CN102539316A

CN102539316A - 测定镁合金板料塑性成形摩擦系数的方法

Info

Publication number: CN102539316A
Application number: CN2012100460326A
Authority: CN
Inventors: 马新武; 赵国群; 吕良; 何燕玲
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2012-02-27
Filing date: 2012-02-27
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2032-02-27
Also published as: CN102539316B

Abstract

本发明公开了一种测定镁合金板料塑性成形摩擦系数的方法，包括以下步骤：1)在镁合金试件中心加工圆形通孔；2)将镁合金试件放置在试验装置的凹模和压边圈之间并压紧；3)将测试的润滑剂分别均匀地喷涂到凸模和镁合金试件相接触的表面；4)将镁合金试件加热到设定的温度；5)设定若干凸模行程，将凸模以设定的速度拉胀试件，试件变形方式为纯胀形，测量并记录在凸模不同行程处的试件中心圆形通孔直径尺寸值；6)将步骤5)测量的凸模不同行程处的圆形通孔直径尺寸值与摩擦系数标定曲线对照，确定试验测定的摩擦系数值；能够测定镁合金板料在温成形、采用不同滑润剂时的塑性成形摩擦系数值，特别适合于测定金属板材在温成形时的润滑剂摩擦系数。

Description

测定镁合金板料塑性成形摩擦系数的方法

技术领域

本发明涉及金属塑性成形技术领域，尤其涉及一种测定镁合金板料塑性成形摩擦系数的方法。

背景技术

在金属塑性成形中，工件与模具之间有相对的运动，因而存在着摩擦。摩擦的存在，会使塑性加工所需的力、能增加；使模具磨损加剧，降低模具的使用寿命；使工件表面发生粘结、擦伤等现象。在某些场合下，摩擦也起着有益的作用。例如，薄板拉深时，增加凸缘处的摩擦阻力可避免工件起皱；轧制时，轧辊与坯料间要有足够的摩擦力才能使坯料咬入。但多数情况下，摩擦是个不利因素，需要在工件与模具之间使用润滑剂，以减小摩擦。

为了评价塑性成形中不同润滑剂的效果，需要测定工件与模具间的摩擦系数。塑性成形中的摩擦是伴随着变形金属的塑性流动产生的，与机械零件间的摩擦有很大的差别。机械零件间的摩擦系数的测定方法大都是利用库伦定律的概念，即摩擦力的大小与接触面上的法向载荷成正比，比例系数为摩擦系数。中国专利文献CN 1244810C公开了一种金属润滑剂摩擦系数测定装置，由两个液压油缸分别对被测的金属板料施加压力和拉力，通过改变压力、润滑剂和金属板料，可测得不同压力状态下不同金属板料采用不同润滑剂时的摩擦系数。该装置即是采用库仑定律来测量摩擦系数的。

金属塑性成形中摩擦系数测定方法主要有夹钳-轧制法和圆环镦粗法。夹钳-轧制法测定摩擦系数的方法是，在轧制过程中用钳子夹住板材未轧入的部分，钳子的另一端与弹簧测力仪相连，利用轧辊打滑测得的水平拉力，即可确定轧辊与坯料间的摩擦系数。圆环镦粗法是将一定尺寸的圆环试样放在平砧间压缩，由于试样和砧面间接触摩擦系数的不同，圆环的内、外径在压缩过程中将有不同的变化。在任何摩擦情况下，外径总是增大的，而内径则随着摩擦系数而变化，或增大或缩小。通常以内径变化作为衡量摩擦大小的依据。利用塑性理论对圆环变形进行分析，可以求得不同摩擦系数、不同压缩量下圆环内径的变化值。由此可以作出不同摩擦系数条件下，内径随压缩量而变化的一组曲线，即摩擦系数的标定曲线。利用此标定曲线就可方便地求得试样的摩擦系数值。

上述金属塑性成形中摩擦系数的测定方法适用于金属体积成形方式，工件内部受力主要为压应力，并且摩擦系数的测定通常都是在常温条件下进行的。对于镁合金板料，其塑性成形通常都是在一定温度条件下(大约150～300℃)进行的，并且工件内部受力主要为拉应力，成形方式与体积成形不同，显然上述测定摩擦系数的方法并不适用于镁合金板料温成形时摩擦系数的测定。

