CN102944513B - 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 PDFInfo
- Publication number
- CN102944513B CN102944513B CN201210481242.8A CN201210481242A CN102944513B CN 102944513 B CN102944513 B CN 102944513B CN 201210481242 A CN201210481242 A CN 201210481242A CN 102944513 B CN102944513 B CN 102944513B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- upsetting
- workpiece
- upsetting formation
- formation
- friction factor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 50
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 30
- 239000002184 metal Substances 0.000 title claims abstract description 30
- 239000007769 metal material Substances 0.000 claims abstract description 19
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 11
- 238000009864 tensile test Methods 0.000 claims abstract description 8
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 52
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims description 10
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 10
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims description 7
- 238000005482 strain hardening Methods 0.000 claims description 6
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 5
- 239000000314 lubricant Substances 0.000 claims description 4
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 6
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 abstract 1
- 238000005461 lubrication Methods 0.000 abstract 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 abstract 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 11
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 6
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 241001515806 Stictis Species 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 1
- 230000005764 inhibitory process Effects 0.000 description 1
- 230000001050 lubricating effect Effects 0.000 description 1
- 238000003913 materials processing Methods 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 229910052705 radium Inorganic materials 0.000 description 1
- HCWPIIXVSYCSAN-UHFFFAOYSA-N radium atom Chemical compound [Ra] HCWPIIXVSYCSAN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007306 turnover Effects 0.000 description 1
Landscapes
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
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
技术领域
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
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。
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。
金属塑性成形中的摩擦因子m的定义式为m=τ/K，其中，τ为摩擦切应力，K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。
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。
2004年，R. Ebrahimi和A. Najafizadeh在《Journal of Materials Processing Technology》杂志第152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： ，其中，H为变形后圆柱高度，ΔH为圆柱高度变形量，ΔR为变形后圆柱最大半径（鼓胀处）与最小半径（接触处）之差，R为变形后圆柱平均半径；R采用公式计算，其中，R 0为圆柱初始半径，H 0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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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n；
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H 0；
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H 0/2时停止压缩，在压缩过程中镦粗成形工件的应变率在0.001～0.02/s范围内；
6) 测量镦粗后工件的几何尺寸，包括：高度H，两端平面直径D c1和D c2，鼓胀最大处直径D m；
7) 计算镦粗后工件的鼓胀系数β=(D m－D c1/2－D c2/2)/H；
8) 基于试验测得的待测金属材料的应变强化系数n和镦粗后工件的鼓胀系数β，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m：
，
式中，，。
