塑性成形过程摩擦测试的研究进展 - 文章

塑性成形过程摩擦测试的研究进展

作者：郭正华李志刚黄重九董湘怀

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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。

Sofuoglu对圆环镦粗摩擦测试实验和摩擦系数标定曲线进行了分析，提出一种开式模具反向挤压成形（open-die backward extrusion）摩擦测试方法，以挤压高度来定量评估模具与工件接触表面的摩擦系数。

Wang设计出一种平面应变镦粗时测量摩擦力和流动应力的摩擦测试装置，如图2所示。当工件为平面压缩变形时，其所受双面摩擦力可以传递至测力传感器并测量出来，从而得出平面应变镦粗时的摩擦力。

Pawelski针对一般锻造过程摩擦测试只能用于较小的应变速率的情况，设计出一种适用于高速自由锻非对称变形过程摩擦测试的模拟实验装置。该方法对于估算应变速率高达1000s-1～2000s-1的塑性成形过程摩擦因子具有重要的实际意义。

Ahmed和Le设计出一种拉拔成形过程的摩擦测试实验装置，如图3所示。应变片粘贴在模具固定架和夹头上，用来测量缩口力N和拉拔力F。摩擦系数µ以通过计算式（1）来求得，式中ψ为条带试样和模具在咬合入口处的夹角。

F/N=2（µ+tanψ）（1-µtanψ）（1）

2.2 板料成形时的摩擦测试

到目前为止，板料成形过程模拟试验法摩擦测试主要是以简单的板料弯曲和反弯曲变形模拟复杂的板料成形过程，用一些模拟试验装置来代替板料成形模具，并测量出板料在弯曲反弯曲过程的摩擦力或摩擦系数。

拉力下板料弯曲摩擦测试实验（bending under tension friction test）是一种应用比较广泛在研究板料变形时摩擦学性能的实验，其原理如图4所示。一金属条带状板料在两边张力下以一定的速度成90°拉过圆辊，此时板料在与圆辊接触处发生局部弯曲和反弯曲变形。接触面上的平均摩擦系数µ可以由式（2）求得。

式中，θ为板料和圆滚接触的包角，Fb为弯曲张力。一般情况，Fb与（F2 - F1）相比较小，故可省略。该实验常被用来模拟和研究板料成形过程中板料拉过凸模圆角时的摩擦状态，如Hsu采用该方法进行了凸模圆角摩擦系数的测试实验。

自从Nine于1978年设计出一种模拟拉深筋的摩擦测试实验装置（图5）并进行了拉延筋的摩擦测试以来，人们对拉深筋处的摩擦问题和摩擦测试实验装置展开了研究，并在其基础上做了许多改进。Sanchez与NADDRG（North America Deep Drawing Research Group）建立了类似的实验装置，如图6所示。

实验中，至少需两块相同的板料试样。一块从活动的圆柱辊组中拉过，圆柱辊组通过各自轴承与固定机座相连，由于轴承处的摩擦为滚动摩擦，与滑动摩擦相比较小，可忽略不计。此时，测出的拉力FR和夹紧力FCR为板料拉过圆柱辊组而发生弯曲反弯曲的变形抗力。将另一块试样拉过同一个实验装置，但此时圆柱辊组固定在机座上，不能进行自由滚动，测出的拉力FP和夹紧力FC则既包含板料发生弯曲和反弯曲的变形抗力，同时还包含板料与圆柱辊组之间的滑动摩擦力。摩擦系数µ可以由式（3）求得。

Duncan和Wang等人在标准拉伸实验机设计了模拟胀形的专用摩擦测试实验装置（图7），其中E1和E2为应变计，可以测量出板料不同部位的应变，从而可计算出张力，则摩擦系数µ可以由式（4）得出。

该方法的特点是在滑动过程中允许在壁厚方向发生塑性变形，即厚向变薄。其缺点是在进行测试前要将板料预成形为U形，导致材料内部出现加工硬化，且板料与凸模的包角在实验过程中固定为90°，这与实际板料成形过程中包角发生变化有较大差别，对实验结果的精度会产生一定的影响。

Wang针对上述摩擦测试装置的缺点进行了改进，设计出一种模拟板料胀形时凸模圆角处摩擦状态的实验装置，如图8所示。该装置考虑了润滑的影响，能模拟真实的变形过程和接触条件。实验中板料的变薄和弯曲同时进行，同时板料与凸模的包角在变形过程中可以变化。通过采用旋转圆棒消除弯曲变形对测试的影响，能直接控制和测量出载荷大小和加载行程，并由式（5）计算出摩擦系数µ。

(5)

