CN102944513A - 一种金属塑性成形中的摩擦因子测算方法 - Google Patents

一种金属塑性成形中的摩擦因子测算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种金属塑性成形中的摩擦因子测算方法。先通过标准金属材料拉伸试验,获得待测金属材料的力学特性参数;将圆柱形工件镦粗压缩变形,测量工件变形前后的几何数据;综合力学参数及镦粗几何数据,计算得到镦粗成形模具和镦粗成形工件之间的摩擦因子。本发明提供了一种考虑材料特性的方便准确的测算方法,避免了使用曲线对比等方法带来的不便和偏差。该技术主要针对金属成形中的摩擦及润滑条件的评估,在金属成形加工技术中具有重要的应用价值。

Description

一种金属塑性成形中的摩擦因子测算方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种摩擦因子测算方法,尤其涉及一种金属塑性成形中的摩擦因子测算方法。
背景技术
[0002] 在金属塑性成形过程中,工件与模具之间的接触摩擦普遍存在。例如在金属镦粗、挤压、压印、拉拔等典型塑性成形工艺过程中,力能消耗、变形特性和规律、模具磨损、成形产品质量和生产效率等,都和接触摩擦条件密切相关,并受其显著影响。因此,研究金属塑性成形过程中摩擦问题具有重要的意义。
[0003] 接触摩擦的本质极为复杂,尽管已经过几个世纪的研究,接触摩擦的机理仍不明确。在金属塑性成形过程中,接触面不同位置的摩擦因子并非一致,且在成形过程中也具有 时变特征。可见,严格意义上,接触摩擦在空间上和时间上都非定值,但在理论计算和实际生产中一般都假设接触面各位置的摩擦因子相同且不随时间改变。所谓金属塑性成形中的摩擦因子,可以认为是金属塑性成形过程中的平均摩擦因子。
[0004] 金属塑性成形中的摩擦因子的定义式为其中,τ为摩擦切应力I为工件金属的剪切屈服强度。在金属塑性成形中,摩擦因子不易直接测量,常见的测算方法主要有圆环压缩法、双杯挤压法及圆柱镦粗法。其中,圆柱镦粗法所利用的基本原理是:圆柱工件在镦粗变形时在接触摩擦的作用会发生侧面鼓胀现象,并且,摩擦越大鼓胀越明显,因此,圆柱鼓胀程度反映了接触摩擦因子的大小。
[0005] 尽管定性上接触摩擦因子与圆柱鼓胀程度存在着正相关关系,但定量上尚缺少一种精确的计算方法可以根据圆柱鼓胀程度方便地计算出接触摩擦因子。一般可采用理论迭代计算方法、有限元模拟或大量实验的方法,得出一组曲线,再将圆柱镦粗鼓胀测量实验结果与曲线对比,大致估计出接触摩擦因子。由于不可能针对所有材料和所有摩擦因子的情况制作曲线,给这种方法带来了不便和误差。
[0006] 2 0 0 4 年,R. Ebrahimi 和 k · Najafizadeh 在《Journalοf Materials Processing Technology)) 杂志 第 15 2 卷第 136-143页提出了一种摩擦因子与圆柱镦粗鼓胀的关系模型:
m = ΊR. M f 0 R. hH - 2H. Μΐ),实中,#为变形后圆柱高度,为圆柱高度变形量,
Δ7Ρ为变形后圆柱最大半径(鼓胀处)与最小半径(接触处)之差,为变形后圆柱平均半径;
采用公式i? = R9 · '/H0/H计算,其中,怂为圆柱初始半径,怂为圆柱初始高度。该测算方
法基于圆柱镦粗前后的几何测量数据和简单的计算得到摩擦因子,方法简单方便,然而,该测算方法没有考虑材料不同的影响,而且该方法得到的摩擦因子与实际误差颇大,误差的主要来源有:a)该方法基于圆柱镦粗过程的上限法近似求解,在模型推导中存在大量的数学近似;b)该方法基于的物理模型只考虑了鼓胀效应,忽略了翻叠效应,而翻叠效应对于成形件的端面半径影响颇大。[0007] 可见,基于圆柱镦粗的摩擦因子测算方法当前主要存在的问题有:
(1) 一般没有能够考虑到金属材料不同所造成的影响;
