【正文】 開式反擠壓測定模型的建立及其上限元分析畢業(yè)論文1 緒論在塑性加工過程中，由于摩擦的存在，造成塑性變形中金屬流動的不同時性和不均勻性[1]，使模具產(chǎn)生磨損，降低了工件的質(zhì)量。摩擦力的阻礙作用在整個成形功率中占有相當大的比重，對產(chǎn)品的質(zhì)量和模具的壽命產(chǎn)生嚴重的影響。隨著科技的不斷進步，人們對產(chǎn)品的要求日益增高，因此對模具也提出更加苛刻的要求，這就需要對塑性加工中的摩擦進行更細致的研究以及提供更好的潤滑手段來改善模具成形的工作環(huán)境[2] [3]，但是在摩擦研究與潤滑效果評定的過程中，摩擦因子的測定是一個必不可少的步驟。另外，由于計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字化制造技術(shù)也得到了快速的發(fā)展，現(xiàn)行的大多數(shù)數(shù)值體積成形模擬軟件都使用摩擦因子作為摩擦的標準參數(shù)，因此，摩擦因子的評定關(guān)系到數(shù)值模擬結(jié)果的準確性[4]。然而到目前為止，還沒有一種精確有效的手段能夠定量地測定摩擦因子。本章論述了摩擦因子的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，總結(jié)了研究工作中存在的問題，明確了研究目的和研究意義，介紹了研究的主要內(nèi)容和技術(shù)路線。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[5]，摩擦表現(xiàn)為一種復(fù)雜的現(xiàn)象。因此，要在具體的塑性加工過程中確定準確的摩擦因子并不容易，工件表面在連續(xù)變化，摩擦狀態(tài)也在連續(xù)變化，增加了摩擦因子的不穩(wěn)定性。模擬試驗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裝置，對該成形過程的摩擦進行測試，因而得到了比較廣泛的運用，各國學者在這方面做了大量的研究工作，但大部分局限在板料成型工藝中的摩擦與潤滑評估，在壓力相對較高的體積成形領(lǐng)域里，還很少有人涉足。國外對摩擦因子的研究始于20世紀的末期，在此之前，male、Sofuoglu以及Petersen等人對摩擦系數(shù)的測定方法進行了細致的研究[6] ~[9]，這些都為摩擦因子的測定方法的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。20世紀90年代，由于金屬塑性成形技術(shù)和數(shù)值模擬軟件的發(fā)展需要，國外學者開始對摩擦因子的測定方法進行研究。1994年，美國俄亥俄州大學沈鋼樹、運用了有限元數(shù)值模擬的方法，并結(jié)合了試驗數(shù)據(jù)，對圓環(huán)墩粗和圓塊的反擠進行比較，得出了圓塊的反擠更加適合接觸壓力高、新生面積大的冷擠壓工藝中的摩擦因子的測定[10]。在1999年，Pawelski針對一般鍛造過程摩擦測試只能用于較小的應(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驗裝置，該方法對估算應(yīng)變速率高達～2000的塑性成形過程摩擦因子具有重要的實際意義[11]。在2002年，日本歧埠大學工學部的王志剛在他的一篇文章中提出一種前擠脹式摩擦評價方法，此評價方法，系利用伴隨有脹形的擠壓變形，通過測量凸模所受的載荷，就可以計算出只與摩擦特性相關(guān)的評價參數(shù)，而不必考察工件變形性能和直徑大小的影響[12]。國內(nèi)對摩擦因子測定手段的研究也比較多， 2002年，太原理工大學的許樹勤、趙健基于圓環(huán)鐓粗測定摩擦系數(shù)的方法，用FORTRAN編程，繪出了以圓環(huán)高度對數(shù)應(yīng)變和內(nèi)徑對數(shù)應(yīng)變?yōu)樽兞浚阅Σ烈蜃訛閰?shù)的標定曲線，對國內(nèi)摩擦因子的測定研究具有很大的參考意義[13]。