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
图1是待镦粗圆柱形工件的三维示意图。
图2是待镦粗圆柱形工件的二维示意图。
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。
图4是镦粗后工件的三维示意图。
图5是镦粗后工件的二维示意图。
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
以下通过一个实例进一步说明本发明。
如图1～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n=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1的实际高度H 0=2.01mm；
4) 将待镦粗圆柱形工件1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0.01mm/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1mm（H 0/2）时停止压缩，在压缩过程中镦粗成形工件3的应变率为0.005/s（在0.001～0.02/s范围内）；
6) 测量镦粗后工件5的几何尺寸：高度H=1.00mm，两端平面直径D c1=2.72mm，D c2=2.71mm，鼓胀最大处直径D m=2.87mm；
7) 计算镦粗后工件5的鼓胀系数β=(D m－D c1/2－D c2/2)/H=0.155；
8) 基于试验测得的待测金属材料的应变强化系数n=0.242和镦粗后工件5的鼓胀系数β=0.155，代入以下公式：
，
式中，，，
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m=0.154。
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n；
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H 0；
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H 0/2时停止压缩，在压缩过程中镦粗成形工件的应变率在0.001～0.02/s范围内；
6) 测量镦粗后工件的几何尺寸，包括：高度H，两端平面直径D c1和D c2，鼓胀最大处直径D m；
7) 计算镦粗后工件的鼓胀系数β=(D m－D c1/2－D c2/2)/H；
8) 基于试验测得的待测金属材料的应变强化系数n和镦粗后工件的鼓胀系数β，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m：
，
式中，，。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201210481242.8A CN102944513B (zh) | 2012-11-23 | 2012-11-23 | 一种金属塑性成形中的摩擦因子测算方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201210481242.8A CN102944513B (zh) | 2012-11-23 | 2012-11-23 | 一种金属塑性成形中的摩擦因子测算方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN102944513A CN102944513A (zh) | 2013-02-27 |
| CN102944513B true CN102944513B (zh) | 2014-09-17 |
Family
ID=47727475
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201210481242.8A Expired - Fee Related CN102944513B (zh) | 2012-11-23 | 2012-11-23 | 一种金属塑性成形中的摩擦因子测算方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN102944513B (zh) |
Families Citing this family (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103278445B (zh) * | 2013-04-19 | 2015-02-04 | 重庆大学 | 塑性成形摩擦系数与摩擦因子的正挤压测试方法 |
| CN103612415B (zh) * | 2013-11-29 | 2015-04-08 | 重庆大学 | 一种热塑性成形摩擦特性参数的测试装置与测试方法 |
| CN103760099B (zh) * | 2014-01-22 | 2015-09-23 | 上海交通大学 | 冷锻摩擦与润滑条件的定量测试方法 |
| CN103743892B (zh) * | 2014-01-22 | 2015-08-19 | 上海交通大学 | 润滑效果快速检测方法 |
| CN104181100A (zh) * | 2014-08-26 | 2014-12-03 | 上海交通大学 | 热锻摩擦因子的镦挤变形测试方法 |
| CN106370593B (zh) * | 2016-08-30 | 2019-02-05 | 上海交通大学 | 面向复杂大变形的摩擦因子测定方法 |
| CN108240963B (zh) * | 2016-12-23 | 2020-06-12 | 宝武特种冶金有限公司 | 一种使用热力模拟机测量摩擦系数的方法 |
| CN107520584B (zh) * | 2017-09-15 | 2020-03-24 | 中国原子能科学研究院 | 异形金属构筑成形方法 |
| CN110180982B (zh) * | 2019-07-10 | 2020-12-29 | 哈尔滨工业大学 | 一种模具温度高于坯料温度的热成形方法 |
| CN111229841A (zh) * | 2020-01-13 | 2020-06-05 | 中国科学院金属研究所 | 一种高温轧制过程摩擦系数测试方法 |
| CN113406139B (zh) * | 2021-06-10 | 2022-09-16 | 上海交通大学 | 塑性成形中坯料与模具界面的接触传热系数测量方法 |
| CN115032142B (zh) * | 2022-06-02 | 2024-09-13 | 中国航发北京航空材料研究院 | 一种利用热压缩实验测量高温摩擦因子的方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1174835A1 (ru) * | 1984-01-09 | 1985-08-23 | Mo I Stali I Splavov | "cпocoб oпpeдeлehия koэффициehta tpehия" |
| JP2010202476A (ja) * | 2009-03-05 | 2010-09-16 | Hoya Corp | プレス成形型の離型膜の良否判定方法および光学素子の製造方法 |
| CN102539315A (zh) * | 2011-12-25 | 2012-07-04 | 上海工程技术大学 | 一种快速准确确定金属塑性成形过程摩擦系数的方法 |
-
2012
- 2012-11-23 CN CN201210481242.8A patent/CN102944513B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1174835A1 (ru) * | 1984-01-09 | 1985-08-23 | Mo I Stali I Splavov | "cпocoб oпpeдeлehия koэффициehta tpehия" |
