1、塑性成形過程摩擦測試的研究進(jìn)展作者：郭正華 李志剛 黃重九 董湘懷1 前言 金屬塑性成形是通過工模具將外力施加到工件上，利用工件的塑性，使其尺寸形狀達(dá)到預(yù)定要求的加工工藝。模具與工件表面之間或是存在著機(jī)械的相對運(yùn)動，或是存在變形金屬的塑性流動，因此不可避免地存在著摩擦。塑性成形過程的摩擦與一般機(jī)械中的摩擦相比，有著一些固有特性，主要表現(xiàn)在： 1）在產(chǎn)生摩擦過程中，作為摩擦副之一的變形工件，在外載荷的作用下連續(xù)地發(fā)生塑性變形，并且經(jīng)常是大塑性變形，因此常稱為塑性摩擦。塑性摩擦應(yīng)力的大小與金屬的變形過程有關(guān)，同時，伴隨塑性流動出現(xiàn)的摩擦應(yīng)力反過來又對金屬變形產(chǎn)生很大影響； 2）由于工件產(chǎn)生塑性變形

2、，使工件與模具表面接觸的程度不斷增加，氧化膜破裂和內(nèi)部新鮮金屬向表面轉(zhuǎn)移的概率也增加，這使得塑性成形過程中出現(xiàn)分子嚙合力； 3）在摩擦接觸面上存在很大的正壓力，此正壓力在很多情況下遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于被加工金屬的屈服極限； 4）塑性成形過程中金屬產(chǎn)生的高溫嚴(yán)重地影響潤滑膜的形成和性能。 摩擦對塑性成形過程有著極其重要的影響。對塑性成形過程中摩擦與潤滑現(xiàn)象缺乏深刻的認(rèn)識，經(jīng)常導(dǎo)致出現(xiàn)以下問題： 1）不良的摩擦與潤滑狀態(tài)，容易造成塑性成形過程中出現(xiàn)產(chǎn)品尺寸超差、表面質(zhì)量達(dá)不到要求、塑性變形不足等缺陷； 2）塑性成形過程有限元分析中接觸和摩擦邊界條件的不準(zhǔn)確，將造成模擬分析結(jié)果與生產(chǎn)實(shí)際上不一致，嚴(yán)重影響了有限

3、元分析技術(shù)在塑性成形中的應(yīng)； 3）模具與工件之間的劇烈磨損，使模具過早失效，降低了模具的使用壽命，大大增加了生產(chǎn)成本。因此，為了合理控制和利用摩擦，優(yōu)化模具及工藝設(shè)計，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低不合格率，延長模具使用壽命，為今后從摩擦學(xué)角度來進(jìn)行模具及工藝設(shè)計提供依據(jù)，有必要對塑性成形過程中的摩擦進(jìn)行測試和研究。 2 模擬試驗(yàn)法 塑性成形過程中的摩擦受諸多因素的影響，包括變形方式、金屬的化學(xué)成分、模具的表面粗糙度、變形速度、單位面積上載荷的大小和變形溫度等等。因此，要找出一種適用于各種成形工況的摩擦測試方法是非常困難的。模擬試驗(yàn)法針對不同的成形工藝，設(shè)計出與成形過程相近似的模擬試驗(yàn)裝置，對該成形過程的

4、摩擦進(jìn)行測試，因而得到了比較廣泛的運(yùn)用。各國學(xué)者在這方面做了大量的研究工作。 2.1體積成形時的摩擦測試 C.古勃金于1934年提出一種錐形鐓頭鐓粗法。.塔爾諾夫斯基于1954年提出一種楔形試件鐓粗法。在20世紀(jì)50年代人們提出了一種圓環(huán)鐓粗法進(jìn)行摩擦測試。該方法是把一定尺寸的圓環(huán)試件放在平鐓頭間進(jìn)行鐓粗，利用一環(huán)件內(nèi)徑的變化作為摩擦力和摩擦系數(shù)的指標(biāo)。當(dāng)摩擦系數(shù)很小時，所有的金屬沿徑向從中心向外流動，環(huán)件內(nèi)徑增大，隨著摩擦系數(shù)的增加，變形特征發(fā)生變化，一部分金屬向外流動，而另外一部分金屬向中方向移動。從而在理論分析和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，得出摩擦系數(shù)標(biāo)定圖表，以確定不同實(shí)驗(yàn)時的摩擦系數(shù)。Male對圓

