CN103760099A - 冷锻摩擦与润滑条件的定量测试方法 - Google Patents

Abstract

一种塑性成形中模具与工件之间的摩擦条件测定领域的冷锻摩擦与润滑条件的定量测试方法，首先将待测工件材料加工成外侧带有凸台的圆环结构，该结构的尺寸比例为：外径/内径/高度/外凸台高度/外凸台宽度之比为6/3/2/0.4/0.4；然后进行润滑处理；再将该待测工件材料于平面模具中进行压缩变形，并控制工件材料高度的相对缩减量在30%-50%以内；依据计算所得工件材料压缩变形前后的外凸台外径的相对变化量与高度的相对缩减量查询摩擦因子标定曲线，以确定润滑处理后待测工件材料与模具接触面的摩擦因子；本发明避免了传统圆环镦粗法中由内孔不稳定变形导致的变形后测量困难与摩擦因子测定的不确定性，有效提高摩擦因子测定的准确性。

Description

冷锻摩擦与润滑条件的定量测试方法

技术领域

本发明涉及的是一种塑性成形中模具与工件之间的摩擦条件测定技术领域的方法，具体是一种冷锻摩擦与润滑条件的定量测试方法。

背景技术

冷锻模具与工件的接触表面存在着变形金属的塑性流动使得摩擦产生，摩擦本身是一种非常复杂的物理现象，而冷锻塑性变形过程中不断形成的新生表面更是增加了其摩擦与润滑状态的复杂性。摩擦与润滑条件作为冷锻工艺过程的重要边界条件，直接影响金属的塑性流动与变形均匀性、成形力的大小与能量消耗、成形件的内部结构与表面质量，以及模具使用寿命等。因此，正确理解摩擦与润滑机理、合理利用摩擦效应与优选相关润滑剂，对于冷锻工艺的顺利实施与冷锻件的批量生产具有重要意义。

圆环镦粗法通过测量镦粗前后的圆环内径与高度，计算内径与高度的相对变化量，然后查询标定曲线获得具体摩擦系数或摩擦因子。因此，变形前后圆环试样尺寸测量的准确性直接影响摩擦因子的测定准确性，从而影响实际摩擦与润滑条件的评价结果。但是，圆环镦粗过程中的鼓形效应,低摩擦时内径向外鼓，高摩擦时内径向内鼓，如图1所示，增加了关键尺寸准确测量的难度，尤其是变形后的内径；为了较准确地测量内径变化，往往需要利用投影仪与求面积仪等工具或其他复杂手段进行测量。此外，实际实验中，变形后塑性失稳的圆环内孔纵截面轮廓形状不稳定且存在多种可能性，进一步增加了摩擦因子测定的不确定性。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN102539315，公开日2012.07.04，记载了一种能快速准确确定金属在塑性成形过程中摩擦系数的方法。该方法做n组圆环镦粗实验：做第1组，每组3个试样，圆环试样的尺寸比例取外径∶内径∶高度＝3∶2∶1，压下率在50%以下，测量试样变形后的内径、外径及高度，每一尺寸从三个不同方向测量取其均值，计算3个试样的平均内径、外径及高度；计算中性层半径；计算摩擦因子m；然后借助有限元模拟计算结果调整摩擦因子，获得该组实验对应的最佳摩擦因子；必要时，采用多组取平均的方法获得更为准确的摩擦因子。该方法虽然采用了与常用圆环镦粗比例不同的圆环试样，但是并未改变圆环镦粗的变形实质，依然存在“鼓形效应”导致变形后的内径、外径测量的不确定性，从而导致后续摩擦因子计算的不确定性。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种冷锻摩擦与润滑条件的定量测试方法，避免了传统圆环镦粗法中由内孔不稳定变形导致的变形后测量困难与摩擦因子测定的不确定性，有效提高摩擦因子测定的准确性。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明首先将待测工件材料加工成外侧带有凸台的圆环结构，该结构的尺寸比例为：外径/内径/高度/外凸台高度/外凸台宽度之比为6/3/2/0.4/0.4；然后进行润滑处理；再将该待测工件材料于平面模具中进行压缩变形，并控制工件材料高度的相对缩减量在30%-50%以内；依据计算所得工件材料压缩变形前后的外凸台外径的相对变化量与高度的相对缩减量查询摩擦因子标定曲线，以确定润滑处理后待测工件材料与模具接触面的摩擦因子。

