【正文】 響下，最終成形件的影響程度值，進(jìn)而建立出一整套摩擦數(shù)據(jù)。因此，探尋摩擦對(duì)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]。 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。 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(yàn)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(xì)微差別，測定結(jié)果的分辨率并不高，難以達(dá)到預(yù)期的精度。，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(shí)中的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)值模擬以及新型潤滑劑的研制帶來了諸多不便。本文針對(duì)冷擠壓工藝中存在的摩擦與潤滑問題，對(duì)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(yàn)進(jìn)行分析研究，嘗試著建立起基于試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)化奠定理論基礎(chǔ)，并進(jìn)行有利于測定設(shè)備設(shè)計(jì)與應(yīng)用的工藝試驗(yàn)，以最終實(shí)現(xiàn)塑性成形中摩擦因子測定的簡易性、準(zhǔn)確性與實(shí)用性。通過上限元分析、數(shù)值模擬和測定試驗(yàn)研究來探討摩擦因子對(duì)工件形狀及大小、成形力等參數(shù)的影響規(guī)律，為最終實(shí)現(xiàn)評(píng)定手段的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化奠定基礎(chǔ)。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。 技術(shù)路線 根據(jù)影響摩擦因子的參數(shù)多的特點(diǎn)，基于摩擦因子測定中模擬試驗(yàn)法的特點(diǎn)，通過對(duì)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(yàn)驗(yàn)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(rèn)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(duì)金屬成形的影響規(guī)律對(duì)摩擦因子測定方法的模型建立具有很重要的意義。因?yàn)樗薪?jīng)過機(jī)械加工的表面并非絕對(duì)平坦光滑的，都有不同程度的微觀凸牙和凹坑。根據(jù)這一觀點(diǎn)，相互接觸的表面越粗糙，微“凸牙”和“凹坑”就越大，相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力就越大。 這一理論認(rèn)為，當(dāng)兩個(gè)表面接觸時(shí)，接觸面上某些接觸點(diǎn)處壓力很大，以致發(fā)生粘接或焊合，當(dāng)兩表面產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，粘結(jié)點(diǎn)被切斷而產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)。而機(jī)械傳動(dòng)中的摩擦則是發(fā)生在兩個(gè)摩擦物表面均處于彈性變形狀態(tài)情況下。由于塑性成形過程中接觸面上壓強(qiáng)高，接觸面間的潤滑劑容易被擠出，降低了潤滑效果。例如，鐓粗時(shí)，由于不斷形成新的接觸表面，工具與變形金屬得接觸表面隨著變形程度的增加而增加。在這種情況下，會(huì)產(chǎn)生氧化皮、模具材料軟化、潤滑劑分解而使性能變壞等一系列問題。 許多宏觀上很光滑的物體表面，在亞微觀下都很粗糙，于是物體表面的凸凹不平，使得兩物體只能在個(gè)別點(diǎn)上接觸，真實(shí)接觸面積只是宏觀接觸面積的極小部分（如圖21S）。 