【正文】 ， (b) ， 圖512 不同摩擦因子下的等效應(yīng)力場上表面為球形沖頭下壓的反擠變形，下表面為近似鐓粗變形，由于成形方法以及影響效果的不同，相對于下表面的鐓粗變形來說，上表面的變形在對整個應(yīng)力場和速度場的影響中處于優(yōu)勢。同在摩擦因子的情況下，的狀況下等效應(yīng)力要大于的情況，而且影響范圍也要遠(yuǎn)大于的情況，成形力P也略大于的情況。在摩擦因子的情況下，當(dāng)上表面的摩擦因子時，上表面摩擦阻礙程度低，應(yīng)力集中程度略低，因此變形程度要比下表面的摩擦因子時略高。 擠壓速度也是影響測定過程的一個關(guān)鍵因素，擠壓速度的增加將提高金屬的流動速率，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。擠壓速度的不同將會影響到圓塊最終成形的形狀，對測量的精度產(chǎn)生影響，如圖513所示：但是，塑性變形時，金屬已經(jīng)達(dá)到了屈服的極限，因此擠壓速度的變化對擠壓力的影響不是很大。另外，數(shù)值模擬的結(jié)果顯示，在不同的擠壓速度下，摩擦因子m與圓塊外徑依然呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律，更加驗證了圓塊開式反擠測量摩擦因子方法的穩(wěn)定性。 圖5－13 擠壓速度－圓塊外徑關(guān)系圖 在上面的模擬分析中，我們確定了使用圓塊開式反擠件的外徑做為測定參變量，在圓環(huán)的鐓粗測定法中，是使用圓環(huán)件的內(nèi)外徑變化量做為測定參變量。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。為此，對相同摩擦因子的兩種測定方法進(jìn)行了比較。，圓塊件直徑20mm，高10mm，壓縮量6mm；圓環(huán)件外徑20mm，內(nèi)徑10mm，壓縮量5mm。兩種測定方法的速度場如圖5－14所示：在對比中可以看出,圓塊開式反擠的速度場處在一種穩(wěn)定的狀態(tài),金屬穩(wěn)定地向圓周外緣方向擴(kuò)散,與模具接觸面形成極少的金屬停滯區(qū),能較好的反映出摩擦的效果，圓環(huán)鐓粗測定法沒有均勻的速度場, (a) 開式反擠速度場陰影圖 (b) 開式反擠速度場流勢圖速度方向更趨向于向下的速度趨勢,因此形成大面積的金屬停滯區(qū), 摩擦效果就不能夠完全的表現(xiàn)出來，測定的摩擦因子也不準(zhǔn)確。 (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10＃鋼的圓塊工件的數(shù)值模擬，對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)行了分析對比。（1） 根據(jù)模擬的結(jié)果得出，在選擇合理的開式反擠壓結(jié)構(gòu)后，選用適當(dāng)?shù)膮⒆兞繉δΣ烈蜃舆M(jìn)行定量的測定是可行的，這為試驗的研究提供了理論依據(jù)。（2） 模擬結(jié)果表明，開式反擠壓成形過程中，圓塊工件的上直徑將發(fā)生復(fù)雜的變化，受不同的摩擦因子的影響，上直徑的變化也呈現(xiàn)不同的變化趨勢。（3） 在對數(shù)值模擬結(jié)果的等效應(yīng)力場、速度場的分析中，發(fā)現(xiàn)圓塊工件下表面變形的不均勻性，由于受摩擦阻力的影響，中心部位受到很大的應(yīng)力，但是速度卻很小，處在停滯的狀態(tài)，這給利用下直徑進(jìn)行摩擦因子的定量測定帶來了困難，因此不能將其作為測定的參變量。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。（4） 通過對一系列摩擦因子的模擬結(jié)果分析后，用最小二乘法擬合出摩擦因子與圓塊成形外徑間的關(guān)系式，為試驗中摩擦因子的定量測定提供了一種簡便易行的手段。（5） 通過不同擠壓速度的模擬結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)了擠壓速度對圓塊外徑的顯著影響。