铜合金板带分切中的纵向平均残余应力分布规律

Cu2Ni2Si 精密铜合金板带是大规模集成电路引 线框架的理想用材 ,经过二次时效强化和冷变形处理 可以获得高强高导的物理特性[1] ,但同时也会产生板 形[2] ,在板带分切过程中这种情况比较明显[3] 。铜合 金板带中的不良板形会对模具刃口造成受力不均和 扭曲 ,使框架引脚变形 ,严重影响产品质量和生产效 率 。在规范中对板带的表观板形和潜在板形有严格 的控制[3] 。由于板带中轧向残余应力分布与板形有
f ( y) =
λmax λmin
(2)
通过 f ( y) 对优化获得最优的应变片位置 yo 。多
点应变测量中相应的柔度系数矩阵和应变向量为[7] :
C1 ,2 ,3 = [ C1 , C2 , C3 ] T
ε1 ,2 ,3 = [ε1meas ,ε2meas ,ε3meas ] T
(3)
选用 2211 阶 legendre 插值多项式 ,用有限元法计算柔
面上的应力 τxy ,σx 在测点上的应变响应分别为ετ 和
εσ
。在图
1
中测点
1
、2
相对于裂纹对称布置
,对
τ xy
和
σx 的应变响应可分别表示为 :ετ1 = - ετ2 ,εσ1 =εσ2 [10] 。
在有剪应力存在的条件下 ,测点上的应变响应是这两
种应变的线性叠加 。将对称的布置的应变片以不同
形式连接到测量桥臂上形成相加或相减桥路 ,实现
度矩阵[9] ,代入式 2 后得到的优化结果见表 1 。
表 1 不同测点数目下最优测点位置 Table 1 Optimum strain measuring position varied
with number of strain measuring points
Strain measuring points 1 2 3
(1. 西安理工大学机械与精密仪器工程学院 , 陕西 西安 710049 ; 2. 洛阳理工学院机械系 , 河南 洛阳 471039 ; 3. 河南科技大学 , 河南 洛阳 471000 ;
4. 中国洛阳铜加工集团公司检测中心 , 河南 洛阳 471000)
摘 要 : 利用改进的裂纹柔度法对精密铜合金板带轧向残余应力进行了检测 。利用对称组合应变测量的方法实现剪应力与轧 向残余应力的分离 ,分别计算出板带的轧向残余应力和剪应力分布 ,计算结果与板形检测结果取得一致 。结果表明 :板带分切过 程产生的压应力分布区域 ( BC) 在 2. 5 t～4. 7 t ( t2板带厚度) 之间 ,对板形的影响范围 ( B S) 在 5. 3 t～10 t 之间 , B S 对分切工艺参数 变化反应敏感可以作为板带分切质量和冲裁余量的评定参数 。 关键词 :轧向残余应力 ; 剪应力 ; 铜合金板带 ; 裂纹柔度法 中图分类号 : TG11512 ; TG14611 文献标识码 : A 文章编号 : 100926264 (2007) 0520152205
中 , 应变片必须作防水处理 。但两应变片之间的狭 小缝隙一旦被防水胶覆盖 ,线切割加工就难以进行 ; 如果扩大应变片之间的间隙 ,检测灵敏度会急剧下降 而失去检测意义[10] 。一旦防水层外壳有机械破损 , 液体对应变片的侵润将导致数据的严重偏差 。
本试验中的铜合金板带有良好的导热散热条件 , 裂纹加工功率控制在 5W 以内 ,所以可采用压缩空气 冷却 ,通过调整风压使测点区域达到很小的温度梯 度 ,与此同时在各测量应变片旁边加贴一个温度补偿 片 (如图 1 中 1′,2′,3′,4′,5′) ,用于补偿环境温度的 变化 。这样 ,温度对本检测系统的影响仅体现在应变 片与温度补偿片之间的温度梯度上 。经对充分退火 后的试样做切割试验显示 :试样冷却 30s 后 ,距测点 3mm 范围内的热应变小于 1με。实际试验中冷却 60s 以上 。因此组合应变测量方法可以有效的进行温度 补偿 。补偿片除了对温度进行补偿外 ,对残余应力的 应变响应必然影响到检测结果的准确性 。用有限元法 模拟试验条件的计算结果显示 :与主应变响应相比 ,残 余应力释放在温度补偿片上的响应可忽略不计 。
y10 01701 a 01451 a 01500 a
y20
01825 a 01925 a
y30 1107 a
a 为裂纹长度 (见图 1) 。
1. 2 剪应力影响 由于应变测量误差中包括其他应力成分引起的
应变响应 ,试验中应予以排除和分离 。如图 1 所示 ,
对于薄板结构 ,τyz 的影响可忽略不计[9] 。设裂纹表
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材 料 热 处 理 学 报
第 28 卷
2 测试试验
2. 1 试验条件 试验中选用 BE12023AA 应变片 ( 标距 : 1mm) 和
3. Henan University of Science and Technology , Luoyang 471000 , China ; 4. Quality Testing Center , Luoyang Copper ( Group) Co Ltd ,Luoyang 471000 , China) Abstract :The rolling2direction2average residual stress distributions in high accurate copper alloy strip were studied using an improved crack compliance method. The shear stress component was separated from strain data of normal stress relieved by symmetric2combining strain detecting
