunlingzi,ZOU Luming,LI Angxi,XUE Xin(School of Mechanical Engineering and Automation,Institute of Metal Rubber and Vibration Noise,Fuzhou University,Fuzhou 350116,China)Abstract:Flat and sleeve metal rubber specimens were prepared by rolling forming with different processparameters.The morphology and dynamic mechanical properties of the rolled flat specimen were analyzed andcompared with those of the stamped flat metal rubber,and the effect of rolling process parameter on the dynamicmechanical properties of the specimens was studied.The results show that compared with those by stampingforming,the structure of the rolled flat metal rubber specimen was uniform,the effect of metal wire hooking wasbetter,and the loss factor and dynamic stiffness were lower.The loss factor of the rolled flat metal rubber specimenincreased with the increase of rolling speed,and decreased with the increase of reduction rate and feeding angle,while the dynamic stiffness increased with the increase of reduction rate and rolling speed,and decreased with theincrease of feeding angle.The dynamic stiffness of the rolled sleeve metal rubber specimen decreased with theincrease of excitation frequency,excitation amplitude,and preload distance,while the loss factor decreased with theincrease of excitation frequency and excitation amplitude,and increased with the increase of preload distance.Key words:metal rubber;rolling forming;dynamic mechanical property0引 言收稿日期：2 0 2 2-0 5-14；修订日期：2 0 2 3-0 5-11基金项目：国家自然科学基金资助项目（12 2 7 2 0 9 4，52 17 516 2）；国防科技创新特区项目（XXX-033-01)；福建省自然科学基金资助项目（2 0 2 2 J01541）作者简介：熊赞玲子（19 9 7 一），女，贵州贵阳人，硕士研究生通信作者（导师）：薛新教授金属橡胶是一种将金属丝按一定规则编织缠绕制成毛坏后冷冲压成形的均匀弹性多孔材料。金属橡胶具有橡胶特性，且由于其完全由金属丝构成，因此还具有耐高温、耐腐蚀、耐辐照等传统橡胶材料所不具备的特点，在航空热端部件的减振降噪领域具15MATERIALSFOR MECHANICALENGINEERING熊赞玲子，筒金属橡胶动态力学性能的影响2023机械工程材料有重要的应用潜力，有关其阻尼性能 1-8 和动态力学性能 9-13 已有大量研究报道。目前金属橡胶的成形工艺主要采用冷冲压或梯度冲压 14-16 。传统冲压工艺能够满足一般尺寸要求金属橡胶的加工，但对于大尺寸平板类或大长径比薄壁套筒类等特殊形状尺寸的金属橡胶，冲压设备难以提供足够且精准的成形压力，容易出现生产效率低、成形质量差、成品力学性能不理想、废品率高和寿命短等问题。近年，陆续有学者研究了薄壁类金属橡胶辊压成形的相关成形设备和制备方法 17-18 1,部分学者发现利用辊压成形制备的连续金属螺旋卷具有更好的阻尼性能和力学性能 19-0 。O作者分别采用不同参数的冲压和辊压成形工艺制备平板和套筒金属橡胶试样，提出金属橡胶动态阻尼性能表征方法，研究了不同制备方法和工艺参数对2种金属橡胶试样显微组织和动态力学性能的影响。研究结果可为优化金属橡胶制备工艺，促进金属橡胶材料在减振领域的应用提供一定的理论与试验依据。1试样制备与试验方法1.1试样制备试验材料为3 0 4不锈钢金属丝，其直径为0.3mm，密度为7.9 3 gcm-3,硬度小于2 0 0 HV,抗拉强度大于52 0 MPa。使用绕丝机将金属丝绕制成螺旋卷，螺旋卷的直径和螺距均为3 mm。使用自主研发的数控自动金属丝网毛坏缠绕设备将绕制的螺旋卷进行等螺距拉伸，使螺旋卷间可以更好地勾连，再在工装上进行45方向缠绕，得到金属橡胶毛坏。先采用冲压成形工艺制备平板金属橡胶试样。将金属橡胶毛坏放入模具中进行冷冲压成形，最大成形压力为2 5.5kN，冲压速度为5mmmin-1，制备得到的冲压平板金属橡胶试样的尺寸为60 mmX60 mmX4 mm。采用辊压成形工艺制备平板和套筒金属橡胶试样，辊压工艺如图1所示。将金属橡胶毛坏放人100T型自动化辊压机，通过上、下轧辊对毛坏施加对称作用力，使毛坏产生塑性变形，工艺参数见表1，制备得到平板金属橡胶试样。将覆盖金属橡胶毛坏的芯棒固定在自主研发的自动化辊压机上，通过限位块限制毛坏的位移，动辊由电机带动旋转，升降结构压迫芯轴向下移动直至接触定辊，工艺参数见表2，制备得到套筒金属橡胶试样。辊压平板金属橡胶试样的尺寸为6 0 mm60mm4mm，辊压套筒金属橡胶试样的内径为50 mm，外径为60 mm,高度为 6 2 mm。动辊毛坏芯棒毛坏轧辊定辊(a)平板金属橡胶(b)套筒金属橡胶图1平板和套筒金属橡胶辊压工艺示意Fig.1Diagram of flat(a)and sleeve(b)metal rubber by rolling process表1平板金属橡胶试样辊压成形工艺参数Table 1Rolling forming parameters of flat metalrubber specimen组别压下率/%进料方向/（）辊压转速/(rmin-l)A120,35,5090150A2200,45,90150A32090150,300,4501.2试验方法使用扫描电子显微镜（SEM）观察金属橡胶试样的形貌。使用SDS-200型高低温动静材料试验表2套筒金属橡胶试样辊压成形工艺参数Table2Rolling forming parameters of sleeve metalrubber specimen组别激振振幅/mm激振频率/Hz预紧间距/mmB10.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.633B20.51,2,3,4,53B30.532,3,4机进行室温动态力学性能试验，对金属橡胶试样施加频率为1Hz、振幅为0.6 mm的正弦位移激励，通过试验机的数据采集系统记录力和位移信号，绘制16MATERIALSFORMECHANICALENGINEERING熊玲子，等：辊压工艺参数对平板和套筒金属橡胶动态力学性能的影响机械工程材料恢复力-位移曲线。对恢复力-位移曲线进行积分，曲线包围的面积即为耗能 W。根据恢复力-位移曲线计算储能W、损耗因子和动刚度K，计算公式如下W=FmaxX。/2(1)AW(2)2元WK=(Fmax一Fmin)/(2X。)(3)式中：Fmax为恢复力最大值；Fmin为恢复力最小值；X。为振幅。2试验结果与讨论2.1冲压和辊压平板试样的形貌和性能由图2 可见，冲压成形平板金属橡胶试样的表面不平整，分层现象明显，成形不完全。这是由于冲压引人的大多是纵向力，金属丝之间的摩擦力和位移较小，因此会出现较多勾连强度低的圆弧平面两侧线接触，造成分层。辊压成形平板金属橡胶试样的结构均匀且金属丝间勾连效果更好，这是由于辊压解决了引人应力不均匀的问题，在横向力的作用下金属丝之间的摩擦力和位移较大，因此会出现勾连强度较好的圆弧内外两侧线接触 2 1-2 由图3 可见，冲压和辊压成形平板金属橡胶试样的滞回曲线不重合，冲压平板试样滞回曲线包围的面积略大于辊压平板试样，说明冲压平板试样的耗能更大。辊压平板试样的损耗因子略低于冲压平板试样，动刚度则明显低于冲压平板试样，这是由于冲压平板试样中金属丝的空间结构为径向受载的微弹簧结构，其刚度大于辊压平板试样中轴向受载的微弹簧结构。