CN103817245B - 一种金属塑性加工中主动润滑成形的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属材料塑性加工成形方法。一种金属塑性加工中主动润滑成形的方法，其特征在于它包括如下步骤：1）使下模具具有蜂窝状结构；2）将与下模具上蜂巢孔径尺寸相近的棒状坯料的上端进行机械加工为球冠状，并在棒状坯料的下端粘结上一个对应尺寸弹性垫圈，整体形成一个芯棒；3）将芯棒的下端放置到下模具的蜂巢中；4）将下模具上的蜂巢以及装配其中的芯棒进行润滑；在材料成形过程中，会将芯棒的球冠压入蜂窝孔内，同时将孔内的润滑剂挤出，形成主动润滑效果；5）成形结束后，弹性垫圈将芯棒的上端重新顶出下模具的表面，润滑油又流回下模具孔洞之中，将润滑剂存储起来。该方法可实现塑性加工中对材料的主动润滑。

Description

一种金属塑性加工中主动润滑成形的方法

技术领域

本发明涉及金属材料塑性加工成形方法，具体涉及一种塑性成形时主动润滑成形的新方法，属于材料塑性加工技术领域。

背景技术

塑性加工过程中，变形金属处于粘塑性流动状态，新表面不断产生，润滑条件恶劣，且摩擦磨损机制多变而复杂。为此，使用一般润滑方法很难奏效，造成实际生产过程中，设备能耗大，生产效率低，成本高等问题。研究表明,塑性加工中总能量的10-50%消耗于变形金属坯料与模具间的摩擦。以材料的拉拔工艺为例，随着摩擦系数的增加，摩擦能耗占总能耗的比例也线性增加。当摩擦系数f在0.02-0.1之间变化时，断面收缩率为10%-40%，摩擦消耗功所占的比例也由6%增加到40%。摩擦不仅浪费了能源，同时还提高金属变形抗力、容易形成产品缺陷，严重的还会造成模具的破坏失效。随着塑性加工技术的发展，研究和解决塑性加工的润滑问题已成为该技术创新的一个重要动力。

目前，对于润滑的研究和报道主要集中于机械传动方面，采用各种润滑剂、表面处理技术以及多孔结构材料，对各类轴承，气缸活塞，机床导轨等部件的润滑性能进行提高和优化。其中比较有代表性的就是采用固体自润滑复合涂层材料和多孔结构材料。固体自润滑复合涂层材料，主要包含金属基润滑材料，高分子基润滑材料和陶瓷基润滑材料三类。基本的润滑机理主要是通过各种工艺将一层或多层高性能摩擦润滑材料涂覆、沉积或喷涂至工作部件表面，利用形成的润滑薄膜材料剪切强度低的特点，减小部件间的摩擦系数，从而达到的提高润滑功能。多孔结构材料，主要包含非金属多孔材料和金属多孔材料。多用于自润滑轴承上，基本的润滑机理为将多孔材料，浸在润滑油中，使微孔中充满润滑油，或嵌入二硫化钼、石墨等固体润滑剂。在轴与套的滑动摩擦过程中，形成能够产生流体动压力的收敛油楔或者通过摩擦过程中固体自润滑材料分子的部分转移填平微小凹坑，并形成了一层较稳定的固体润滑膜，实现自润滑。上述用于机械传动方面的自润滑复合涂层和自润滑多孔结构材料，其基本的润滑机理仍和传统润滑剂润滑是一样的，都是基于一种被动润滑的思想，只是润滑剂的润滑效果较传统润滑剂有较大提升，在摩擦过程中可以部分的实现材料磨损表面的自我修复，从而降低摩擦，达到自润滑的效果。

塑性加工过程中的摩擦与机械传动中的摩擦有很大区别，主要表现在三个方面：一是塑性加工时有新表面产生，新表面的物理、化学性能与原先的材料表面不同，同时也没有润滑剂保护，很容易黏着在模具表面，给润滑带来困难；二是塑性成形中的摩擦在很高的接触压力下产生，接触面上压力高（0.8-2.5GPa），润滑剂薄膜容易发生破裂，润滑比较困难；三是成形过程中塑性变形功会转化为热量，同时相对滑动也会产生热量，使材料和模具升温。这样会使润滑剂黏度变稀，润滑条件改变，给润滑工作带来困难。

针对以上摩擦特点，目前对于塑性加工成形中的润滑多采用以下几种方式：

1.流体润滑

流体润滑的摩擦力较固体界面之间的摩擦力要小很多，摩擦系数仅为0.005左右。流体润滑分为流体动力润滑与流体静力润滑。流体动力润滑一般是在工件运动速度很高时方可实现，形成的必要条件是存在收敛油膜，即沿运动方向上油膜的厚度逐渐减小。流体动力润滑不仅使摩擦力下降为不足原来的1/10，还可使模具寿命提高约20倍。但流体动力润滑仍存在以下缺点：1）摩擦副必须具备收敛油楔的特性，对一些难以设计成收敛油楔的机械，就难以实现流体动压润滑；2）流体动压润滑机械的启动力矩较大，有时甚至会拉伤摩擦副，造成机械事故；3）流体动压润滑不适用于低速机械；4）流体动压润滑不适用于高负载机械。

流体静力润滑是指在流体压力较高的情况下，迫使工件与模具的表面分离。此时毛坯四周被高压液体所包围，在高压的作用下，使工件与工具之间保持流体润滑。与流体动压润滑相比，流体静压润滑需要一套附属的供油装置，流体静压润滑能否实现，关键取决于这套供油装置能否正常工作。对于机械设备而言，若采用流体静压润滑，则必须附加一套复杂的油泵油路系统，给机械设计带来许多不便；而且还存在设备投资大，维护费用高，总效率低等缺点；同时需要专人维护操作，因为一旦静压润滑系统失效，有可能酿成大的机械事故。

2.表面处理或镀层

摩擦力取决于工具与工件接触面的状态，于是改变工件表面的成分与结构会起很大的作用。本田美国制造公司在2001年公开的中国专利（申请号：99802569.0）中提出一种干膜润滑剂在冲压模具和锻造模具上的施用方法，具体通过先在模具型面上镀一层硬铬，再涂上干膜润滑剂，以降低摩擦，提高模具的使用寿命。但电镀工艺存在尖端沉积效应，影响镀层质量，且镀层与干膜润滑剂的结合强度也存在一定的局限性。2008年公开的中国专利（申请号：200710164614.3）通过激光熔覆的方法，在热锻模具的表面形成耐磨纳米复合涂层。该涂层耐磨性较高，但存在激光融覆导致微裂纹和缺陷等问题，而且还会导致后续精加工比较困难。2008年公开的中国专利（申请号：200810124317.O）提出了一种金属塑性成形模具表面的激光复合造型处理方法。该方法主要通过在模具表面设置毛化凸起，起到增加局部摩擦，改善材料流动的作用，但没有涉及到模具表面固体润滑处理问题。2009年公开的中国专利（申请号：200710307282.x）提出了一种石墨基粘结固体润滑剂，解决了空调压缩机转子及端板的中高温润滑问题。但由于采用的是表面涂敷的方法，涂层与表面的结合强度较低，在重载条件下容易剥落。法因图尔知识产权股份公司在2009年公开的中国专利（申请号：200810213580.7）中提出了一种用于冲裁模的润滑方法和装置。通过在冲模头部微槽中存储润滑油，改善冲裁模具润滑的作用。但该方法的润滑油在成形过程中损失较大，无法保证连续有效的润滑。2009年公开的中国专利（申请号：200910020837.I）提出了一种自润滑复合材料模具的快速制模方法。借鉴了机械传动装置中的自润滑复合材料的优点，但由于采用的整层热固性环氧树脂复合材料，其在整体强度、型面精度方面受到较大限制。2010年公开的中国专利（申请号：200910272370.X）提出了一种利用二氧化碳激光器进行汽车覆盖件模具表面激光淬火的工艺，提高了模具的表面硬度和抗磨性能，其主要原理是提高材料表面硬度后，在模具表面嵌入微型沟槽的难度增大，因此相对的降低了摩擦力。2013年公开的中国专利（申请号：201110148422）提出对模具表面织构化激光微加工处理，然后对模具进行自润滑复合材料成型粘结加工处理。实现模具表面润滑减摩与强化耐磨，提高了模具的寿命和成形件质量。但也存在着激光处理工艺复杂，成本高，且采用的自润滑复合材料成型粘结加工处理，涂层与表面的结合强度较低，容易发生剥落。

