CN103278445A - 塑性成形摩擦系数与摩擦因子的正挤压测试方法 - Google Patents

Abstract

一种塑性成形摩擦系数与摩擦因子的正挤压测试方法，包括以下步骤：1）用待测材料制作拉伸试样，在待测温度下测得屈服应力Y；2）用与待测模具相同材料制作锥角θ，大、小端口部直径为D₀和D的锥形模具；3）用待测材料制作直径d的圆柱体试样，d在D₀与D之间；4）在材料试验机上以恒定速度将涂抹润滑剂的试样在锥形模具中向下挤压，记录挤压载荷F趋于稳定时的数值；5）利用本发明所公开的公式计算摩擦系数和摩擦因子；6）重复测试3～5次，取平均值作为结果。本发明无需测量试样变形后几何形状，无压缩失稳等异常变形，试样加工简单、不需理论校准曲线，测试精度高、操作方便、效率高，可用于各种温度、速度条件下的测试。

Description

塑性成形摩擦系数与摩擦因子的正挤压测试方法

技术领域

本发明属于金属塑性成形领域，尤其涉及一种塑性成形摩擦系数与摩擦因子的测试方法。

背景技术

金属塑性成形时，工件与模具接触并在受到很大压力的条件下发生变形，在工件和模具的接触面之间始终存在着阻止材料流动的摩擦。通常，摩擦对塑性成形有很大的负面影响，如造成模具磨损以及工件擦伤、变形抗力增大，另外还改变变形体内应力状态、产生残余应力等。实践中，常在工具和变形金属的接触面上采用润滑措施，即涂敷一定的润滑剂以减小摩擦的影响。由于成形过程中金属不断变形、摩擦面不断变化，而且接触面上的压强和温度通常很高，因此塑性成形的摩擦与润滑问题十分复杂，迄今对摩擦机理及其影响因素、理论分析方法等问题的认识仍有待深入。

目前，分析塑性成形摩擦的常用理论模型主要有库伦模型和常摩擦力模型两种。

（1）库伦模型不考虑接触面上的粘合现象，认为摩擦力与接触面上的正压力成正比：

f=μN

式中，f为摩擦力，N为正压力，μ为摩擦系数。

（2）常摩擦力模型认为接触面上的摩擦切应力f与被加工金属的剪切屈服强度K成正比：

f=mK

式中，m为摩擦因子，K为剪切屈服强度，是与材料有关的常数。

评价塑性加工中不同润滑剂的使用效果，主要就是比较使用后μ和m的大小。目前测定μ或m的实验方法有：

（1）镦粗法。包括对圆环或圆柱形坯料进行镦粗的测试方法，不需测定成形力，属于间接测试方法。其中，圆环镦粗法通过测量圆环镦粗变形时的内孔变化，然后与理论校准曲线进行对比得到摩擦系数，目前应用较广。但镦粗时坯料断面会出现鼓形或环孔出现椭圆等不均匀的变形，造成测量误差大、测试精度低，此外还需要预先绘制理论校准曲线。

中国专利（申请号201210481242.8）提出了一种利用圆柱坯料镦粗的测试方法，通过测量坯料镦粗出现的鼓形尺寸，利用相应公式得到摩擦因子。但只考虑鼓形的最大直径，未考虑鼓形具体形状的差异，同时因圆柱坯料上、下平面的平行度难以保证以及摩擦的不均匀性，镦粗时坯料容易失稳，使得测量误差较大。

（2）夹钳轧制法。其核心是通过纵轧时的力平衡条件来测定摩擦系数，即求得相应正应力下的摩擦力，然后直接利用库仑模型求出摩擦系数。但该方法需要专用纵轧设备，同时测得水平方向拉力以及轧辊的垂直压力。由于轧辊附近变形区的形状复杂，加之轧辊的垂直压力测试困难，因此测试精度也难以保证。