2003年，西安理工大學的惠媛媛利用數(shù)值模擬軟件對圓環(huán)鐓粗進行了詳細的模擬計算，探尋出摩擦因子與圓環(huán)幾何形狀系數(shù)、外徑、壓縮高度的關(guān)系規(guī)律，并通過試驗得出了摩擦因子對照表[14]，探尋出利用數(shù)值模擬測定摩擦因子的新方法。也有對圓環(huán)鐓粗測定法以外的其它評估手段進行研究的學者，2003年，燕山大學的王會波就認為圓環(huán)壓縮試驗來分析金屬模與材質(zhì)間在接觸條件變化時的摩擦特性，雖然很容易求出摩擦因子，但是在表面積增大時，由于摩擦狀態(tài)的更加復(fù)雜，其評價結(jié)果未必準確。他探討了一種新型的柱形圓柱片前后擠壓的評估方法，由于摩擦條件不同，擠壓部分的長度和最大寬度也會隨之變化，因此，即使不測定載荷，根據(jù)擠壓長度和最大寬度之比，也可以定量評價摩擦特性，如圖1－1所示[15]。 (a) 測定模具圖 (b) 測定工件及測定示意圖 圖1－1 柱形圓片平臺擠壓測定摩擦因子法在摩擦因子測定的理論研究方面，國內(nèi)的很多學者對塑性成形中不同工藝的摩擦理論進行了研究與探討，其中對圓環(huán)鐓粗進行研究的學者相對較多些。研究領(lǐng)域包括摩擦不均勻變形的上限元計算、數(shù)值模擬、摩擦對塑性成形的影響程度的理論計算與分析[16]，其中上限元計算的研究進行的較早，已經(jīng)形成了一套經(jīng)典的理論。國內(nèi)學者大部分致力于經(jīng)典理論的優(yōu)化，例如2000年，哈爾濱工業(yè)大學的吳洪飛將廣義變分不等原理引用在圓柱體非均勻鐓粗中，得到了更接近實際的速度場[17]。隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，利用計算機進行數(shù)值模擬愈發(fā)方便與快捷，很多學者都采用不同的測定結(jié)構(gòu)和不同的摩擦狀況對測定摩擦因子進行數(shù)值模擬。例如1997年，燕山大學聶紹珉、劉助柏等人基于剛粘塑性有限元法，利用模擬軟件對圓柱體平板鐓粗的應(yīng)力場進行了數(shù)值模擬與有限元分析[18]，1999年，南京航空航天大學的詹艷然、張中元與哈爾濱工業(yè)大學的王仲仁對圓柱體鐓粗進行了數(shù)值模擬，并綜合探討了鐓粗過程中的塑性變形和發(fā)展，通過分析等效應(yīng)變與等效應(yīng)變率，驗證了摩擦的存在造成了塑性變形的不同時性和不均勻性，整個變形體將出現(xiàn)變形區(qū)的轉(zhuǎn)移和變形的交替發(fā)生。在摩擦影響程度的理論研究上，國內(nèi)的學者也做出了大量的研究，詳細地分析出摩擦對塑性加工的影響。例如1994年，大連鐵道學院的劉元文利用平衡方程與塑性條件建立起圓柱體不均勻鐓粗的應(yīng)力場，根據(jù)鐓粗力公式求解出圓柱體鐓粗的鼓形方程[19]。此外還有前文提到的惠媛媛對受不同摩擦影響的圓環(huán)鐓粗的研究，得到了在不同摩擦因子的影響下，最終成形件的影響程度值，進而建立出一整套摩擦數(shù)據(jù)。另外，在對摩擦研究的基礎(chǔ)上，1999年，合肥工業(yè)大學的楊洪波、劉明霞、胡獻國、吳旦中等人對冷擠壓工藝中的非穩(wěn)態(tài)成型過程進行分析，在考慮金屬塑性成形工藝中潤滑劑呈非牛頓特性的條件下，運用塑性成形理論和摩擦學原理建立了比較精確的潤滑模型，并運用該模型推導(dǎo)出油膜壓力、潤滑膜厚度、摩擦力的計算公式[20] [21]。 現(xiàn)行的塑性成形摩擦因子測定方法的優(yōu)缺點 綜合國內(nèi)外的研究成果，各種測定方法中都有其特定的測定參變量，使參變量成為摩擦因子影響的主要變形因素，摩擦因子的變化明顯地反映到參變量的變化上，最終通過測定參變量的定量變化達到測定摩擦因子的目的，例如圓環(huán)鐓粗法中的內(nèi)外直徑與柱形圓片平臺擠壓法的形狀比等。這種類型的測定方法簡單易行且測量直觀，但是它們忽略了金屬塑性變形的復(fù)雜性和影響摩擦因子因素的復(fù)雜性，最終的測量結(jié)果都會與真實情況產(chǎn)生相當大的偏差。因此，探尋摩擦對金屬塑性變形影響的內(nèi)在規(guī)律，并找出規(guī)律性的特定參變量，才是今后摩擦因子測定方法的研究方向[20]。