从上述文献资料可知，目前塑性加工成形中润滑的研究仍集中于传统的被动润滑系统上，研究的热点也仅仅是通过表面改性、镀层等处理方法，将润滑性能更优异的材料，如自润滑复合材料或是硬度更高的材料粘结或沉积到工件或模具表面，降低摩擦，实现润滑。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属塑性加工中主动润滑成形的方法，该方法可实现塑性加工中对材料的主动润滑。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：一种金属塑性加工中主动润滑成形的方法，其特征在于它包括如下步骤：

1）将成形用的下模具1进行机械加工，使下模具1具有蜂窝状结构，根据塑性成形需要，下模具1的蜂窝孔外接圆尺寸在3-50mm范围内（即蜂巢孔径为3-50mm），如附图1a所示；

2）将与下模具1上蜂巢孔径尺寸相近（直径差值2-10mm）的棒状坯料的上端进行机械加工为球冠状，并在棒状坯料的下端粘结上一个对应尺寸弹性垫圈3，整体形成一个芯棒2，如图1b所示；

3）将芯棒的下端放置到下模具1的蜂巢中，通过调整弹性垫圈的厚度（5-10mm），并使芯棒的球冠稍稍突出于下模具1表面之上(高出下模具表面的尺寸为0.5-3mm)；

4）采用液体或液固耦合的润滑剂将下模具1上的蜂巢以及装配其中的芯棒进行润滑；然后将工件5放置在润滑后的下模具1上；

在材料成形过程中，随着材料的横向变形延伸，会将芯棒的球冠压入蜂窝孔内，同时将孔内的润滑剂挤出（由于成形的反作用力会被挤出），形成主动润滑效果；

5）成形结束后，弹性垫圈将芯棒的上端重新顶出下模具的表面，润滑油又流回下模具1孔洞之中，将润滑剂存储起来。

步骤2）中所述尺寸相近是指棒状坯料的直径比蜂巢的孔径小2-10mm。

步骤2）中所述芯棒的截面为六边形或圆形。

步骤2）中所述球冠状的直径为2-40mm。

步骤3）中所述弹性垫圈的厚度为5-10mm。

步骤3）中所述使芯棒的球冠稍稍突出于下模具表面之上为：芯棒的上端高出下模具表面为0.5-3mm。

步骤4）中将成形用的上模具6进行机械加工，使上模具6具有蜂窝状开孔结构，在上模具6底部设置加热棒7，并采用固体润滑剂4对上模具6上的蜂窝进行填充润滑；成形过程中加热棒7对润滑剂4进行加热，由于热膨胀会将孔内润滑剂融化挤出，形成主动润滑效果。

步骤5）中，而上模具6中加热棒7停止加热，蜂窝孔冷却收缩，润滑剂4也被吸回上模具6空隙中存储起来。

针对塑性加工中摩擦的特点，本发明提出了主动润滑成形技术。与传统被动润滑机制不同是，材料在成形过程中既有不断产生的新表面，伴随着成形也同时相应生成了新的润滑剂，实现了塑性加工中对材料的主动润滑。