发明内容

本发明就是为了解决现有方法不适用于测定镁合金板料在一定温度条件下塑性成形摩擦系数的问题；提出了一种测定镁合金板料塑性成形摩擦系数的方法；能够测定镁合金板料在温成形(150～300℃)，采用不同滑润剂时的塑性成形摩擦系数值，特别适合于测定金属板材在温成形时的润滑剂摩擦系数，也适用测定金属板材在常温成形时的润滑剂摩擦系数。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种测定镁合金板料塑性成形摩擦系数的方法，包括以下步骤：

1)在镁合金试件中心加工圆形通孔；

2)将镁合金试件放置在试验装置的凹模和压边圈之间并压紧；

3)将测试的润滑剂分别均匀地喷涂到凸模和镁合金试件相接触的表面；

4)将镁合金试件加热到设定的温度；

5)设定若干凸模行程，将凸模以设定的速度拉胀试件，试件变形方式为纯胀形，测量并记录在凸模不同行程处的试件中心圆形通孔直径尺寸值；

6)将步骤5)测量的凸模不同行程处的圆形通孔直径尺寸值与摩擦系数标定曲线对照，确定试验测定的摩擦系数值。

按照所述步骤重复试验2～3次，将各次测得的摩擦系数值求平均值，作为凸模和试件之间的摩擦系数值。

所述步骤2)的压边圈外边缘设有一圈压边筋凹槽，凹模外边缘相应位置设有一圈压边筋凸台，所述凹模和压边圈之间通过螺栓连接，依靠螺栓预紧力的作用，凹模和压边圈将镁合金试样在外边缘处压制出一圈压边筋。

所述步骤6)的摩擦系数标定曲线是采用有限元数值模拟的方法绘制。

所述有限元数值模拟的方法包括以下步骤：

I)按照试验装置和镁合金试件尺寸建立有限元数值模拟分析模型；

II)采用不同的摩擦系数对镁合金试件塑性成形过程进行模拟；

III)根据模拟结果，绘制不同摩擦系数时，镁合金试件中心圆形通孔直径尺寸随凸模行程的变化曲线。

所述步骤1)镁合金试件中心圆形通孔直径尺寸为10mm。

所述镁合金试件板料为AZ31B，厚度0.6mm，润滑剂为MoS₂喷剂，试验温度为250℃，凸模行程分别为15mm，25mm，33mm。

所述试验装置放置在加热箱内，所述加热箱的加热温度范围从室温到300℃。

本发明的工作原理：将中心带有圆形通孔的镁合金试样放置在试验装置的凹模和压边圈之间，凹模和压边圈之间通过螺栓连接，压边圈外边缘设有一圈压边筋凹槽，凹模外边缘相应位置设有一圈压边筋凸台，依靠螺栓预紧力的作用，凹模和压边圈将镁合金试样在外边缘处压制出一圈压边筋，压边筋可以阻止镁合金试样在变形过程中外缘的材料流入凹模孔内，保证测试过程中镁合金试样变形为纯胀形。将要测试的润滑剂均匀喷涂在凸模的半球形端面上以及镁合金试样与凸模接触的一面上。将试验装置和镁合金试样加热到设定的温度。调整凸模的位置，使之与镁合金试样接触。凸模以一定的速度拉胀镁合金试样，试样在变形过程中，试样中心圆形通孔的直径尺寸会随着凸模行程的增加而不断增大。凸模行程一定的情况下，试样中心圆形通孔直径尺寸的增加量与凸模和试样间的摩擦系数有一定的关系。凸模和试样间的摩擦系数越大，凸模对试件的摩擦阻力就越大，摩擦阻力会阻止试样中心圆形通孔周围材料的流动，因此试样中心圆形通孔直径尺寸的增加量就会减小。显然，凸模行程一定的情况下，凸模和试样间的摩擦系数越小，试件中心圆形通孔直径的尺寸值越大，相反，摩擦系数越大，试件中心圆形通孔直径的尺寸值越小。因此，可以根据测量试件胀形过程中圆形通孔直径尺寸值来间接确定凸模和试样间的摩擦系数。