5、環(huán)鐓粗法進(jìn)行了大量的研究，得出摩擦系數(shù)在干摩擦及固體潤滑狀態(tài)下有隨應(yīng)變速率的增加而增大的趨勢。同時，他還研究了該方法在典型塑性成形過程中的實(shí)用性、有效性和真實(shí)性。 其它曾廣泛運(yùn)用于體積成形，包括鍛造、軋制、拉拔和擠壓過程的模擬試驗(yàn)?zāi)Σ翜y試法，如鍛造中的鼓度法、壓力法、帶剪切變形的鐓粗法、修正壓延法；軋制中的最大咬合角法、條材強(qiáng)迫制動法、扭矩法、組合法、極限壓縮法、前前滑法、壓力法；拉拔中的旋壓拉模法、分段拉模法、拉拔力法和擠壓中的擠壓力法、雙測力計法。限于篇幅，本文只重點(diǎn)介紹塑性成形過程的摩擦測試的一些新的成果。 Petersen對圓環(huán)鐓粗摩擦測試中圓環(huán)的形狀進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計出一種凹腰形的圓環(huán)

6、，如圖1所示，圖中尺寸關(guān)系為A:B:C:D=6:4:3:2。在較低的正向載荷的作用下，對該環(huán)件進(jìn)行鐓粗，并采用有限元方法獲得摩擦系數(shù)確定圖表。 Sofuoglu對圓環(huán)鐓粗摩擦測試實(shí)驗(yàn)和摩擦系數(shù)標(biāo)定曲線進(jìn)行了分析，提出一種開式模具反向擠壓成形（open-die backward extrusion）摩擦測試方法，以擠壓高度來定量評估模具與工件接觸表面的摩擦系數(shù)。 Wang設(shè)計出一種平面應(yīng)變鐓粗時測量摩擦力和流動應(yīng)力的摩擦測試裝置，如圖2所示。當(dāng)工件為平面壓縮變形時，其所受雙面摩擦力可以傳遞至測力傳感器并測量出來，從而得出平面應(yīng)變鐓粗時的摩擦力。 Pawelski針對一般鍛造過程摩擦測試只能用于較

7、小的應(yīng)變速率的情況，設(shè)計出一種適用于高速自由鍛非對稱變形過程摩擦測試的模擬實(shí)驗(yàn)裝置。該方法對于估算應(yīng)變速率高達(dá)1000s-12000s-1的塑性成形過程摩擦因子具有重要的實(shí)際意義。 Ahmed和Le設(shè)計出一種拉拔成形過程的摩擦測試實(shí)驗(yàn)裝置，如圖3所示。應(yīng)變片粘貼在模具固定架和夾頭上，用來測量縮口力N和拉拔力F。摩擦系數(shù)µ以通過計算式（1）來求得，式中為條帶試樣和模具在咬合入口處的夾角。 F/N=2（µ+tan）（1-µtan）（1） 2.2 板料成形時的摩擦測試 到目前為止，板料成形過程模擬試驗(yàn)法摩擦測試主要是以簡單的板料彎曲和反彎曲變形模擬復(fù)雜的板料成形過程，用

8、一些模擬試驗(yàn)裝置來代替板料成形模具，并測量出板料在彎曲反彎曲過程的摩擦力或摩擦系數(shù)。 拉力下板料彎曲摩擦測試實(shí)驗(yàn)（bending under tension friction test）是一種應(yīng)用比較廣泛在研究板料變形時摩擦學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)，其原理如圖4所示。一金屬條帶狀板料在兩邊張力下以一定的速度成90°拉過圓輥，此時板料在與圓輥接觸處發(fā)生局部彎曲和反彎曲變形。接觸面上的平均摩擦系數(shù)µ可以由式（2）求得。 式中，為板料和圓滾接觸的包角，F(xiàn)b為彎曲張力。一般情況，F(xiàn)b與（F2 - F1）相比較小，故可省略。該實(shí)驗(yàn)常被用來模擬和研究板料成形過程中板料拉過凸模圓角時的摩擦狀態(tài)，如H