(2)测算方法在方便性和准确性上一般不能同时满足要求。
[0008] 为了开发一种实用的金属塑性成形中的摩擦因子测算方法,能够基于圆柱镦粗成形鼓胀轮廓的基本几何数据,方便准确地测算出摩擦因子,进而促进金属塑性成形理论与工艺技术的发展,对于现有的圆柱镦粗测算摩擦因子的方法进行改进是十分必要的。
发明内容
[0009] 本发明的目的在于提供一种基于圆柱镦粗法的金属塑性成形摩擦因子测算方法。先通过标准金属材料拉伸试验,获得被测工件材料的力学特性参数;将圆柱工件镦粗压缩
变形,测量工件变形前后的几何数据;综合力学参数及镦粗几何数据,通过本发明所公开的公式计算,可获得金属塑性成形中的摩擦因子。
[0010] 本发明的基本原理是:
圆柱压缩时,如果接触表面没有摩擦,圆柱压缩变形后仍然为圆柱形。但摩擦普遍存在,由于接触表面摩擦的阻碍作用,使表面层的水平流动速度小于中心层,因而导致出现侧面鼓胀。从能量的角度来解释,金属塑性变形过程中材料的流动趋向于耗能较小的方式,产生侧面鼓胀可以使得接触面相对滑动减少,减小了摩擦阻耗,另一方面,鼓胀使得材料变形程度增大,变形阻耗增大,因此,鼓胀程度也受到了限制。可见,圆柱形金属镦粗成形中鼓胀现象的产生以及鼓胀程度的大小,可以看作是摩擦阻耗和变形阻耗的共同作用结果。
[0011] 由于接触摩擦的复杂性以及应力分布的不均匀性,塑性成形过程几乎不可能得到完全解,常采用上限法求出近似解。在一定近似假设条件下,圆柱金属镦粗鼓胀也可得到简洁的近似解,然而该方法未考虑镦粗过程中的翻叠现象,也未考虑材料影响因素,因此误差较大。
[0012] 考虑到塑性成形问题的复杂性,可通过有限元仿真模拟出多种参数情况下的圆柱镦粗变形,通过对于模拟结果的分析、比较和建模,可以获得圆柱金属镦粗鼓胀轮廓参数与接触面摩擦因子的关系式。本发明基于此关系式,设计了基于圆柱镦粗法的金属塑性成形摩擦因子测算方法。
[0013] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种金属塑性成形中的摩擦因子测算方法,该方法包括以下各步骤:
1)采用待测金属材料制作拉伸试验试样,采用标准金属材料拉伸试验方法,测得待测金属材料的应变强化系数;
2)采用待测模具材料制作镦粗成形模具,包括镦粗成形上模和镦粗成形下模,将镦粗成形模具安装在万能材料试验机上,在镦粗成形模具上涂覆待测润滑剂;
3)采用待测金属材料制作高度和直径相等的待镦粗圆柱形工件,并测得待镦粗圆柱形工件的实际高度怂;
4)将待镦粗圆柱形工件作为镦粗成形工件,并且平放在镦粗成形下模的中心位置;
5)进行镦粗成形试验:控制镦粗成形上模以恒定进给速度向下移动并压缩镦粗成形工件,当镦粗成形工件的高度减小至怂/2时停止压缩,在压缩过程中镦粗成形工件的应变率在O. 001〜O. 02/s范围内;6)测量镦粗后工件的几何尺寸,包括:高度仏两端平面直径和,鼓胀最大处直径Al ;
7)计算镦粗后工件的鼓胀系数β 二 (JK— DJ2 — DJ2) /H ;
8)基于试验测得的待测金属材料的应变强化系数和镦粗后工件的鼓胀系数卢,通过以下公式计算得到镦粗成形模具和镦粗成形工件之间的摩擦因子《 : 式中,
Figure CN102944513AD00051
[0014] 本发明具有的有益效果是:
本发明公开了一种基于圆柱镦粗法的金属塑性成形摩擦因子测算方法,提供了一种考虑材料特性的方便准确的测算方法,避免了使用曲线对比等方法带来的不便和偏差。该技术主要针对金属成形中的摩擦及润滑条件的评估,在金属成形加工技术中具有重要的应用价值。
附图说明
[0015] 图I是待镦粗圆柱形工件的三维示意图。
[0016] 图2是待缴粗圆柱形工件的二维示意图。
[0017] 图3是镦粗成形试验中的镦粗成形模具及镦粗成形工件示意图。
[0018] 图4是缴粗后工件的二维不意图。
[0019] 图5是镦粗后工件的二维示意图。