后来，王先生和康永林等又对该实验装置进行了改进，建立了一套采用液压伺服调节控制压边力和板料万能摩擦测试装置，使该装置能模拟板料胀形和拉深过程，并测量出摩擦系数。

2.3模拟试验法的特点

塑性成形过程摩擦测试方法，从传统机械领域的台架实验发展到模拟成形过程的摩擦测试是很大的发展。各种模拟试验法所得到的结果对于考察和处理相关的成形过程摩擦状态具有重要的指导意义。模拟实验法是否有效，关键在于实验条件与实际塑性形成过程的一致性，即实验条件能模拟真实的塑性成形过程。这包括工件的变形状态、模具与工件的材料、硬度、模具与工件的表面特征、润滑状态等必须尽可能一致。否则，模拟实验的结果就可以与实际塑性成形过程的摩擦状态大相径庭。Gibson等人认为，板料的拉弯试验与拉深之间没有联系，因为拉弯过程没有拉深过程的板料切向收缩的特点。另外，模拟试验法还必须规范实验条件，保证实验的再现性。

3 直接测量法

直接测量法是指通过在模具表面安装传感器，直接测量真实塑性成形过程坯料和模具接触表面的正压力和摩擦力，从而得到摩擦系数的方法。该方法在体积成形和板料成形中得到了广泛的应用。

直接测量法是由Г.Т.万乐仁，B.A.巴柯芬提出的。他们用该方法最早得到了轧制和拉拔时摩擦力沿接触面分布的实验数据。具体做法是：在变形工具中安装两个或3个销钉式测力计，一个垂直于表面，另外一个或两个倾斜一定的角度，如图9所示。

上海交通大学何丹农等对直接测量法进行了研究，开发了基于探针传感器的板料成形摩擦测试系统。该系统能对板料成形过程压料面上的摩擦力及摩擦系数进行测定，并对拉深用润滑剂的润滑效果及其与板料成形工艺参数关系进行分析。

与模拟试验未能，直接测量法的优点在于：能够对真实的而不是模拟的塑性成形过程的摩擦进行测试；不依赖于特定的成形方法和工件特征，对包括体积成形和板料成形过程都适用；不需要假设整个接触面上的摩擦系数相同，能测量单个接触点的摩擦；该方法具有实时性和动态性，能够实现在线测量。其缺点则是：必须在模具表面开设测力计或探针安装孔，有可能改变模具和工件表面的接触状态；由于受尺寸的限制，实际上只能测量有限个点的摩擦。

4 新型探针传感器

作者设计了一种新型的探针传感器，用于测量板料成形过程的摩擦，其工作原理如图10所示。垂直探针和水平探针分别测量出板料成形过程中板料作用在垂直探针上表面的切向力（即摩擦力）T和正压力N，从而可确定摩擦系数µ，却µ=T/N。

作者采用上述新型探针传感器，开发出1套铝合金板料温成形过程摩擦在线检测系统，对真实的铝合金板成形过程中的摩擦力与摩擦系数进行在线检测，并将其运用于铝合金圆筒形过程的摩擦测试。整个板料温成形过程摩擦在线测试系统包括多用途三轴加载板材试验机1台（配备拉压力传感器、光栅尺和伺服控制阀）、DH5935动态应变测试系统1台、实验模具、加热管、加热板和热电偶、温度控制系统1台、自制探针传感器多个、计算机一台（控制、采集和分析）和自制的数据采集和分析软件。铝合金牌号为5182，坯料直径为82mm，厚度为1.4mm，凹模直径为40mm，成形温度为250±5℃，采用恒定液压力压边，其大小约为形成力的10%，未采用润滑剂。成形时，将法兰全部拉入凹模，使其变形为圆筒形件。成形过程的摩擦系数曲线如图11所示（测试采样频率为每秒200次）。从图11中可以看出，在温拉深过程中，随着坯料由法兰部分向凹模口流动，摩擦系数具有逐渐增大的趋势，但整个过程的摩擦系数在0.1～0.2之间。实验结果表明，该探针传感器具有灵敏度高、稳定性好、操作方便等特点。

5 结论

本文介绍了塑性成形过程摩擦测试研究方法和测试技术的研究进展和现状，对模拟试验法和直接测量法各自的特点进行了分析。作者设计出一种新型的探针传感器，并开发出一套铝合金板料温成形过程摩擦在线检测系统，对铝合金板（5182）圆筒形件温成形过程进行了摩擦测试。该实验方法和试验系统为进一步深入研究板料成形过程中的摩擦行为打下了良好的基础，同时该探针传感器也有可能应用于锻造、轧制、挤压等体积成形过程的摩擦测试。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/14/2006)


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