下面就常用的幾種塑性成形中的摩擦因子測定方法展開探討： 圓環(huán)鐓粗法是在鍛造加工中經(jīng)常采用的摩擦因子測定方法，無論是其中的曲線標定法還是模擬試驗對比法，都很容易得到摩擦因子的值。但是，通過對圓環(huán)鐓粗的速度場分析，鐓粗時下模面接觸的金屬存在有大量的剛性區(qū)，摩擦狀態(tài)表現(xiàn)為靜摩擦，而與上模面接觸部分的金屬表現(xiàn)出明顯的流動行為，摩擦狀態(tài)為動摩擦，上下模面摩擦狀態(tài)的不同決定了圓環(huán)鐓粗法測定摩擦因子方法存在著相當大的誤差。另外，對于相同的工件幾何形狀來說，圓環(huán)鐓粗法的載荷相對較小，試驗工件的幾何形狀簡單，因此在接觸面壓力較高，幾何形狀復(fù)雜且新生面積增加較大的加工情況下就不太適用。 開式反向擠壓法是根據(jù)底厚與擠壓力的耦合關(guān)系來測定摩擦因子的大小。摩擦因子相對大時，相同的擠壓力就會成形出較大的底厚，同時成形相同的底厚就需要較大的擠壓力。此種測定方法在接觸面積大、擠壓力大的成形環(huán)境時有一定的反映現(xiàn)實摩擦情況的能力，但不能普遍地應(yīng)用。因為，在反擠的過程中，底厚中的金屬相當大的一部分由于受到?jīng)_頭和模具的限制作用，處于粘著的狀態(tài)，形成大量的剛性區(qū)，模具底部與側(cè)壁的摩擦狀況就不能夠真實的反映出來，造成最終測定結(jié)果的失真。 柱形圓片法摒除了圓環(huán)鐓粗測定摩擦因子法中的諸多不利因素，而且試驗工件成形過程中幾乎不存在剛性區(qū)，能夠通過幾何形狀直觀地反映出摩擦因子的影響，但是測量圓柱片的長度和寬度，并不能測定摩擦因子的細微差別，測定結(jié)果的分辨率并不高，難以達到預(yù)期的精度。綜上所述，測定摩擦因子的方向是研究如何避開金屬剛性區(qū)的負面影響，探尋出金屬在摩擦的影響下處于流動狀態(tài)的成形方式，真實全面地反映出摩擦環(huán)境的影響。 塑性成形中摩擦因子測定研究中存在的問題 由于影響摩擦因子的因素很多，而這些因素對摩擦因子的定量影響又很難確定，所以在現(xiàn)有的塑性理論中還沒有詳盡的摩擦理論公式，這就給具體的測定方法研究帶來困難，參考摩擦系數(shù)的測定方法，分析出研究中存在的問題包括：，僅靠某個特定的摩擦條件來估計摩擦因子的近似值，不能夠普遍地應(yīng)用于體積成形。同時，在整個的成形過程中，各種影響因素又在不斷的變化，進而影響到摩擦因子的變化，摩擦因子始終不是確定的值，所以很難精確地得到摩擦因子的值。，由于大面積的變形和內(nèi)部速度場的不均勻，使得測定的摩擦因子值有很大的偏差，這給現(xiàn)實中的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計、數(shù)值模擬以及新型潤滑劑的研制帶來了諸多不便。，不同的測定方法中，因為測定手段不同，就需要不同的對比標準，使得測定的摩擦因子難以做到統(tǒng)一，因此建立一種新的有效的評定手段，制定一套相關(guān)的評定對比標準就顯得尤為必要了。針對上述問題，就需要針對具體的摩擦條件進行摩擦性能的評價，通過分析摩擦及潤滑機理、對摩擦特性進行相對評價以及利用數(shù)值模擬軟件計算的摩擦條件來建立摩擦數(shù)據(jù)庫。 塑性成形中摩擦的存在，提高了成形載荷且降低了工件成形的表面質(zhì)量，為摩擦因子的測定帶來試驗與測量的不便。本文針對冷擠壓工藝中存在的摩擦與潤滑問題，對典型的擠壓工藝和潤滑材料通過上限元分析、數(shù)值模擬和工藝試驗進行分析研究，嘗試著建立起基于試驗的開式反擠壓參數(shù)與摩擦因子的關(guān)系模型，探尋摩擦因子與塑性變形中規(guī)律性的因素，為塑性成形中摩擦因子測定方法的標準化奠定理論基礎(chǔ)，并進行有利于測定設(shè)備設(shè)計與應(yīng)用的工藝試驗，以最終實現(xiàn)塑性成形中摩擦因子測定的簡易性、準確性與實用性。