當(dāng)坯料與工具之間的接觸表面上加潤滑劑時(shí)，隨著接觸壓力的增加，坯料表面凸起部分被壓平，潤滑劑被擠入凹坑中，被封存在里面（如圖21b），這時(shí)在壓平部分與模具之間存在一層極薄的潤滑膜。大多數(shù)塑性成形 S—干摩擦部分 b—邊界摩擦部分 L—流體摩擦部分中的摩擦屬于邊界摩擦?；旌夏Σ潦前敫赡Σ梁桶肓黧w摩擦的統(tǒng)稱。其性質(zhì)由液體摩擦與邊界摩擦所占的面積比例而定，界于液體摩擦和邊界摩擦之間，但趨向液體摩擦。因?yàn)楫?dāng)＝＝K（被加工金屬的剪切屈服強(qiáng)度）時(shí)，被加工金屬的接觸面積將要產(chǎn)生塑性流動(dòng)，此時(shí)的極限值為被加工金屬的拉伸屈服強(qiáng)度Y（真實(shí)應(yīng)力）。 摩擦切應(yīng)力為相對(duì)滑動(dòng)速度的反正切函數(shù)的摩擦條件是常摩擦力條件的修正，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 (22) 式中 ——接觸面上的相對(duì)滑動(dòng)速度； ——相對(duì)滑動(dòng)速度與接觸面夾角。因?yàn)轶w積成形中，接觸面產(chǎn)生塑性流動(dòng)，正壓應(yīng)力達(dá)到金屬材料的拉伸屈服強(qiáng)度的極限，大于剪切屈服強(qiáng)度K，此時(shí)使用庫侖摩擦條件同樣會(huì)夸大摩擦的影響。 綜上所述，在常用的體積成形、上限元分析以及數(shù)值模擬的過程中，摩擦因子都是必不可少的參數(shù)，因此摩擦因子的測定方法研究具有重要的實(shí)用價(jià)值。 本章采用上限元法分析圓塊開式反擠的變形速度場，并算出成形力與行程的關(guān)系表達(dá)式[25] [26]，由此分析受摩擦因子影響的相關(guān)工藝參數(shù)，并確定了開式反擠測定摩擦因子的工藝方案。其證明如下：設(shè)有一剛塑性體，體積為V，表面積為S，受表面力作用，整體處于塑性狀態(tài)，表面分成位移面Su和力面ST兩部分，通常力面上的邊界條件和位移面上的邊界條件都是給定的。一般在塑性加工中,力面通常為自由表面，即＝0，于是式（33）即簡化為常用的形式 (34)載荷的上限值可在式（34）的基礎(chǔ)上方便的求出得。 圖3－2 圓塊開式反擠示意圖 圖3－3 圓塊開式反擠速度場的劃分圖 由研究對(duì)象的軸對(duì)稱性，并根據(jù)開式反擠壓成形過程中金屬的流動(dòng)特點(diǎn)，將變形區(qū)分為如圖33所示的三個(gè)區(qū)域，并做以下假設(shè)：此時(shí)的成形為穩(wěn)定狀態(tài)，即工件主要進(jìn)行徑向和微量的軸向運(yùn)動(dòng)，流動(dòng)曲面以軸線為中心，工件與模具接觸面的摩擦因子保持不變，材料是協(xié)調(diào)的，完全剛塑性的，滿足Mises屈服準(zhǔn)則以及體積不變定律。 在利用圓塊開式反擠壓測定摩擦因子值的時(shí)候，由于受摩擦影響塑性變形的復(fù)雜性，例如摩擦因子、圓環(huán)的形狀系數(shù)、擠壓速度等因素的影響，這就給測定工作帶來了不穩(wěn)定性的因素，因此有必要對(duì)開式反擠測試模型的金屬流動(dòng)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。有限元數(shù)值模擬相關(guān)原理及關(guān)鍵問題的處理4 有限元數(shù)值模擬相關(guān)原理及關(guān)鍵問題的處理金屬塑性成形一般為大變形問題，在塑性成形特別是體積成形過程中，材料的彈性變形量相對(duì)于塑性變形量可以忽略不計(jì)，可視為剛塑性材料。剛塑性有限元法每一加載步的計(jì)算是在以前材料累加變形的幾何形狀和硬化狀態(tài)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，而且每步變形量較小，因此可以用小變形的計(jì)算方法來處理塑性成形的大變形問題，且計(jì)算模型也比較簡單。根據(jù)這個(gè)速度場利用小變形幾何方程可以求出應(yīng)變速度場，進(jìn)而由本構(gòu)方程求得應(yīng)力場。