（6） 開式反擠壓比圓環(huán)鐓粗具有更加穩(wěn)定的速度場，更能完全地反映出真實的摩擦效果，比圓環(huán)鐓粗測定摩擦因子更具有對冷擠壓工藝的復(fù)制性。開式反擠壓測定摩擦因子的試驗研究6 開式反擠壓測定摩擦因子的試驗研究 引言 開式反擠壓圓塊提出了新的測定摩擦因子的方法。由于摩擦因子受多種因素的影響，以及開式反擠壓圓塊過程的復(fù)雜性，故在理論研究和模擬過程中都要做一些假設(shè)，以使復(fù)雜問題簡單化，但是這會造成計算結(jié)果偏離實際情況。例如對圓塊工件的速度場進(jìn)行數(shù)值求解時，假設(shè)上部分的I區(qū)內(nèi)的速度為均勻變化，而實際中，由于受到球形沖頭擠壓和圓塊上表面的壓縮作用，I區(qū)內(nèi)的速度肯定會發(fā)生急劇的變化，以致影響到外徑的最終成形大小。因此，為了驗證理論分析計算和數(shù)值模擬的可靠性，有必要進(jìn)行試驗研究。 本章分別針對不同的摩擦因子，選用不同的摩擦條件進(jìn)行試驗研究，主要對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。另外，確定了各種摩擦條件下潤滑劑的潤滑效果，同時對擠壓力進(jìn)行實時測量，并且與模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，最后在分析與對比的基礎(chǔ)上提出了優(yōu)化方案。 試驗條件 根據(jù)數(shù)值模擬的分析，試驗工件材料選用10＃鋼，為了提高塑性，消除內(nèi)應(yīng)力，預(yù)先對材料進(jìn)行退火處理（760℃保溫2小時，隨爐冷卻）。毛坯外徑D＝20mm，高H＝10mm，表面精磨，其材料的力學(xué)性能見表61： 表61 毛坯的力學(xué)性能σs /Mpaσb/MPaσs /σb δ% 205 335 摩擦因子測定用摩擦條件采用潤滑方式以及摩擦方式，擴(kuò)大摩擦因子大小的范圍，從整體上驗證開式反擠壓的測定方法。選擇H4型水基高分子潤滑劑、石墨粉、石蠟、動物油、氧化鐵等作為潤滑劑。 試驗設(shè)備包括400KN手動液壓機(jī)、壓力傳感器、信號轉(zhuǎn)換器、函數(shù)記錄儀等，如圖61所示。 結(jié)合圓塊開式反擠壓的理論計算以及數(shù)值模擬的結(jié)果，并根據(jù)現(xiàn)有條件，選用400KN的手動液壓機(jī)作為擠壓設(shè)備。為了實時記錄試驗過程中的擠壓力數(shù)據(jù)，選用了壓力傳感器、信號放大器以及函數(shù)記錄儀，以時間T作為擠壓力P變化參變量，記錄擠壓力的實時變化量。圖6－1 試驗設(shè)備圖 試驗中的模具采用側(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。 下模 內(nèi)六角螺釘 凸模 支撐板 導(dǎo)向板 圓塊工件 圖62 模具結(jié)構(gòu)圖 在實際的試驗過程中，保證模具中心與液壓機(jī)中心的對正。另外，與毛坯接觸的凸模面和下模面每次試驗完畢后都要進(jìn)行細(xì)致的擦拭，除掉殘留的潤滑劑，保證表面的光潔，以免影響到下一次試驗中的摩擦條件，試驗?zāi)＞呷鐖D63所示。 (a) 試驗?zāi)＞哐b配圖 (b) 試驗?zāi)＞卟鹕D 圖6－3 試驗?zāi)＞邎D 試驗結(jié)果 為了方便與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比，力求試驗條件與數(shù)值模擬中設(shè)置的條件一致，工件材料為退火的10＃鋼，毛坯尺寸與數(shù)值模擬中的毛坯尺寸相同，下壓行程6mm，上下表面粗糙度與潤滑狀態(tài)相同。另外，受試驗設(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。為了保證試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，剔除隨機(jī)誤差，對相同的摩擦條件做四個工件，最終結(jié)果取平均值。