本发明的模具根据润滑程度的需要，可以选用自润滑复合涂层和自润滑多孔结构材料，在摩擦过程中可以部分的实现材料磨损表面的自我修复，从而降低摩擦，提高润滑剂的润滑效果。同时还可在模具上设置加热装置进行辅助，利用“热胀冷缩”原理实现热胀时进行主动润滑，成形结束，借助冷缩作用回收润滑剂。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

1、与传统的流体润滑相比，适用面更广，对于高速、低速以及高负载的情况均能实现主动的润滑效果，且无需专用液压控制设备，成本低，效率高。

2、与表面及镀层处理润滑相比，避免了镀层和涂层与基体结合强度低，适用性差等问题，同时还克服了各种表面处理如电镀，化学层积及激光和电弧喷涂等方法的局限性，本发明工艺简单，成本低，效率高，适用性广。

3、根据摩擦工况的需要，本技术可以方便的和传统被动润滑系统相结合，采用润滑性能更优异的材料，如自润滑复合材料，降低摩擦，充分发挥主动润滑系统的特点。

4、该方法实现了塑性加工中对材料的主动润滑。

附图说明

图1a是本发明实施例1主动润滑成形的下模具结构示意图。

图1b是本发明实施例1主动润滑成形的下模具装配示意图。

图2是本发明实施例1压缩类塑性成形主动润滑示意图。

图3是本发明实施例2拉深类塑性成形主动润滑示意图。

图中：1-下模具，2-芯棒，3-弹性垫圈，4-润滑剂，5-工件，6-上模具，7-加热棒，8-冲头。

具体实施方式

实施例1：

结合图1说明本实施方式，一种金属塑性加工中主动润滑成形的方法，它包括如下步骤：

1）将成形用的下模具1进行机械加工，使下模具1具有蜂窝状闭孔结构，根据塑性成形需要，下模具1的蜂窝孔外接圆尺寸在3-50mm范围内（即蜂巢孔径为3-50mm），如图1a所示；

2）将与下模具1上蜂巢孔径尺寸相近（直径差值2-10mm，是指棒状坯料的直径比蜂巢的孔径小2-10mm）的六棱柱形的棒状坯料的上端进行机械加工为球冠状，球冠状的直径为2-40mm，并在棒状坯料的下端粘结上一个对应尺寸弹性垫圈3，整体形成一个芯棒2，如图1b所示；

3）将芯棒的下端放置到模具1的蜂巢中，通过调整弹性垫圈的厚度（5-10mm），并使芯棒的球冠稍稍突出于模具1表面之上(高出下模具尺寸为0.5-3mm)，如图1b所示；

4）采用液体或液固耦合的润滑剂4将下模具1上的蜂巢以及装配其中的芯棒进行润滑，然后将工件5放置在润滑后的下模具1上；

5)将成形用的上模具6进行机械加工，使上模具6具有蜂窝状开孔结构，根据塑性成形需要，上模具6的蜂窝孔外接圆尺寸在3-50mm范围内（即蜂巢孔径为3-50mm），如图2所示，在上模具6底部设置加热棒7，并采用固体润滑剂4对上模具6上的蜂窝进行填充润滑；

在材料成形过程中，随着材料压缩时，横向变形的延伸，会将下模具1中芯棒的球冠压入蜂窝孔内，同时将孔内的润滑剂4挤出（由于成形的反作用力会被挤出），形成主动润滑效果；而对于上模具6，成形过程中加热棒7对润滑剂4进行加热，由于热膨胀会将孔内润滑剂融化挤出，形成主动润滑效果；

5）成形结束后，弹性垫圈3将芯棒2的上端重新顶出下模具的表面，润滑剂（润滑油）4又流回下模具1孔洞之中，将润滑剂存储起来；而上模具6中加热棒7停止加热，蜂窝孔冷却收缩，润滑剂4也被吸回上模具6空隙中存储起来。