1mm1mm(a)冲压(b)压图2 冲压和辊压成形平板金属橡胶试样的形貌Fig.2 Morphology of flat metal rubber specimen prepared by stamping(a)and rolling(b)process0.25元0.8损耗因子2.0动刚度0.60.200.41.5上国0.20.150.0一冲压1.00.20.10一辊压-0.40.50.05-0.6-0.80.000.0-0.60.4-0.200.2 0.40.6辊压冲压位移/mm(a)滞回曲线(b）损耗因子和动刚度图3不同工艺制备平板金属橡胶试样的动态力学性能Fig.3 Dynamic mechanical properties of flat metal rubber specimen prepared by different processes:(a)hysteresis curve and(b)loss factor and dynamic stiffness2.2辊压参数对平板试样动态力学性能的影响2.2.1压下率的影响由图4可见，辊压平板试样的耗能、储能和损耗因子均随压下率的增大而降低。这是因为随着压下率的增大，轧制力逐渐增大，螺旋卷之间的接触面积减小，所产生的摩擦力也随之减少，所以储能、耗能和损耗因子均降低。平板金属橡胶试样的动刚度随压下率的增大而增大。这是因为随着压下率的增大，辊压道次减少，螺旋卷发生较大角度转动的次数减少，所以动刚度增大。2.2.2进料方向的影响由图5可见：当进料角度为0 时，辊压平板试样17MATERIALSFOR MECHANICAL ENGINEERING熊玲子，参数对平板和套筒金属橡胶动态力学性能的影响2023机械工程材料70.240.1721.300.230.170一耗能0.23损耗因子中1.25(G-uu.N)/储能0.168动刚度0.220.221.20子0.166P/上国0.1641.150.210.210.1621.100.200.200.1601.050.190.1580.19工0.1561.000.18203550203550压下率/%压下率/%(a)耗能和储能（b）损耗因子和动刚度图4辊压平板金属橡胶试样动态力学性能随压下率的变化Fig.4 Variation of dynamic mechanical properties with reduction rate of rolled flat metal rubber specimen:(a)energy consumption andenergy storage and(b)loss factor and dynamic stiffness0.1721.30.170-损耗因子-动刚度1.2G-uuND/mz0.1680.1660.1641.10.1621.00.1600.1580.90.1560.1540.80.15204590进料角度/()图5辊压平板金属橡胶试样动态力学性能随进料角度的变化Fig.5Variation of dynamic mechanical properties withfeeding angle of rolled flat metal rubber specimen的损耗因子和动刚度均最大，动态力学性能较好，这是因为该角度下螺旋卷之间的贴合更紧密，接触点数量增加；当进料角度为9 0 时，试样的损耗因子和动刚度均最小，这是因为该角度下线圈间的接触点减少，螺旋卷趋于分离，2.2.3辊压转速的影响由图6 可见，辊压平板试样的损耗因子和动刚度均随辊压转速的增大而增大。这是因为辊压转速越小，毛坏在两辊之间受到挤压的时间越长，螺旋卷1.30.174损耗因子1.20.172Gr-uu.N)/动刚度0.1701.10.1681.00.1660.90.1640.80.1620.1600.7150225300375450辊压转速/(rmin-)图6辊压平板金属橡胶试样动态力学性能随辊压转速的变化Fig,6Variation of dynamic mechanical properties withrolling speed of rolled flat metal rubber specimen的间隙越大，导致接触点减少，损耗因子减小；辊压转速减小，试样中悬臂梁与水平面之间的夹角变小，导致动刚度减小。2.3辊压参数对套筒试样动态力学性能的影响2.3.1激振振幅的影响由表3 可见，在相同激振频率下，随着激振振幅的增大，辊压套筒试样的损耗因子和动刚度减小，耗能和储能增大。这是因为激振振幅增加使试样内金属丝的位移增大，接触面的滑动摩擦力增大，导致耗能增大；由于金属橡胶具有明显的非线性渐硬化特性，其最大恢复力与振幅成正比，因此储能增大，并且储能的增大速率大于耗能，因此损耗因子减小表3不同激振振幅下辊压套筒金属橡胶试样的动态力学性能Table 3Dynamic mechanical properties of rolled sleevemetal rubber specimen under different excitation amplitudes激振振幅/耗能/储能/动刚度/损耗因子mmKJKJ(kNmm=1)0.10.09760.062.50.248512.49500.20.31040.198.50.248810.44150.30.29670.19810.238410.41900.40.58560.40210.23189.431 50.51.29571.03740.19889.08030.61.66971.49290.178.09.12572.3.2激振频率的影响由图7 可见：当激振频率为12 Hz，尤其是1Hz时，辊压套筒试样的滞回曲线所覆盖的面积明显大于其他激振频率下；当激振频率为3 5Hz时，试样的滞回曲线几乎重合。