（3）楔形件压缩法。此法在倾斜的平锤头间压缩楔型试件使之产生塑性变形，然后根据试件的变形情况确定摩擦系数，其实质与轧制过程以及平锤下的镦粗相似。该方法存在的主要问题，是难以准确确定中立面位置以及精确测定数据，因此实际应用较少。

鉴于现有塑性成形摩擦系数（因子）测量方法存在的误差大、操作不便等问题，有必要寻找一种能够获得较高测试精度，且容易实现的μ和m测试方法。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种塑性成形摩擦系数与摩擦因子的正挤压测试方法，不仅能获得较高的测试精度，而且简单易行。

本发明的基本原理是：

将一个圆柱体金属坯料在具有锥形模孔形状的模具上进行正向挤压时，坯料会产生塑性变形且直径减小，在锥形模孔处形成一个稳定塑性变形区。当坯料底端挤出塑性变形区后挤压载荷将保持稳定，所述稳定的挤压载荷大小取决于坯料的屈服强度、塑性变形区的几何尺寸以及坯料与模具接触面的摩擦大小。利用塑性理论中的主应力方法，可建立摩擦系数（因子）与挤压载荷、材料屈服强度、塑性变形区几何尺寸之间的定量关系式。基于此关系式，当通过物理实验已知挤压载荷、材料屈服强度以及塑性变形区几何尺寸时，就可以计算得到摩擦系数μ和摩擦因子m的数值。

本发明解决其技术问题的方案是，提供一种金属塑性成形摩擦系数与摩擦因子的正挤压测试方法，所述方法包括以下步骤：

1）根据金属材料拉伸试验标准，用待测金属材料制作拉伸试样，并在待测的温度下测得材料的屈服应力Y；

2）用与待测模具相同的材料制作锥角为θ，大端口部直径为D₀、小端口部直径为D的锥形模具，所述锥角θ在10～80°范围之间；

3）用待测金属材料制作直径为d、高度H为（2～3）d的圆柱体试样，所述d的数值在D₀与D之间；

4）在试样上均匀涂抹待测润滑剂，然后在万能材料试验机上以0.1～2mm/s之间的某一恒定速度将试样在锥形模具内向下推挤，实时读取设备显示的挤压载荷，当载荷数值趋于稳定时，记录此时的载荷值F；

5）利用本发明所公开的公式，计算得到摩擦系数μ和摩擦因子m：

$\mathrm{\μ}=\frac{2F\tan \mathrm{\θ}}{{\mathrm{\πd}}^2(1+{\tan }^2\mathrm{\θ})Y\ln \frac{d}{D}}-\frac{\tan \mathrm{\θ}}{1+{\tan }^2\mathrm{\θ}}---\left(1\right)$

$m=\frac{2\sqrt{3}F\tan \mathrm{\θ}}{{\mathrm{\πd}}^2(1+{\tan }^2\mathrm{\θ})Y\ln \frac{d}{D}}-\frac{\sqrt{3}\tan \mathrm{\θ}}{(1+{\tan }^2\mathrm{\θ})}---\left(2\right)$

6）重复测试3～5次，计算每次实验的μ和m，并取平均值作为测试结果。

本发明的有益效果是，本发明提出的塑性成形过程摩擦系数和摩擦因子的正挤压测试方法，直接根据挤压载荷F、材料屈服应力Y、试样的实际直径d与锥形模具几何尺寸数据θ和D计算得出摩擦系数（因子），无需通过测量试样变形后几何形状来间接得到μ和m，也无压缩失稳等影响测量精度的异常变形，试样加工简单且不需严格要求每根试样直径的一致性，不需制备许多压头和试件以及理论校准曲线，从而大大提高了试验结果的可靠性和精度，操作方便、测试效率高，可用于测定各种温度、速度条件下的摩擦系数（因子）。