[0020] 图中:1.待镦粗圆柱形工件,2.镦粗成形上模,3.镦粗成形工件,4.镦粗成形下模,5.镦粗后工件。
具体实施方式
[0021] 以下通过一个实例进一步说明本发明。
[0022] 如图I〜图5所示,本发明所述的一种金属塑性成形中的摩擦因子测算方法,该方法包括以下各步骤:
1)采用待测金属材料(铝合金1100)制作拉伸试验试样,采用标准金属材料拉伸试验方法,测得待测金属材料的应变强化系数/7=0. 242 ;
2)采用待测模具材料(钢H13)制作镦粗成形模具,包括镦粗成形上模2和镦粗成形下模4,将镦粗成形模具安装在万能材料试验机上,在镦粗成形模具上涂覆待测润滑剂(石墨润滑剂);
3)采用待测金属材料(铝合金1100)制作高度和直径均为2mm的待镦粗圆柱形工件1,并测得待镦粗圆柱形工件I的实际高度怂=2. Olmm ;
4)将待镦粗圆柱形工件I作为镦粗成形工件3,并且平放在镦粗成形下模4的中心位
置;
5)进行镦粗成形试验:控制镦粗成形上模2以恒定进给速度O. 01mm/s向下移动并压缩镦粗成形工件3,当镦粗成形工件3的高度减小至Imm (怂/2)时停止压缩,在压缩过程中镦粗成形工件3的应变率为O. 005/s (在O. OOl〜O. 02/s范围内);6)测量镦粗后工件5的几何尺寸:高度V=LOOmm,两端平面直径1=2. 72mm,Dc2二2. 71mm,鼓胀最大处直径久=2. 87mm ;
7)计算镦粗后工件5的鼓胀系数β = Φα— DJ2 — DJ2) /H=Q. 155 ;
8)基于试验测得的待测金属材料的应变强化系数/7=0. 242和镦粗后工件5的鼓胀系数卢=0. 155,代入以下公式:
2,8 = I- cxp[-(ln2· fc)"],
式中,6 = 0.057+1.816.所0427 -0.208·« - c =1.305 + 1.254-(I-m)Jl91 ■ K02i9 ,
可以计算得到镦粗成形模具(包括镦粗成形上模2和镦粗成形下模4)和镦粗成形工件3之间的摩擦因子》=0. 154。
[0023] 以上所述仅为本发明的一个实施实例,本发明的保护范围并不以上述实施方式为限。凡本领域技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化,皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (1)

1. 一种金属塑性成形中的摩擦因子测算方法,其特征在于,该方法包括以下各步骤: 1)采用待测金属材料制作拉伸试验试样,采用标准金属材料拉伸试验方法,测得待测金属材料的应变强化系数; 2)采用待测模具材料制作镦粗成形模具,包括镦粗成形上模和镦粗成形下模,将镦粗成形模具安装在万能材料试验机上,在镦粗成形模具上涂覆待测润滑剂; 3)采用待测金属材料制作高度和直径相等的待镦粗圆柱形工件,并测得待镦粗圆柱形工件的实际高度怂; 4)将待镦粗圆柱形工件作为镦粗成形工件,并且平放在镦粗成形下模的中心位置; 5)进行镦粗成形试验:控制镦粗成形上模以恒定进给速度向下移动并压缩镦粗成形工件,当镦粗成形工件的高度减小至怂/2时停止压缩,在压缩过程中镦粗成形工件的应变 率在O. OOl〜O. 02/s范围内; 6)测量镦粗后工件的几何尺寸,包括:高度仏两端平面直径和丛2,鼓胀最大处直径Al ; 7)计算镦粗后工件的鼓胀系数β 二 (JK— DJ2 — DJ2) /H ; 8)基于试验测得的待测金属材料的应变强化系数和镦粗后工件的鼓胀系数卢,通过以下公式计算得到镦粗成形模具和镦粗成形工件之间的摩擦因子《 : IP = I - c:q>[-( lii I ■ b Ϋ:], 式中,= 0.057+1.816. m0'427 -(1208. w , c = 1.305 +1,254- (I- w)3'791 ■ η0259。
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