这说明试样的耗能随激振频率的增大先减小后趋于稳定。随着激振频率的增加，试样的损耗因子和动刚度减小，最终趋于稳18MATERIALSFORMECHANICAL ENGINEERING熊赞玲子，等辊压工艺参数对平板和套筒金属橡胶动态力学性能的影响2023机械工程材料定。激振频率的增加使试样内部螺旋卷的空间位置来不及完全恢复，导致试样内部的相对摩擦力不足，从而降低损耗因子；同时使试样之间的干摩擦转化为动摩擦，动刚度减小。60.24-1Hz9.442Hz0.23-3 Hz损耗因子(r-wuL.NPD/动刚度9.324Hz0.22-5Hz9.200.21-29.10.20-49.00.19-68.9-0.6-0.4-0.200.20.40.612345位移/mm激振频率/Hz(a)滞回曲线(b）损耗因子和动刚度图7激振频率对辊压套筒金属橡胶试样动态力学性能的影响Fig.7 Effect of excitation frequency on dynamic mechanical properties of rolled sleeve metal rubber specimen:(a)hysteresis curves and(b)loss factor and dynamic stiffness2.3.3预紧间距的影响由图8 可知，随着预紧间距的增大，辊压套筒试样的恢复力减小，滞回曲线的面积减小，说明金属橡胶的耗能随预紧间距的增大而减小。15+2 mm3mm10-4mm50-5-10-15-0.6-0.4-0.200.20.40.6位移/mm图8不同预紧间距下辊压套筒金属橡胶试样的滞回曲线Fig.8Hysteresis curves of rolled sleeve metal rubberspecimen under different preload distances由表4可知，随预紧间距的增大，辊压套筒试样的耗能、储能和动刚度均减小，损耗因子增大。这是因为预紧间距的增大使金属丝间的接触不充分，干摩擦减小，耗能和储能降低，并且耗能降低速率小于储能，因此损耗因子增大。表4不同预紧间距下辊压套筒金属橡胶试样的动态力学性能Table 4 Dynamic mechanical properties of rolled sleevemetal rubber specimen under different preload distances预紧间距/耗能/储能/动刚度/损耗因子mmKJkJ(kNmm-1)23.55983.333 80.169927.545131.34661.110.20.19309.324.240.35040.22610.24661.82353结论（1）冲压平板金属橡胶试样表面不平整，分层现象明显，辊压平板金属橡胶试样结构均匀且金属丝间勾连效果更好；辊压平板金属橡胶试样的损耗因子和动刚度均低于冲压平板金属橡胶试样，其中动刚度的降低尤其显著。（2）辊压平板金属橡胶试样的损耗因子随辊压转速的增大而增大，随压下率和进料角度的增大而减小；动刚度随压下率和辊压转速的增大而增大，随进料角度的增大而减小。（3）辊压套筒金属橡胶试样的动刚度随激振频率、激振振幅和预紧间距的增大而减小；损耗因子随激振频率和激振振幅的增大而减小，随预紧间距的增大而增大。参考文献：1任子林，赵旭，薛新，等.金属橡胶阻尼环的剪切力学特性及密度相关性 J.机械工程材料，2 0 2 1，45（11）：55-6 1.REN Z L,ZHAO X,XUE X,et al.Shear mechanicalcharacteristics and density dependence of annular metal rubberdamperJJ.Materials for Mechanical Engineering,2021,45(11):55-61.2郝慧荣，白鸿柏，张慧杰.非圆截面丝金属橡胶与普通金属橡胶阻尼性能比较 J.机械科学与技术，2 0 0 9,2 8（2）：2 10-2 13.HAO H R,BAI H B,ZHANG H J.Comparison of dampingcapacities between non-circular 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