本文的研究通過上限法分析了圓塊開式反擠壓模型中金屬的成形規(guī)律以及最大成形力的計算；利用模擬軟件進行數(shù)值模擬，得到測定模型中摩擦因子對應(yīng)力場、速度場以及側(cè)面鼓形的影響，將測定模型中的規(guī)律性因素與摩擦因子的值對應(yīng)起來，更精確地反映出冷擠壓真實的摩擦情況，具有高度的摩擦條件復(fù)現(xiàn)性和與實際加工的相似性，為新型潤滑劑的研制與選用提供評定標準，提高成形工件的質(zhì)量。并可以優(yōu)化有限元模型，使得計算機數(shù)值模擬結(jié)果更接近實際，對材料加工工程學科及數(shù)字化制造技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。、主要內(nèi)容與技術(shù)路線 研究目標 針對塑性加工中的摩擦與潤滑問題，探討一種新型的定量評估潤滑效果的手段，并設(shè)計出相關(guān)的模具與尋找摩擦因子值對比標準。通過上限元分析、數(shù)值模擬和測定試驗研究來探討摩擦因子對工件形狀及大小、成形力等參數(shù)的影響規(guī)律，為最終實現(xiàn)評定手段的系列化、標準化奠定基礎(chǔ)。 主要內(nèi)容 本文采用上限元法、數(shù)值模擬、測定實驗相結(jié)合的研究方法對圓塊開式反擠壓測定模型進行研究，主要內(nèi)容包括：、載荷與行程的關(guān)系，并討論了摩擦因子對成形力的影響。，揭示金屬流動規(guī)律，獲得各種物理變量場。在對模擬結(jié)果的分析過程中，探討出最佳的摩擦因子測定參變量。并且還將本文論述的測定方法與圓環(huán)鐓粗測定法做出比較，闡述圓塊反擠測定法的穩(wěn)定性。這部分的內(nèi)容是本論文的重點。利用不同的潤滑劑進行圓塊的開式反擠壓，利用模擬建立的摩擦因子數(shù)據(jù)庫確定出各個潤滑條件下的摩擦因子大小，從實際的工藝情況驗證圓塊開式反擠壓測定摩擦因子的準確性與優(yōu)越性。 技術(shù)路線 根據(jù)影響摩擦因子的參數(shù)多的特點，基于摩擦因子測定中模擬試驗法的特點，通過對塑性成形中受摩擦影響參數(shù)的分析，制定出如圖1－2所示的技術(shù)路線：建立圓塊開式反擠的模型結(jié)構(gòu) 圓塊開式反擠模型的上限元法分析 圓塊開式反擠測定模型的數(shù)值模擬分析摩擦因子影響的工藝參數(shù)的模擬分析確定最佳的測定參變量試驗驗證 圖1－2 技術(shù)路線圖49塑性成形中的摩擦理論2塑性成形中的摩擦理論 摩擦因子的測定方法是基于金屬塑性成形中的摩擦理論而確定的，摩擦因子的測定目前還沒有一種公認的方法，其關(guān)鍵就是缺乏與摩擦相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與公式，因此分析摩擦的基礎(chǔ)理論以及摩擦對金屬成形的影響規(guī)律對摩擦因子測定方法的模型建立具有很重要的意義。本章將對塑性成形中的摩擦理論進行闡述，并分析影響摩擦因子的因素以及摩擦因子在塑性成形中的適用范圍與特點，為開式反擠壓的理論分析、數(shù)值模擬以及工藝試驗建立起理論上的基礎(chǔ)。本章將集中地對塑性成形中的摩擦機理、摩擦狀況以及摩擦條件進行詳細的論述與分析[22]~ [28]。塑性成形過程中摩擦的性質(zhì)是復(fù)雜的，目前關(guān)于摩擦產(chǎn)生的原因有三種學說： 此學說認為摩擦是由于接觸面上的凹凸形狀引起的。因為所有經(jīng)過機械加工的表面并非絕對平坦光滑的，都有不同程度的微觀凸牙和凹坑。當凸凹不平的兩個表面相互接觸時，并在壓力的作用下，一個表面的“凸牙”可能會插入另一個表面的“凹坑”，產(chǎn)生機械咬合。這樣的接觸表面在外力作用下產(chǎn)生相對運動時，相互咬合的凸牙部分被切斷，或使其產(chǎn)生剪切變形。此時摩擦力表現(xiàn)為這些凸牙被切斷或產(chǎn)生剪切變形時的阻力。根據(jù)這一觀點，相互接觸的表面越粗糙，微“凸牙”和“凹坑”就越大，相對運動時的摩擦力就越大。 當兩個接觸表面非常光滑時，摩擦力不但不降低，反而會提高，這一現(xiàn)象無法用凹凸學說來解釋。這就產(chǎn)生了分子吸附學說，認為摩擦產(chǎn)生的原因是由于接觸表面上分子之間相互吸引的結(jié)果。物體表面越光滑，實際接觸面積就越大，分子吸附力就越強，則摩擦