take to judge the allowance in slitting and punching process. Key words :rolling residual stress ; shear stress ; copper2alloy strip ;crack compliance method
| 5A | | A|
≤
λmax | 5εmeas | λmin | εmeas |
(1)
其中 ,εmeas为应变测量值 ;λmax ,λmin 为矩阵 [ CT C ]的最
பைடு நூலகம்
大和最小特征值 ; C 为柔度系数矩阵 。为使应变测量
误差的传递最小化 ,首先将 x 设为常数 ( x = ±s) ,构
造以 y 为自变量的目标函数
收稿日期 : 2006209220 ; 修订日期 : 2007201229 基金项目 : 国家自然基金资助项目 (50571035) 作者简介 : 张旦闻 (1962 —) ,男 ,博士 ,洛阳理工学院机械系副教 授 ,主 要 研 究 方 向 为 力 学 性 能 , 机 械 设 计 , 电 话 : 0379265620177 , E2mail :lydxzdw @sina. com。
直接对应关系 ,通过优化板带分切中的前后张力控制 可以有效的控制板形[4 ,5] 。但进一步的板形控制与板 带残余应力检测精度有关 。因此研究提高板带残余 应力分布的检测精度具有十分重要的意义 。
Benghini[6] 和 Rankin[7] 用多点应变组合的裂纹柔 度法有效的提高了板带残余应力检测灵敏度 ,但检测 结果受板带中剪应力的影响 ,仅限于板带剪应力较小 的场 合 使 用 。本 文 针 对 精 密 铜 合 金 板 带 ( 厚 度 < 014mm) ,采用对称多点组合应变检测方法对分切后 的 Cu2Ni2Si 精密铜合金板带的轧向残余应力分布作 了检测 ,获得一些对板带轧制 、分切工艺有意义的实 验结果 。
针对上述情况 ,本文采用对称组合应变测量技 术 ,通过改进实验工艺使上述问题得到解决 。 1. 1 应变片位置的优化
如图 1 所示 ,为了获得较高的应变测量灵敏度 , 在采用多点组合应变测量形式的同时 ,应变片中心位 置 ( x , y) 要尽量靠近裂纹边界[10] 。优化的目的就是 在提高灵敏度的同时 ,最大限度的减小测量误差对计 算结果的影响 。应变测量误差在残余应力计算中误 差传递方程为 [ 7 ]
(SCSD) . The shear and rolling residual stress profile along the strip width were calculated , respectively. The result from SCSD has a good agreement compared with the result of the plant form detecting. The compressive residual stress occurs within the range BC = 215 t～417 t ( t is the thickness of plate strip) , and the slitting effecting zone ( B S) is from 5117 t to 1012 t which is sensitive to the slitting procedure and can be
σxy 和σx 的应变响应分离 。
图 1 对称组合应变检测及温度补偿示意图 Fig. 1 Geometry of combined symmetric strain
measuring and temperature compensation
1. 3 试验工艺的改进 试验中 ,为保持温度恒定需要将试样浸在水池
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第5期
张旦闻等 :铜合金板带分切中的纵向平均残余应力分布规律
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1 改进的裂纹柔度法
通常的裂纹柔度法检测原理在文献[ 8 、9 ]中有详 细地说明 。在用于薄板带残余应力检测方面存在以 下问题 。首先 ,应变片只能粘贴在试样表面 ,这样剪 应力的影响就必须加以考虑[9] ;第二 ,裂纹切割中 ,测 点到应力释放点的距离较远 ,势必造成该区域的应变 测量灵敏度降低 、引起较大的计算误差[10] ; 第三 ,防 水涂层产生附加的应力以及由此引起的裂纹切割工 艺问题难以克服[7] 。
第 28卷 第5期 2 0 0 7 年 1 0 月
材 料 热 处 理 学 报
TRANSACTIONS OF MATERIALS AND HEAT TREATMENT
Vol . 2 8 No . 5 October 2 0 0 7
铜合金板带分切中的纵向平均残余应力分布规律
张旦闻1 ,2 , 刘宏昭1 , 刘 平3 , 路俊攀4
Rolling2direction average residual stress distribution in copper2alloy strip slitting process
ZHANG Dan2wen1 ,2 , LIU Hong2zhao1 , LIU Ping3 , LU J un2pan4 (1. Department of Mechanical Engineering , Xi’an University of Technology , Xi’an 710049 ,China ; 2. Department of Mechanical Engineering , Luoyang Institute of Technology , Luoyang 471039 , China ;