| JP2010202476A (ja) * | 2009-03-05 | 2010-09-16 | Hoya Corp | プレス成形型の離型膜の良否判定方法および光学素子の製造方法 |
| CN102539315A (zh) * | 2011-12-25 | 2012-07-04 | 上海工程技术大学 | 一种快速准确确定金属塑性成形过程摩擦系数的方法 |
Non-Patent Citations (6)
| Title |
|---|
| Evaluation of Friction Coefficient by Simulation in Bulk Metal Forming Process;Y.P. LI;《METALLURGICAL AND MATERIALS TRANSACTIONS A》;20091029(第41A期);224-232 * |
| Y.P. LI.Evaluation of Friction Coefficient by Simulation in Bulk Metal Forming Process.《METALLURGICAL AND MATERIALS TRANSACTIONS A》.2009,(第41A期),224-232. |
| 圆环镦粗法测摩擦因子用标定曲线的公式表达;许树勤;《塑性工程学报》;20020930;第9卷(第3期);25-27 * |
| 许树勤.圆环镦粗法测摩擦因子用标定曲线的公式表达.《塑性工程学报》.2002,第9卷(第3期),25-27. |
| 许树勤.镦粗试验中鼓度与摩擦的相关性研究.《锻压技术》.2004,(第5期),46-48. |
| 镦粗试验中鼓度与摩擦的相关性研究;许树勤;《锻压技术》;20041031(第5期);46-48 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102944513A (zh) | 2013-02-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102944513B (zh) | 一种金属塑性成形中的摩擦因子测算方法 | |
| Han et al. | Investigation on contact parameters in cold rotary forging using a 3D FE method | |
| Wei et al. | Investigation on the influence of springback on precision of symmetric-cone-like parts in sheet metal incremental forming process | |
| LANG et al. | Pre-bulging effect during sheet hydroforming process of aluminum alloy box with unequal height and flat bottom | |
| CN103278445B (zh) | 塑性成形摩擦系数与摩擦因子的正挤压测试方法 | |
| CN111753453A (zh) | 一种高强度钢模锻件成形工艺的高精度模拟方法 | |
| ZHU et al. | Sensitivity of springback and section deformation to process parameters in rotary draw bending of thin-walled rectangular H96 brass tube | |
| Zhou et al. | The multi-objective optimization design of a new closed extrusion forging technology for a steering knuckle with long rod and fork | |
| CN103612415A (zh) | 一种热塑性成形摩擦特性参数的测试装置与测试方法 | |
| Huang et al. | Analysis of elliptical cup drawing process of stainless sheet metal | |
| CN102759505B (zh) | 中厚板材料压缩试验辅助装置及流动应力曲线测定方法 | |
| Wang et al. | Modeling of on-line measurement for rolling the rings with blank size errors in vertical hot ring rolling process | |
| Abdullah et al. | Numerical investigation of geometrical defect in cold forging of an AUV blade pin head | |
| Sun et al. | Processing animation simulation and FEM analysis of multi-stage cold forging of stainless automotive battery fastener | |
| CN109926456B (zh) | 一种混合润滑状态下的轧制力预报方法 | |
| Firat et al. | A FE technique to improve the accuracy of drawbead models and verification with channel drawing experiments of a high-strength steel | |
| Yang et al. | Effects of parameters on rotational fine blanking of helical gears | |
| Masoumi et al. | Effect of mandrel, its clearance and pressure die on tube bending process via rotary draw bending method | |
| CN201776303U (zh) | 一种管材挤压实验装置 | |
| Zha et al. | Experimental research of incremental sheet forming based on fastened pre-tensioning | |
| CN107052212B (zh) | 多腔类构件多向加载成形加载路径的确定方法 | |
| Zhao et al. | Study on simulation and experiment of micro sheet metal forming | |
| CN111027243B (zh) | 一种基于数值模拟的等温挤压能耗影响因素分析方法 | |
| Xi et al. | Research for cylindricity prediction model of inner-hole honing | |
| Liu | The Analysis Research of Affected Factors of Spinning Force |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20140917 Termination date: 20181123 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |