[發(fā)明專利]一種金屬塑性成形中的摩擦因子測算方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210481242.8
• 申請日: 2012-11-23
• 公開（公告）號: CN102944513A
• 公開（公告）日: 2013-02-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 梅德慶;姚喆赫;沈輝;陳子辰
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號: G01N19/02
• 分類號: G01N19/02
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 林懷禹

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種摩擦因子測算方法，尤其涉及一種金屬塑性成形中的摩擦因子測算方法。

背景技術(shù)

在金屬塑性成形過程中，工件與模具之間的接觸摩擦普遍存在。例如在金屬鐓粗、擠壓、壓印、拉拔等典型塑性成形工藝過程中，力能消耗、變形特性和規(guī)律、模具磨損、成形產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率等，都和接觸摩擦條件密切相關(guān)，并受其顯著影響。因此，研究金屬塑性成形過程中摩擦問題具有重要的意義。

接觸摩擦的本質(zhì)極為復(fù)雜，盡管已經(jīng)過幾個世紀(jì)的研究，接觸摩擦的機理仍不明確。在金屬塑性成形過程中，接觸面不同位置的摩擦因子并非一致，且在成形過程中也具有時變特征。可見，嚴(yán)格意義上，接觸摩擦在空間上和時間上都非定值，但在理論計算和實際生產(chǎn)中一般都假設(shè)接觸面各位置的摩擦因子相同且不隨時間改變。所謂金屬塑性成形中的摩擦因子，可以認(rèn)為是金屬塑性成形過程中的平均摩擦因子。

金屬塑性成形中的摩擦因子m的定義式為m=τ/K，其中，τ為摩擦切應(yīng)力，K為工件金屬的剪切屈服強度。在金屬塑性成形中，摩擦因子不易直接測量，常見的測算方法主要有圓環(huán)壓縮法、雙杯擠壓法及圓柱鐓粗法。其中，圓柱鐓粗法所利用的基本原理是：圓柱工件在鐓粗變形時在接觸摩擦的作用會發(fā)生側(cè)面鼓脹現(xiàn)象，并且，摩擦越大鼓脹越明顯，因此，圓柱鼓脹程度反映了接觸摩擦因子的大小。

盡管定性上接觸摩擦因子與圓柱鼓脹程度存在著正相關(guān)關(guān)系，但定量上尚缺少一種精確的計算方法可以根據(jù)圓柱鼓脹程度方便地計算出接觸摩擦因子。一般可采用理論迭代計算方法、有限元模擬或大量實驗的方法，得出一組曲線，再將圓柱鐓粗鼓脹測量實驗結(jié)果與曲線對比，大致估計出接觸摩擦因子。由于不可能針對所有材料和所有摩擦因子的情況制作曲線，給這種方法帶來了不便和誤差。

2004年，R.?Ebrahimi和A.?Najafizadeh在《Journal?of?Materials?Processing?Technology》雜志第152卷第136–143頁提出了一種摩擦因子與圓柱鐓粗鼓脹的關(guān)系模型：???????????????????????????????????????????????，其中，H為變形后圓柱高度，ΔH為圓柱高度變形量，ΔR為變形后圓柱最大半徑（鼓脹處）與最小半徑（接觸處）之差，R為變形后圓柱平均半徑；R采用公式計算，其中，R₀為圓柱初始半徑，H₀為圓柱初始高度。該測算方法基于圓柱鐓粗前后的幾何測量數(shù)據(jù)和簡單的計算得到摩擦因子，方法簡單方便，然而，該測算方法沒有考慮材料不同的影響，而且該方法得到的摩擦因子與實際誤差頗大，誤差的主要來源有：a）該方法基于圓柱鐓粗過程的上限法近似求解，在模型推導(dǎo)中存在大量的數(shù)學(xué)近似；b）該方法基于的物理模型只考慮了鼓脹效應(yīng)，忽略了翻疊效應(yīng)，而翻疊效應(yīng)對于成形件的端面半徑影響頗大。

可見，基于圓柱鐓粗的摩擦因子測算方法當(dāng)前主要存在的問題有：

(1)?一般沒有能夠考慮到金屬材料不同所造成的影響；

(2)?測算方法在方便性和準(zhǔn)確性上一般不能同時滿足要求。

為了開發(fā)一種實用的金屬塑性成形中的摩擦因子測算方法，能夠基于圓柱鐓粗成形鼓脹輪廓的基本幾何數(shù)據(jù)，方便準(zhǔn)確地測算出摩擦因子，進(jìn)而促進(jìn)金屬塑性成形理論與工藝技術(shù)的發(fā)展，對于現(xiàn)有的圓柱鐓粗測算摩擦因子的方法進(jìn)行改進(jìn)是十分必要的。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種基于圓柱鐓粗法的金屬塑性成形摩擦因子測算方法。先通過標(biāo)準(zhǔn)金屬材料拉伸試驗，獲得被測工件材料的力學(xué)特性參數(shù)；將圓柱工件鐓粗壓縮變形，測量工件變形前后的幾何數(shù)據(jù)；綜合力學(xué)參數(shù)及鐓粗幾何數(shù)據(jù)，通過本發(fā)明所公開的公式計算，可獲得金屬塑性成形中的摩擦因子。

本發(fā)明的基本原理是：

圓柱壓縮時，如果接觸表面沒有摩擦，圓柱壓縮變形后仍然為圓柱形。但摩擦普遍存在，由于接觸表面摩擦的阻礙作用，使表面層的水平流動速度小于中心層，因而導(dǎo)致出現(xiàn)側(cè)面鼓脹。從能量的角度來解釋，金屬塑性變形過程中材料的流動趨向于耗能較小的方式，產(chǎn)生側(cè)面鼓脹可以使得接觸面相對滑動減少，減小了摩擦阻耗，另一方面，鼓脹使得材料變形程度增大，變形阻耗增大，因此，鼓脹程度也受到了限制。可見，圓柱形金屬鐓粗成形中鼓脹現(xiàn)象的產(chǎn)生以及鼓脹程度的大小，可以看作是摩擦阻耗和變形阻耗的共同作用結(jié)果。