[发明专利]一种金属塑性成形中的摩擦因子测算方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种摩擦因子测算方法，尤其涉及一种金属塑性成形中的摩擦因子测算方法。

背景技术

在金属塑性成形过程中，工件与模具之间的接触摩擦普遍存在。例如在金属镦粗、挤压、压印、拉拔等典型塑性成形工艺过程中，力能消耗、变形特性和规律、模具磨损、成形产品质量和生产效率等，都和接触摩擦条件密切相关，并受其显著影响。因此，研究金属塑性成形过程中摩擦问题具有重要的意义。

接触摩擦的本质极为复杂，尽管已经过几个世纪的研究，接触摩擦的机理仍不明确。在金属塑性成形过程中，接触面不同位置的摩擦因子并非一致，且在成形过程中也具有时变特征。可见，严格意义上，接触摩擦在空间上和时间上都非定值，但在理论计算和实际生产中一般都假设接触面各位置的摩擦因子相同且不随时间改变。所谓金属塑性成形中的摩擦因子，可以认为是金属塑性成形过程中的平均摩擦因子。

金属塑性成形中的摩擦因子m的定义式为m=τ/K，其中，τ为摩擦切应力，K为工件金属的剪切屈服强度。在金属塑性成形中，摩擦因子不易直接测量，常见的测算方法主要有圆环压缩法、双杯挤压法及圆柱镦粗法。其中，圆柱镦粗法所利用的基本原理是：圆柱工件在镦粗变形时在接触摩擦的作用会发生侧面鼓胀现象，并且，摩擦越大鼓胀越明显，因此，圆柱鼓胀程度反映了接触摩擦因子的大小。

尽管定性上接触摩擦因子与圆柱鼓胀程度存在着正相关关系，但定量上尚缺少一种精确的计算方法可以根据圆柱鼓胀程度方便地计算出接触摩擦因子。一般可采用理论迭代计算方法、有限元模拟或大量实验的方法，得出一组曲线，再将圆柱镦粗鼓胀测量实验结果与曲线对比，大致估计出接触摩擦因子。由于不可能针对所有材料和所有摩擦因子的情况制作曲线，给这种方法带来了不便和误差。

2004年，R. Ebrahimi和A. Najafizadeh在《Journal of Materials Processing Technology》杂志第152卷第136–143页提出了一种摩擦因子与圆柱镦粗鼓胀的关系模型：                                               ，其中，H为变形后圆柱高度，ΔH为圆柱高度变形量，ΔR为变形后圆柱最大半径（鼓胀处）与最小半径（接触处）之差，R为变形后圆柱平均半径；R采用公式计算，其中，R₀为圆柱初始半径，H₀为圆柱初始高度。该测算方法基于圆柱镦粗前后的几何测量数据和简单的计算得到摩擦因子，方法简单方便，然而，该测算方法没有考虑材料不同的影响，而且该方法得到的摩擦因子与实际误差颇大，误差的主要来源有：a）该方法基于圆柱镦粗过程的上限法近似求解，在模型推导中存在大量的数学近似；b）该方法基于的物理模型只考虑了鼓胀效应，忽略了翻叠效应，而翻叠效应对于成形件的端面半径影响颇大。

可见，基于圆柱镦粗的摩擦因子测算方法当前主要存在的问题有：

(1) 一般没有能够考虑到金属材料不同所造成的影响；

(2) 测算方法在方便性和准确性上一般不能同时满足要求。

为了开发一种实用的金属塑性成形中的摩擦因子测算方法，能够基于圆柱镦粗成形鼓胀轮廓的基本几何数据，方便准确地测算出摩擦因子，进而促进金属塑性成形理论与工艺技术的发展，对于现有的圆柱镦粗测算摩擦因子的方法进行改进是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于圆柱镦粗法的金属塑性成形摩擦因子测算方法。先通过标准金属材料拉伸试验，获得被测工件材料的力学特性参数；将圆柱工件镦粗压缩变形，测量工件变形前后的几何数据；综合力学参数及镦粗几何数据，通过本发明所公开的公式计算，可获得金属塑性成形中的摩擦因子。

本发明的基本原理是：

圆柱压缩时，如果接触表面没有摩擦，圆柱压缩变形后仍然为圆柱形。但摩擦普遍存在，由于接触表面摩擦的阻碍作用，使表面层的水平流动速度小于中心层，因而导致出现侧面鼓胀。从能量的角度来解释，金属塑性变形过程中材料的流动趋向于耗能较小的方式，产生侧面鼓胀可以使得接触面相对滑动减少，减小了摩擦阻耗，另一方面，鼓胀使得材料变形程度增大，变形阻耗增大，因此，鼓胀程度也受到了限制。可见，圆柱形金属镦粗成形中鼓胀现象的产生以及鼓胀程度的大小，可以看作是摩擦阻耗和变形阻耗的共同作用结果。