所述润滑处理，采用现有润滑介质与润滑方法对工件材料或模具表面进行润滑；所述润滑介质是液态润滑剂或固态润滑剂；所述润滑方法是机械、物理或化学的润滑方法。

压缩变形过程中控制工件材料高度的相对缩减量的方法是：利用预设压力机的行程或者试验机的压下量，实现对高度的相对缩减量的控制。

待测工件材料压缩变形前后的外凸台外径变化量由下式所得：(Q’-Q)/R，其中，Q’表示变形后外凸台外径，该数值在比例加工后、压缩变形后测量获得；Q表示变形前外凸台外径，R表变形前圆环外径，该数值在比例加工后、压缩变形前测量获得。

待测工件材料压缩变形前后的高度的相对缩减量由下式所得：(H-H’)/H，其中，H表示变形前高度，该数值在比例加工后、压缩变形前测量获得；H’表示变形后高度，该数值在比例加工后、压缩变形后测量获得。

所述的摩擦因子标定曲线的获得方式是：根据加工成外侧带有凸台的圆环结构的待测工件的名义尺寸，建立有限元模型，依据待测工件的材料数据，在待测工件与平面模具接触表设定剪切摩擦因子，模拟工件压缩变形过程，提取变形后外凸台外径随变形后高度变化的历史数据，计算外凸台外径变化量与高度的相对缩减量，从而获得摩擦因子标定曲线。

技术效果

与传统的圆环镦粗法相比，本发明具有如下优点：①在整个压缩变形过程中，外凸台保持刚性平移，避免了圆环镦粗法测试过程中内孔的不稳定变形；②与内径测量相比，外径测量更为容易，可直接采用游标卡尺测量；③由于外凸台形状基本保持稳定，有利于提高测量的准确性，从而有效提高摩擦因子的测定准确性。

附图说明

图1是传统圆环镦粗的变形模式示意图；

图中：a为低摩擦，b为高摩擦。

图2是本发明加工成外侧带有凸台的圆环结构的待测工件示意图；

图3是摩擦因子大时0.3的本发明压缩变形模式示意图；

图4是摩擦因子小时0.1的本发明压缩变形模式示意图；

图5是摩擦因子标定曲线。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

第一步、选用退火态的A6082铝合金作为测试工件材料，如图2所示，按照外径/内径/高度/外凸台高度/外凸台宽度为6/3/2/0.4/0.4的进行加工，具体外径、内径、高度、外凸台高度与外凸台宽度的尺寸要求分别为18±0.1mm、9±0.1mm、6±0.1mm、1.2±0.1mm和1.2±0.1mm；

第二步、测量待测材料关键尺寸，包括待测材料外径、高度与外凸台外径，用游标卡尺3次测量取均值，具体值分别为18.03mm、6.02mm和20.42mm；

第三步、润滑准备，选择VG32润滑油作为润滑介质，并使用毛刷均匀地涂覆在上、下平面模具上；

第四步、在平面模具下，进行压缩变形，待测材料高度的相对缩减量控制在40%；

第五步、测量经过压缩变形后待测材料外凸台外径与高度，可采用游标卡尺3次测量取均值，测得具体值分别为23.97mm和3.61mm；

第六步、计算待测材料外凸台外径的相对变化量与高度的相对缩减量，所述外凸台外径变化量，按（变形后外凸台外径-变形前外凸台外径）/变形前外径计算，具体值为19.70%；所述高度相对缩减量，按（变形前高度-变形后高度）/变形前高度计算，具体值为40.03%；

第七步、如图5所示，查询标定曲线，确定摩擦系数，具体值为0.31。

实施例2

第一步、选用退火态的1060铝合金作为测试工件材料，按照外径/内径/高度/外凸台高度/外凸台宽度为6/3/2/0.4/0.4的进行加工，具体外径、内径、高度、外凸台高度与外凸台宽度的尺寸要求分别为18±0.1mm、9±0.1mm、6±0.1mm、1.2±0.1mm和1.2±0.1mm；