9、su采用該方法進(jìn)行了凸模圓角摩擦系數(shù)的測試實(shí)驗(yàn)。 自從Nine于1978年設(shè)計出一種模擬拉深筋的摩擦測試實(shí)驗(yàn)裝置（圖5）并進(jìn)行了拉延筋的摩擦測試以來，人們對拉深筋處的摩擦問題和摩擦測試實(shí)驗(yàn)裝置展開了研究，并在其基礎(chǔ)上做了許多改進(jìn)。Sanchez與NADDRG（North America Deep Drawing Research Group）建立了類似的實(shí)驗(yàn)裝置，如圖6所示。 實(shí)驗(yàn)中，至少需兩塊相同的板料試樣。一塊從活動的圓柱輥組中拉過，圓柱輥組通過各自軸承與固定機(jī)座相連，由于軸承處的摩擦為滾動摩擦，與滑動摩擦相比較小，可忽略不計。此時，測出的拉力FR和夾緊力FCR為板料拉過圓柱輥組而發(fā)生彎曲

10、反彎曲的變形抗力。將另一塊試樣拉過同一個實(shí)驗(yàn)裝置，但此時圓柱輥組固定在機(jī)座上，不能進(jìn)行自由滾動，測出的拉力FP和夾緊力FC則既包含板料發(fā)生彎曲和反彎曲的變形抗力，同時還包含板料與圓柱輥組之間的滑動摩擦力。摩擦系數(shù)µ可以由式（3）求得。 Duncan和Wang等人在標(biāo)準(zhǔn)拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)設(shè)計了模擬脹形的專用摩擦測試實(shí)驗(yàn)裝置（圖7），其中E1和E2為應(yīng)變計，可以測量出板料不同部位的應(yīng)變，從而可計算出張力，則摩擦系數(shù)µ可以由式（4）得出。 該方法的特點(diǎn)是在滑動過程中允許在壁厚方向發(fā)生塑性變形，即厚向變薄。其缺點(diǎn)是在進(jìn)行測試前要將板料預(yù)成形為U形，導(dǎo)致材料內(nèi)部出現(xiàn)加工硬化，且板料與凸模的包

11、角在實(shí)驗(yàn)過程中固定為90°，這與實(shí)際板料成形過程中包角發(fā)生變化有較大差別，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精度會產(chǎn)生一定的影響。 Wang針對上述摩擦測試裝置的缺點(diǎn)進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計出一種模擬板料脹形時凸模圓角處摩擦狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)裝置，如圖8所示。該裝置考慮了潤滑的影響，能模擬真實(shí)的變形過程和接觸條件。實(shí)驗(yàn)中板料的變薄和彎曲同時進(jìn)行，同時板料與凸模的包角在變形過程中可以變化。通過采用旋轉(zhuǎn)圓棒消除彎曲變形對測試的影響，能直接控制和測量出載荷大小和加載行程，并由式（5）計算出摩擦系數(shù)µ。 (5)后來，王先生和康永林等又對該實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn)，建立了一套采用液壓伺服調(diào)節(jié)控制壓邊力和板料萬能摩擦測試裝置，使

12、該裝置能模擬板料脹形和拉深過程，并測量出摩擦系數(shù)。 2.3模擬試驗(yàn)法的特點(diǎn) 塑性成形過程摩擦測試方法，從傳統(tǒng)機(jī)械領(lǐng)域的臺架實(shí)驗(yàn)發(fā)展到模擬成形過程的摩擦測試是很大的發(fā)展。各種模擬試驗(yàn)法所得到的結(jié)果對于考察和處理相關(guān)的成形過程摩擦狀態(tài)具有重要的指導(dǎo)意義。模擬實(shí)驗(yàn)法是否有效，關(guān)鍵在于實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)際塑性形成過程的一致性，即實(shí)驗(yàn)條件能模擬真實(shí)的塑性成形過程。這包括工件的變形狀態(tài)、模具與工件的材料、硬度、模具與工件的表面特征、潤滑狀態(tài)等必須盡可能一致。否則，模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果就可以與實(shí)際塑性成形過程的摩擦狀態(tài)大相徑庭。Gibson等人認(rèn)為，板料的拉彎試驗(yàn)與拉深之間沒有聯(lián)系，因?yàn)槔瓘澾^程沒有拉深過程的板料切向收