剛塑性有限元法的一個(gè)基本假設(shè)是體積不變，罰函數(shù)法從這一點(diǎn)入手，引入一個(gè)很大的正數(shù)乘以體積應(yīng)變速率的平方，即 其中即為罰因子，是一個(gè)很大的正數(shù)，通常為105~106。求解非線性問題的一種常用方法是攝動(dòng)法，這種方法是先假設(shè)一個(gè)初始解，根據(jù)這個(gè)解求出修正量，利用修正量修改原始解，再由修正后的解求出新的修正量，這樣反復(fù)迭代來逼近真解。并采用Motif界面設(shè)計(jì)工具，將計(jì)算程序發(fā)展為商品化分析軟件DEFORMTM。其中有限元模擬器是集彈性、彈塑性、剛塑性、熱傳遞等于一體的有限元求解器；前處理器處理模具和坯料幾何信息的輸入、成形模擬條件的輸入等，與常用MDT、IDEAS、Pro/ENGINEER等有接口，便于幾何信息的輸入。此外，DEFORM系統(tǒng)的可視化的操作界面以及強(qiáng)大而完善的網(wǎng)格自動(dòng)再劃分技術(shù)，都使DEFORM軟件在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中變得愈來愈實(shí)用可靠。目前已經(jīng)發(fā)布了Pro/ENGINEER Wildfire 。本文所使用的有限元模擬軟件DEFORM的建模功能非常弱，特別是對(duì)于三維模型，全部需要靠外部輸入?！∪S模型的建立使用的是Pro/ENGINEER軟件，其模型結(jié)構(gòu)與實(shí)際模具在主要外觀和尺寸上基本是一致的。圖41是三維造型出來的圓塊開式反擠壓測定模具主要組成部分：(a)上模、(b)毛坯造型、(c)下模。二維模擬的未知量只是二次方的增長關(guān)系，而對(duì)于三維模擬來說，計(jì)算量以三次方的關(guān)系增長。圖42顯示為圓塊工件的三維網(wǎng)格劃分圖。前者迭代收斂速度較快，而后者則需較多的迭代步數(shù)才能收斂，因此本文的模擬都采用NewtonRaphson迭代法?！∧M的停止條件包括主模具的行程控制、時(shí)間控制、最大載荷、單步最大應(yīng)變等，可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇，作為控制的措施。這樣的情況?！癉EFORM”軟件前處理器中裝配時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格定位，嚴(yán)格控制相互之間的間隙等。模擬運(yùn)算結(jié)果的顯示包括：變形網(wǎng)格圖、等效應(yīng)力場、等效應(yīng)變分布、等效應(yīng)變速率、速度場、溫度場及載荷行程曲線等。但假如要得到具體到某點(diǎn)或某一局部區(qū)域細(xì)致的變形情況，普通的視圖就難以滿足要求，要實(shí)現(xiàn)此目的就須使用流動(dòng)網(wǎng)格法和點(diǎn)跟蹤技術(shù)。本章簡要介紹了剛塑性有限元法（罰函數(shù)法）的基本原理，討論了前后處理及求解過程中的若干關(guān)鍵技術(shù)問題的處理方法，為數(shù)值模擬的順利進(jìn)行奠定了基礎(chǔ)。 模擬采用模具結(jié)構(gòu)是由Pro/Engineer Wildfire軟件建立的三維模型轉(zhuǎn)換格式STL格式文件，并將其轉(zhuǎn)換到數(shù)值模擬軟件Deform中，使圓塊工件與模具的接觸情況與實(shí)驗(yàn)中采用結(jié)構(gòu)的接觸情況相同，模擬中模具結(jié)構(gòu)如圖51所示。在三種不同的摩擦因子下，擠壓力隨著摩擦因子的提高而升高。因此，下表面金屬處在不均勻的流動(dòng)中，在摩擦阻力最大的中心部位，金屬處在流動(dòng)的死區(qū)，摩擦狀態(tài)表現(xiàn)為靜摩擦，而在摩擦阻力相對(duì)較小的圓周地方，金屬處于緩慢的流動(dòng)狀態(tài)，這樣，圓塊的下表面的摩擦狀態(tài)包括著靜摩擦與動(dòng)摩擦，這就會(huì)造成下半徑受摩擦影響的不均勻性，雖然能反映出摩擦影響的趨勢，但是不能夠準(zhǔn)確地定位摩擦因子的大小。摩擦因子的大小直接影響著金屬變形不均勻程度的大小，圖5－7反映出隨著摩擦因子的增大，金屬變形不均勻程度也越大，圓塊件的側(cè)面鼓度也就越大。 