試驗用毛坯及最終成形工件如圖64所示： 圖6－4 試驗毛坯及工件圖 通過試驗，得到圓塊開式反擠壓工件在不同摩擦條件下的壓縮側(cè)鼓外徑以及最大擠壓力，對每組數(shù)據(jù)取平均值，得到的結(jié)果見表62。 表6－2 不同摩擦條件下的試驗結(jié)果氧化鐵干摩擦石蠟豬油 石墨H4型水基高分子 / mmP / N 26800 25300 21500 21200 2020019700 試驗結(jié)果分析a、摩擦因子的確定與誤差分析 參照第五章中外徑數(shù)值模擬結(jié)果中的擬合關(guān)系式，對試驗結(jié)果進(jìn)行求解處理，可以得到各種摩擦條件下的摩擦因子的數(shù)值，詳見表6－3。 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逐漸減少，摩擦條件反而有利于金屬的流動，因此在氧化鐵的摩擦條件下測定的摩擦因子值略微偏小。b、擠壓力P試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的對比分析 試驗與數(shù)值模擬所得到的擠壓力與行程曲線基本上吻合，試驗中的擠壓力略大于數(shù)值模擬的結(jié)果。例如，摩擦條件為H4型水基高分子潤滑劑的情況下，試驗所得到的最大擠壓力為19700N，根據(jù)該摩擦條件下測定的摩擦因子大小值m＝，其數(shù)值模擬的最大擠壓力為19500N，如圖65所示，最大擠壓力的模擬結(jié)果比試驗結(jié)果小1%，誤差相當(dāng)小，達(dá)到了試驗的預(yù)期目的，驗證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。 圖6－5 H4型水基高分子潤滑劑擠壓力對比圖 c、工件的成形質(zhì)量分析 工件的成形質(zhì)量與工藝潤滑有密切的關(guān)系，良好的潤滑不僅可以提高工件成形質(zhì)量，還可以降低成形力，降低模具的磨損，提高模具壽命。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。石墨粉潤滑效果也相當(dāng)好，工件表面質(zhì)量與H4型高分子潤滑劑的情況下大致相同。豬油與石蠟潤滑效果較差，接觸面質(zhì)量略差。 (1) 通過試驗研究，獲得了圓塊開式反擠壓測定摩擦因子方法的重要參數(shù)數(shù)據(jù)（如外徑、擠壓力、表面質(zhì)量等），并成形出理想的反擠壓工件。 (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，驗證了圓塊開式反擠壓測定摩擦因子方法的可行性。 (3) 分析擠壓力試驗結(jié)果與模擬結(jié)果的差異，驗證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。 (4) 分析了不同摩擦條件下工件的成形質(zhì)量。7 結(jié)論與展望 結(jié)論本文通過理論分析、數(shù)值模擬與工藝試驗相結(jié)合的方法，對圓塊開式反擠壓測定摩擦因子的方法展開研究與探討，得到的結(jié)論如下： (1) 運用上限元法建立起圓塊開式反擠壓模型的動可容速度場，并計算出受摩擦因子影響的成形力的上限解。試驗表明，理論計算結(jié)果與實測結(jié)果基本吻合，成形力實測結(jié)果較小于理論計算結(jié)果，相差21％。另外，通過動可容速度場分析的金屬流動規(guī)律與側(cè)面鼓形的變化趨勢也得到了試驗的驗證。 (2) 提出了采用圓塊開式反擠壓測定摩擦因子的新方法，確定了圓塊開式反擠壓成形的外徑為測定摩擦因子的標(biāo)準(zhǔn)參變量。運用數(shù)值模擬的方法得到了系列摩擦因子下外徑的值，利用最小二乘法進(jìn)行擬合，建立起摩擦因子與測定標(biāo)準(zhǔn)參變量間的對應(yīng)關(guān)系式，并驗證其準(zhǔn)確性。 (3) 設(shè)計出圓塊開式反擠壓的模具，通過工藝試驗，成功地測定出不同摩擦條件下成形的摩擦