实施例2：

结合图3说明本实施方式，一种金属塑性加工中主动润滑成形的方法，它包括如下步骤：

1）在拉深模具的的下模具1上加工出如实施例1中一样的蜂窝状闭孔结构和芯棒2，采用液体或液固耦合的润滑剂4进行润滑。

2）在拉深模具的上模具6上加工出蜂窝状开孔结构，根据塑性成形需要，上模具6的蜂窝孔外接圆尺寸在3-50mm范围内（即蜂巢孔径为3-50mm），如图3所示，在上模具6上设置加热棒7，并采用固体润滑剂4进行填充润滑；

3）拉深模具冲头8无需润滑，随着冲头8的移动，会将模具1中芯棒的球冠压入蜂窝孔内，同时将孔内的润滑剂4挤出（由于成形的反作用力会被挤出），形成主动润滑效果；而对于模具6，成形过程中加热棒7对润滑剂4进行加热，由于热膨胀会将孔内润滑剂4融化挤出，形成主动润滑效果；

4）成形结束后，弹性垫圈3将芯棒2重新顶出，润滑剂又流回下模具1孔洞之中，将润滑剂4存储起来；而上模具6中加热棒7停止加热，蜂窝孔冷却收缩，润滑剂4也被吸回上模具6空隙中存储起来。

其他组成与动作顺序与实施例1相同。

Claims (7)

1.一种金属塑性加工中主动润滑成形的方法，其特征在于它包括如下步骤：

1）将成形用的下模具（1）进行机械加工，使下模具（1）具有蜂窝状结构；

2）将与下模具（1）上蜂巢孔径尺寸相近的棒状坯料的上端进行机械加工为球冠状，并在棒状坯料的下端粘结上一个对应尺寸弹性垫圈（3），整体形成一个芯棒（2）；

3）将芯棒的下端放置到下模具（1）的蜂巢中，通过调整弹性垫圈的厚度，并使芯棒的上端高出下模具表面为0.5-3mm；

4）采用液体或液固耦合的润滑剂将下模具（1）上的蜂巢以及装配其中的芯棒进行润滑；然后将工件（5）放置在润滑后的下模具（1）上；

在材料成形过程中，随着材料的横向变形延伸，会将芯棒的球冠压入蜂窝孔内，同时将孔内的润滑剂挤出，形成主动润滑效果；

5）成形结束后，弹性垫圈将芯棒的上端重新顶出下模具的表面，润滑油又流回下模具（1）孔洞之中，将润滑剂存储起来。

2.根据权利要求1所述的一种金属塑性加工中主动润滑成形的方法，其特征在于：步骤2）中所述尺寸相近是指棒状坯料的直径比蜂巢的孔径小2-10mm。

3.根据权利要求1所述的一种金属塑性加工中主动润滑成形的方法，其特征在于：步骤2）中所述芯棒的截面为六边形或圆形。

4.根据权利要求1所述的一种金属塑性加工中主动润滑成形的方法，其特征在于：步骤2）中所述球冠状的直径为2-40mm。

5.根据权利要求1所述的一种金属塑性加工中主动润滑成形的方法，其特征在于：步骤3）中所述弹性垫圈的厚度为5-10mm。

6.根据权利要求1所述的一种金属塑性加工中主动润滑成形的方法，其特征在于：步骤4）中将成形用的上模具（6）进行机械加工，使上模具（6）具有蜂窝状开孔结构，在上模具（6）底部设置加热棒（7），并采用固体润滑剂（4）对蜂窝进行填充润滑；成形过程中加热棒（7）对润滑剂（4）进行加热，由于热膨胀会将孔内润滑剂融化挤出，形成主动润滑效果。

7.根据权利要求1所述的一种金属塑性加工中主动润滑成形的方法，其特征在于：下模具的蜂窝孔外接圆尺寸在3-50mm范围内。