要想根据胀形过程中试件圆形通孔直径尺寸确定凸模和试样间的摩擦系数，必需有一组摩擦系数标定曲线、即在不同的摩擦系数时试件中心圆形通孔直径尺寸值随凸模行程的变化曲线。本发明采用有限元数值模拟的方法确定镁合金板料塑性成形摩擦系数标定曲线。采用有限元法来模拟镁合金试件的塑性变形过程，从而可以得到不同摩擦系数下的，试件中心圆形通孔直径尺寸值随凸模行程的变化曲线。采用有限元数值模拟的方法确定摩擦系数标定曲线的步骤是：首先建立有限元模拟模型，包括材料模型、摩擦模型、几何模型等，然后对镁合金试件在不同摩擦条件下的塑性变形过程进行有限元模拟，在每一次有限元模拟时，设置不同的摩擦系数，最后根据有限元模拟的结果，绘制不同摩擦系数时，试件中心圆形通孔直径尺寸值随凸模行程的变化曲线。确定了镁合金摩擦系数标定曲线后，测定镁合金板料塑性成形摩擦系数的步骤是：在镁合金板料试件中心加工一圆形孔洞；将镁合金试件放置在凹模和压边圈之间，采用刚性压边方式在试件外边缘压制一圈压边筋；将测试的润滑剂均匀地喷涂到凸模和试件表面；将镁合金试样加热到设定的温度；凸模以一定的速度对试件进行拉胀成形，选取凸模行程中的几个行程点测量并记录试件中心的圆形通孔直径尺寸；将记录的行程点和圆形通孔直径尺寸与摩擦系数标定曲线对照，从而确定凸模和试样间的摩擦系数；重复试验2～3次，将求得的摩擦系数求平均值，将平均值作为凸模和试样间的摩擦系数。

本发明的有益效果：能够测定镁合金板料在温成形(150～300℃)，采用不同滑润剂时的塑性成形摩擦系数值，特别适合于测定金属板材在温成形时的润滑剂摩擦系数，也适用测定金属板材在常温成形时的润滑剂摩擦系数。

附图说明

图1.测定镁合金塑性成形摩擦系数的拉胀试验示意图；

图2为图1的A处局部放大图；

图3.镁合金试件塑性成形有限元数值模拟几何模型；

图4.镁合金塑性成形摩擦系数标定曲线；

图5.镁合金试样摩擦系数的标定；

图中，1、凸模，2、压边圈，3、压边筋，4、凹模，5、镁合金试件，6、中心轴。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

实施例1，测定镁合金板料塑性成形摩擦系数的方法，如图1至图5所示，具体包括以下步骤：1)在镁合金试件5中心加工圆形通孔；2)将镁合金试件5放置在试验装置的凹模4和压边圈2之间并压紧；3)将测试的润滑剂分别均匀地喷涂到凸模1和镁合金试件5相接触的表面；4)将镁合金试件5加热到设定的温度；5)设定若干凸模行程，将凸模1以设定的速度拉胀试件，镁合金试件变形方式为纯胀形，测量并记录在凸模1不同行程处的镁合金试件5中心圆形通孔直径尺寸值；6)将步骤5)测量的凸模1不同行程处的圆形通孔直径尺寸值与摩擦系数标定曲线对照，确定试验测定的摩擦系数值。镁合金试件5中心圆形通孔直径为10mm，压边圈2外边缘加工一圈压边筋的凹槽，凹模4的外边缘加工一圈压边筋的凸台，镁合金试件5放置在压边圈2和凹模4之间，压边圈2和凹模4通过螺栓连接，通过旋紧螺栓产生的预紧力在镁合金试件的外边缘压制出一圈压边筋3，压边筋3的作用是阻止试验过程中试件边缘的材料流入凹模4孔内，保证试件的变形方式为纯胀形。将要测试的润滑剂均匀地喷涂在凸模1的半球形端面以及镁合金试件5与凸模1相接触的那一面上。为了保证试验过程中，试件的温度恒定不变，试验装置放置在一个加热箱内，加热箱能加热的温度范围从室温到300℃可调节。将镁合金试件5和试验装置加热到设定温度后，启动试验，凸模1以一定的速度向上运动，使镁合金试件发生塑性变形。选择镁合金试件断裂之前的几处行程，测量并记录每一行程处的镁合金试件中心圆形通孔的直径尺寸值，对照摩擦系数标定曲线，即可确定当前设定温度下的镁合金板料塑性成形摩擦系数。

