塑性成形过程摩擦测试的研究进展 -

原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-07-02 原文发表时间:2007-07-03 人气:1

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1 前言

金属塑性成形是通过工模具将外力施加到工件上，利用工件的塑性，使其尺寸形状达到预定要求的加工工艺。模具与工件表面之间或是存在着机械的相对运动，或是存在变形金属的塑性流动，因此不可避免地存在着摩擦。塑性成形过程的摩擦与一般机械中的摩擦相比，有着一些固有特性，主要表现在：

1）在产生摩擦过程中，作为摩擦副之一的变形工件，在外载荷的作用下连续地发生塑性变形，并且经常是大塑性变形，因此常称为塑性摩擦。塑性摩擦应力的大小与金属的变形过程有关，同时，伴随塑性流动出现的摩擦应力反过来又对金属变形产生很大影响；
2）由于工件产生塑性变形，使工件与模具表面接触的程度不断增加，氧化膜破裂和内部新鲜金属向表面转移的概率也增加，这使得塑性成形过程中出现分子啮合力；
3）在摩擦接触面上存在很大的正压力，此正压力在很多情况下远远大于被加工金属的屈服极限；
4）塑性成形过程中金属产生的高温严重地影响润滑膜的形成和性能。

摩擦对塑性成形过程有着极其重要的影响。对塑性成形过程中摩擦与润滑现象缺乏深刻的认识，经常导致出现以下问题：

1）不良的摩擦与润滑状态，容易造成塑性成形过程中出现产品尺寸超差、表面质量达不到要求、塑性变形不足等缺陷；

2）塑性成形过程有限元分析中接触和摩擦边界条件的不准确，将造成模拟分析结果与生产实际上不一致，严重影响了有限元分析技术在塑性成形中的应；

3）模具与工件之间的剧烈磨损，使模具过早失效，降低了模具的使用寿命，大大增加了生产成本。因此，为了合理控制和利用摩擦，优化模具及工艺设计，提高产品质量，降低不合格率，延长模具使用寿命，为今后从摩擦学角度来进行模具及工艺设计提供依据，有必要对塑性成形过程中的摩擦进行测试和研究。

2 模拟试验法

塑性成形过程中的摩擦受诸多因素的影响，包括变形方式、金属的化学成分、模具的表面粗糙度、变形速度、单位面积上载荷的大小和变形温度等等。因此，要找出一种适用于各种成形工况的摩擦测试方法是非常困难的。模拟试验法针对不同的成形工艺，设计出与成形过程相近似的模拟试验装置，对该成形过程的摩擦进行测试，因而得到了比较广泛的运用。各国学者在这方面做了大量的研究工作。

2.1体积成形时的摩擦测试

C.И.古勃金于1934年提出一种锥形镦头镦粗法。И.Я.塔尔诺夫斯基于1954年提出一种楔形试件镦粗法。在20世纪50年代人们提出了一种圆环镦粗法进行摩擦测试。该方法是把一定尺寸的圆环试件放在平镦头间进行镦粗，利用一环件内径的变化作为摩擦力和摩擦系数的指标。当摩擦系数很小时，所有的金属沿径向从中心向外流动，环件内径增大，随着摩擦系数的增加，变形特征发生变化，一部分金属向外流动，而另外一部分金属向中方向移动。从而在理论分析和实验的基础上，得出摩擦系数标定图表，以确定不同实验时的摩擦系数。Male对圆环镦粗法进行了大量的研究，得出摩擦系数在干摩擦及固体润滑状态下有随应变速率的增加而增大的趋势。同时，他还研究了该方法在典型塑性成形过程中的实用性、有效性和真实性。

其它曾广泛运用于体积成形，包括锻造、轧制、拉拔和挤压过程的模拟试验摩擦测试法，如锻造中的鼓度法、压力法、带剪切变形的镦粗法、修正压延法；轧制中的最大咬合角法、条材强迫制动法、扭矩法、组合法、极限压缩法、前前滑法、压力法；拉拔中的旋压拉模法、分段拉模法、拉拔力法和挤压中的挤压力法、双测力计法。限于篇幅，本文只重点介绍塑性成形过程的摩擦测试的一些新的成果。

Petersen对圆环镦粗摩擦测试中圆环的形状进行了改进，设计出一种凹腰形的圆环，如图1所示，图中尺寸关系为A:B:C:D=6:4:3:2。在较低的正向载荷的作用下，对该环件进行镦粗，并采用有限元方法获得摩擦系数确定图表。