圖5－10 測量參數(shù)示意圖 圖5－11 摩擦因子與圓塊外徑關(guān)系圖數(shù)值模擬過程中，由于摩擦因子的大小對(duì)速度場產(chǎn)生了影響，在摩擦因子相對(duì)較小的時(shí)候，外徑遞增的速度會(huì)快一些，其增加量較大；當(dāng)摩擦因子相對(duì)較大的時(shí)候，外徑遞增的速度較慢，其增加量較小，例如，但這些都在允許的誤差范圍內(nèi)，利用最小二乘法對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行曲線擬合[34]，不會(huì)影響到摩擦因子大小的測定。 開式反擠模型的最終成形形狀受上下表面摩擦因子的影響，因?yàn)槌尚畏绞降牟町?，上下表面的潤滑效果?duì)成形的影響程度并不一樣。 擠壓速度也是影響測定過程的一個(gè)關(guān)鍵因素，擠壓速度的增加將提高金屬的流動(dòng)速率，加大工件內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變的劇烈程度，使圓塊的外徑變化量增大。參變量的選定關(guān)系到最終測定結(jié)果的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。 (c) 圓環(huán)鐓粗速度場陰影圖 (d) 圓環(huán)鐓粗速度場流勢圖 圖5－14 m＝ 小結(jié) 本章通過對(duì)10＃鋼的圓塊工件的數(shù)值模擬，對(duì)開式反擠壓法測定摩擦因子進(jìn)行了基本的分析，并討論了摩擦因子與擠壓力、應(yīng)力場、速度場的關(guān)系，最終確定了摩擦因子測定的標(biāo)準(zhǔn)參變量,并與圓環(huán)鐓粗的模擬結(jié)果進(jìn)行了分析對(duì)比。深入的分析速度場發(fā)現(xiàn)，可以將最終成形的外徑作為測定摩擦因子的標(biāo)準(zhǔn)參變量。開式反擠壓測定摩擦因子的試驗(yàn)研究6 開式反擠壓測定摩擦因子的試驗(yàn)研究 引言 開式反擠壓圓塊提出了新的測定摩擦因子的方法。 本章分別針對(duì)不同的摩擦因子，選用不同的摩擦條件進(jìn)行試驗(yàn)研究，主要對(duì)圓塊工件的最終成形外徑與模擬結(jié)果進(jìn)行比較，參考其他相關(guān)變量，達(dá)到測定摩擦因子的目的。選擇H4型水基高分子潤滑劑、石墨粉、石蠟、動(dòng)物油、氧化鐵等作為潤滑劑。圖6－1 試驗(yàn)設(shè)備圖 試驗(yàn)中的模具采用側(cè)孔定位、導(dǎo)向板導(dǎo)向的開式反擠壓方式，保證凸模的垂直度以及下模面的平行度，如圖62所示。另外，受試驗(yàn)設(shè)備條件限制，因此采取緩慢下壓，1分鐘內(nèi)完成6mm的行程。 表6－3 不同摩擦條件下的摩擦因子摩擦條件氧化鐵干摩擦石蠟豬油石墨H4型水基高分子摩擦因子m 由表6－4得出得摩擦因子的值，可以看出各種摩擦條件下潤滑效果的大概趨勢，但是，由于潤滑劑在成形的過程中，隨著金屬變形的進(jìn)行，在反擠面上的潤滑劑會(huì)逐漸地減少，使摩擦條件變得惡劣，因此潤滑方式下測定的摩擦因子的值略微偏大；而氧化鐵作為潤滑劑的情況下，硬質(zhì)的氧化鐵會(huì)增大摩擦，但是隨著金屬變形的不斷進(jìn)行，接觸面的氧化鐵的量會(huì)逐漸減少，摩擦條件反而有利于金屬的流動(dòng)，因此在氧化鐵的摩擦條件下測定的摩擦因子值略微偏小。在選用的幾種潤滑劑中，H4型水基高分子潤滑劑潤滑效果最好，而且黏著力強(qiáng)，其潤滑薄膜能夠隨金屬變形的進(jìn)行而延伸，避免了模具與工件的直接接觸，起到了很好的潤滑效果，最終成形的工件具有良好的表面質(zhì)量。 (2) 分析不同摩擦條件下圓塊外徑的值，得到幾種特定摩擦條件下的摩擦因子的值，驗(yàn)證了圓塊開式反擠壓測定摩擦因子方法的可行性。試驗(yàn)表明，理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果基本吻合，成形力實(shí)測結(jié)果較小于理論計(jì)算結(jié)果，相差21％。 (3) 設(shè)計(jì)出圓塊開式反擠壓的模具，通過工藝試驗(yàn)，成功地測定出不同摩擦條件下成形的