采用有限元方法模拟试验过程中试件的塑性变形情况，图3为根据试验装置和镁合金试件尺寸建立的有限元分析几何模型。所述有限元数值模拟的方法包括以下步骤：1)按照试验装置和镁合金试件尺寸建立有限元数值模拟分析模型；2)采用不同的摩擦系数对镁合金试件塑性成形过程进行模拟；3)根据模拟结果，绘制不同摩擦系数时，镁合金试件中心圆形通孔直径尺寸随凸模行程的变化曲线。由于镁合金试件以中心轴6为轴对称变形，所以只需要建立二分之一模型，可以减少数值模拟时间。试件共划分2000个矩形网格单元，试件最右侧边界节点(压边筋处)施加水平方向位移约束条件。采用建立的有限元模型，分别模拟摩擦系数为0，0.02，0.04，0.06，0.08，0.1，0.15时，凸模行程为40mm时的镁合金试件塑性变形过程。根据模拟的结果绘制不同摩擦条件下的试件中心圆形通孔直径尺寸值随凸模行程的变化曲线，最后绘制的镁合金摩擦系数标定曲线如图4所示，其中横坐标为凸模的行程，纵坐标为试件中心圆形通孔的直径尺寸。将不同行程时测得的中心圆形通孔直径值绘制到镁合金摩擦系数标定曲线上，如图5所示，对照摩擦系数标定曲线可以得到采用润滑后的镁合金试样的摩擦系数。

实施例2，测定镁合金板料塑性成形摩擦系数的方法，要测试的镁合金试件5板料为AZ31B，厚度0.6mm，润滑剂为MoS₂喷剂，试验温度为250℃，镁合金试件5中心圆形通孔直径为10mm，测得凸模行程为15，25，33mm时的圆形通孔直径分别为12.6，14.4，15.6mm。将不同行程时测得的中心圆形通孔直径值绘制到镁合金摩擦系数标定曲线上，如图5所示，对照摩擦系数标定曲线可以得到采用MoS₂润滑后的镁合金试件5的摩擦系数为0.03。具体步骤参照实施例1，在此不再赘述。

上述虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.一种测定镁合金板料塑性成形摩擦系数的方法，其特征是，包括以下步骤：

1)在镁合金试件中心加工圆形通孔；

4)将镁合金试件加热到设定的温度；

2.如权利要求1所述的测定镁合金板料塑性成形摩擦系数的方法，其特征是，按照所述步骤重复试验2～3次，将各次测得的摩擦系数值求平均值，作为凸模和试件之间的摩擦系数值。

3.如权利要求1所述的测定镁合金板料塑性成形摩擦系数的方法，其特征是，所述步骤2)的压边圈外边缘设有一圈压边筋凹槽，凹模外边缘相应位置设有一圈压边筋凸台，所述凹模和压边圈之间通过螺栓连接，依靠螺栓预紧力的作用，凹模和压边圈将镁合金试样在外边缘处压制出一圈压边筋。

4.如权利要求1所述的测定镁合金板料塑性成形摩擦系数的方法，其特征是，所述步骤6)的摩擦系数标定曲线是采用有限元数值模拟的方法绘制。

5.如权利要求4所述的测定镁合金板料塑性成形摩擦系数的方法，其特征是，所述有限元数值模拟的方法包括以下步骤：

6.如权利要求1所述的测定镁合金板料塑性成形摩擦系数的方法，其特征是，所述步骤1)镁合金试件中心圆形通孔直径尺寸为10mm。

7.如权利要求6所述的测定镁合金板料塑性成形摩擦系数的方法，其特征是，所述镁合金试件板料为AZ31B，厚度0.6mm，润滑剂为MoS₂喷剂，试验温度为250℃，凸模行程分别为15mm，25mm，33mm。

8.如权利要求1所述的测定镁合金板料塑性成形摩擦系数的方法，其特征是，所述试验装置放置在加热箱内，所述加热箱的加热温度范围从室温到300℃。