附图说明

图1为圆柱体试样在锥形凹模中挤压变形的示意图。图中，1—试样；2—锥形凹模。

具体实施方式

下面以测定AZ31镁合金200℃下热塑性成形和1100铝合金室温下塑性成形过程的摩擦系数和摩擦因子为例，说明本发明的具体实施方式。

实施例中，锥形凹模的模具材料为T10A，1100和AZ31圆柱体坯料的直径d为18mm，高度H为40mm，锥形凹模的锥角θ取30°，小端口部直径D为16mm。

（1）测定200℃下AZ31镁合金热成形过程的摩擦系数μ和摩擦因子m

1）采用金属材料高温拉伸试验标准（GB/T4338-1995），用待测AZ31材料制作拉伸试验试样，在200℃温度条件下测得材料的屈服应力Y。本例中，Y实测值为105MPa；

2）采用T10A材料制作锥角θ为30°、大端口部直径D₀为25mm、小端口部直径D为16mm的锥形模具；

3）用AZ31制作圆柱体试样，测量并记录每根试样的直径数据d；

4）在试样上均匀涂抹待测润滑剂，在万能材料试验机上以0.1mm/s的恒定速度将试样在锥形模具内向下挤压，读取设备的挤压载荷。当载荷F趋于稳定时，记录数值为10KN；

5）利用公式（1）、（2），计算μ和m；

6）重复测试3次，得到每次的μ和m，取平均值作为测试结果。本例中，摩擦系数μ为0.2，摩擦因子m为0.35。

（2）测定室温下1100铝合金塑性成形的摩擦系数μ和摩擦因子m

1）采用金属材料室温拉伸试验方法（GB/T228-2002），用1100铝合金材料制作拉伸试验试样，在室温下测得材料的屈服应力Y。本例的测试值为Y=15MPa；

2）采用T10A材料制作锥形模具，尺寸如前；

3）用1100铝合金材料制作圆柱体试样，尺寸如前；

4）在圆柱体试样上均匀涂抹待测润滑剂，在万能材料试验机上以1mm/s的恒定速度将试样在锥形模具内向下挤压，读取设备的挤压载荷，当载荷F趋于稳定时，记录数值为1.4KN；

5）利用公式（1）、（2），计算μ和m：

6）重复测试3次，得到每次的μ和m，取平均值作为测试结果。本例中，摩擦系数μ为0.26，摩擦因子m为0.45。

利用塑性有限元方法对上述挤压过程进行数值模拟，在相同摩擦系数μ和摩擦因子m的情况下，数值模拟计算的挤压载荷与物理实验的挤压载荷测试值误差在2%以内，说明本方法测试得到的摩擦系数（因子）具有很高的精度。

Claims (1)

1.一种塑性成形摩擦系数与摩擦因子的正挤压测试方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1）根据金属材料拉伸试验标准，用待测金属材料制作拉伸试样，并在待测的温度下测得材料的屈服应力Y；

2）用与待测模具相同的材料制作锥角为θ，大端口部直径为D₀、小端口部直径为D的锥形模具，所述锥角θ在10～80°范围之间；

3）用待测金属材料制作直径为d、高度H为（2～3）d的圆柱体试样，所述d的数值在D₀与D之间；

4）在试样上均匀涂抹待测润滑剂，然后在万能材料试验机上以0.1～2mm/s之间的某一恒定速度将试样在锥形模具内向下推挤，实时读取设备显示的挤压载荷，当载荷数值趋于稳定时，记录此时的载荷值F；

5）利用本发明所公开的公式，计算得到摩擦系数μ和摩擦因子m：

$\mathrm{\μ}=\frac{2F\tan \mathrm{\θ}}{{\mathrm{\πd}}^2(1+{\tan }^2\mathrm{\θ})Y\ln \frac{d}{D}}-\frac{\tan \mathrm{\θ}}{1+{\tan }^2\mathrm{\θ}}$

$m=\frac{2\sqrt{3}F\tan \mathrm{\θ}}{{\mathrm{\πd}}^2(1+{\tan }^2\mathrm{\θ})Y\ln \frac{d}{D}}-\frac{\sqrt{3}\tan \mathrm{\θ}}{(1+{\tan }^2\mathrm{\θ})}$

6）重复测试3～5次，计算每次实验的μ和m，取平均值作为测试结果。

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