第二步、测量待测材料关键尺寸，包括待测材料外径、高度与外凸台外径，可采用游标卡尺3次测量取均值，具体值分别为18.01mm、6.03mm和20.41mm；

第三步、润滑准备，选择VG32润滑油作为润滑介质，并使用毛刷均匀地涂覆在上、下平面模具上；

第四步、在平面模具下，进行压缩变形，待测材料高度的相对缩减量控制在45%；

第五步、测量经过压缩变形后待测材料外凸台外径与高度，可采用游标卡尺3次测量取均值，测得具体值分别为24.65mm和3.31mm；

第六步、计算待测材料外凸台外径的相对变化量与高度的相对缩减量，所述外凸台外径变化量，按（变形后外凸台外径-变形前外凸台外径）/变形前外径计算，具体值为23.54%；所述高度相对缩减量，按（变形前高度-变形后高度）/变形前高度计算，具体值为45.11%；

第七步、如图5所示，查询标定曲线，确定摩擦系数，具体值为0.30。

工件材料经过压缩变形后，尽管内径向内鼓，但是外凸台基本未发生变形，如图3所示，这使得外凸台外径测量非常方便。

实施例3

第一步、选用退火态的40Cr中碳钢作为测试工件材料，按照外径/内径/高度/外凸台高度/外凸台宽度为6/3/2/0.4/0.4的进行加工，具体外径、内径、高度、外凸台高度与外凸台宽度的尺寸要求分别为18±0.1mm、9±0.1mm、6±0.1mm、1.2±0.1mm和1.2±0.1mm；

第二步、测量待测材料关键尺寸，包括待测材料外径、高度与外凸台外径，可采用游标卡尺3次测量取均值，具体值分别为18.03mm、6.00mm和20.43mm；

第三步、润滑准备，采用磷皂化工艺对待测材料实施润滑处理，使得待测材料表面形成磷皂化润滑层；

第四步、在平面模具下，进行压缩变形，待测材料高度的相对缩减量控制在50%；

第五步、测量经过压缩变形后待测材料外凸台外径与高度，用游标卡尺3次测量取均值，测得具体值分别为26.25mm和3.00mm；

第六步、计算待测材料外凸台外径的相对变化量与高度的相对缩减量，所述外凸台外径变化量，按（变形后外凸台外径-变形前外凸台外径）/变形前外径计算，具体值为37.28%；所述高度相对缩减量，按（变形前高度-变形后高度）/变形前高度计算，具体值为50.0%；

第七步、如图5所示，查询标定曲线，确定摩擦系数，具体值为0.10。

工件材料经过压缩变形后，尽管内径向外鼓，但是外凸台基本未发生变形，如图4所示，这使得外凸台外径测量非常方便。

Claims (5)

1.一种冷锻摩擦与润滑条件的定量测试方法，其特征在于，首先将待测工件材料加工成外侧带有凸台的圆环结构，该结构的尺寸比例为：外径/内径/高度/外凸台高度/外凸台宽度之比为6/3/2/0.4/0.4；然后进行润滑处理；再将该待测工件材料于平面模具中进行压缩变形，并控制工件材料高度的相对缩减量在30%-50%以内；依据计算所得工件材料压缩变形前后的外凸台外径的相对变化量与高度的相对缩减量查询摩擦因子标定曲线，以确定润滑处理后待测工件材料与模具接触面的摩擦因子。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的压缩变形过程中控制工件材料高度的相对缩减量的方法是：利用预设压力机的行程或者试验机的压下量，实现对高度的相对缩减量的控制。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是，所述的待测工件材料压缩变形前后的外凸台外径变化量由下式所得：(Q’-Q)/R，其中，Q’表示变形后外凸台外径，该数值在比例加工后、压缩变形后测量获得；Q表示变形前外凸台外径，R表变形前圆环外径，该数值在比例加工后、压缩变形前测量获得。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是，所述的待测工件材料压缩变形前后的高度的相对缩减量由下式所得：(H-H’)/H，其中，H表示变形前高度，该数值在比例加工后、压缩变形前测量获得；H’表示变形后高度，该数值在比例加工后、压缩变形后测量获得。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的摩擦因子标定曲线的获得方式是：根据加工成外侧带有凸台的圆环结构的待测工件的名义尺寸，建立有限元模型，依据待测工件的材料数据，在待测工件与平面模具接触表设定剪切摩擦因子，模拟工件压缩变形过程，提取变形后外凸台外径随变形后高度变化的历史数据，计算外凸台外径变化量与高度的相对缩减量，从而获得摩擦因子标定曲线。

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