13、縮的特點(diǎn)。另外，模擬試驗(yàn)法還必須規(guī)范實(shí)驗(yàn)條件，保證實(shí)驗(yàn)的再現(xiàn)性。 3 直接測量法 直接測量法是指通過在模具表面安裝傳感器，直接測量真實(shí)塑性成形過程坯料和模具接觸表面的正壓力和摩擦力，從而得到摩擦系數(shù)的方法。該方法在體積成形和板料成形中得到了廣泛的應(yīng)用。 直接測量法是由.萬樂仁，B.A.巴柯芬提出的。他們用該方法最早得到了軋制和拉拔時摩擦力沿接觸面分布的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。具體做法是：在變形工具中安裝兩個或3個銷釘式測力計，一個垂直于表面，另外一個或兩個傾斜一定的角度，如圖9所示。 上海交通大學(xué)何丹農(nóng)等對直接測量法進(jìn)行了研究，開發(fā)了基于探針傳感器的板料成形摩擦測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)能對板料成形過程壓料面上的摩擦

14、力及摩擦系數(shù)進(jìn)行測定，并對拉深用潤滑劑的潤滑效果及其與板料成形工藝參數(shù)關(guān)系進(jìn)行分析。 與模擬試驗(yàn)未能，直接測量法的優(yōu)點(diǎn)在于：能夠?qū)φ鎸?shí)的而不是模擬的塑性成形過程的摩擦進(jìn)行測試；不依賴于特定的成形方法和工件特征，對包括體積成形和板料成形過程都適用；不需要假設(shè)整個接觸面上的摩擦系數(shù)相同，能測量單個接觸點(diǎn)的摩擦；該方法具有實(shí)時性和動態(tài)性，能夠?qū)崿F(xiàn)在線測量。其缺點(diǎn)則是：必須在模具表面開設(shè)測力計或探針安裝孔，有可能改變模具和工件表面的接觸狀態(tài)；由于受尺寸的限制，實(shí)際上只能測量有限個點(diǎn)的摩擦。 4 新型探針傳感器 作者設(shè)計了一種新型的探針傳感器，用于測量板料成形過程的摩擦，其工作原理如圖10所示。垂直探針

15、和水平探針分別測量出板料成形過程中板料作用在垂直探針上表面的切向力（即摩擦力）T和正壓力N，從而可確定摩擦系數(shù)µ，卻µ=T/N。 作者采用上述新型探針傳感器，開發(fā)出1套鋁合金板料溫成形過程摩擦在線檢測系統(tǒng)，對真實(shí)的鋁合金板成形過程中的摩擦力與摩擦系數(shù)進(jìn)行在線檢測，并將其運(yùn)用于鋁合金圓筒形過程的摩擦測試。整個板料溫成形過程摩擦在線測試系統(tǒng)包括多用途三軸加載板材試驗(yàn)機(jī)1臺（配備拉壓力傳感器、光柵尺和伺服控制閥）、DH5935動態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)1臺、實(shí)驗(yàn)?zāi)＞?、加熱管、加熱板和熱電偶、溫度控制系統(tǒng)1臺、自制探針傳感器多個、計算機(jī)一臺（控制、采集和分析）和自制的數(shù)據(jù)采集和分析軟件。鋁合金牌號為5182，坯料直徑為82mm，厚度為1.4mm，凹模直徑為40mm，成形溫度為250±5，采用恒定液壓力壓邊，其大小約為形成力的10%，未采用潤滑劑。成形時，將法蘭全部拉入凹模，使其變形為圓筒形件。成形過程的摩擦系數(shù)曲線如圖11所示（測試采樣頻率為每秒200次）。從圖11中可以看出，在溫拉深過程中，隨著坯料由法蘭部分向凹?？诹鲃樱Σ料禂?shù)具有逐漸增大的趨勢，但整個過程的摩擦系數(shù)在0.10.2