面向复杂大变形的摩擦因子测定方法

摘要

一种面向复杂大变形的摩擦因子测定方法，考虑到实际金属零件复杂大变形过程中经常发生的正挤压与反挤压的复合变形行为模式，优选挤压试件以提高其对摩擦与润滑条件的敏感性，优选后目标挤压件的基本设计要求为：挤压件杯部内外径之比为0.77～0.84，挤压件杆部直径与坯料初始直径之比为0.67～0.80，杯部与杆部过度倾角为45°～50°。对经过润滑处理的高径比为1:1圆柱坯料进行正反复合挤压获得目标挤压试件，然后测量挤压试件的正挤杆部长度、反挤杯部高度与深度的尺寸，并使用基于数值模拟技术构建的两套适用范围不同的标定曲线，依据挤压试件杯部与杆部的比值以及挤压行程，确定当前润滑条件下的摩擦因子。

权利要求

1.一种面向复杂大变形的摩擦因子测定方法，其特征在于，通过将润滑后的坯料通过正反复合挤压成形得到目标挤压试件，然后通过检测试件的特征尺寸，获得其相对挤压行程，从标定曲线中查询获得对应的摩擦因子；

所述的目标挤压试件包括：杯部、杆部和过渡区，其中：杯部的内外径之比为0.77～

0.84，杆部的直径与坯料初始直径之比为0.67～0.80，杯部与杆部的过渡倾角为45°～50°；

所述的特征尺寸是指：目标挤压试件的杯部高度h1与杆部长度h3的比值，通过游标卡尺测出挤压试件的杯部高度h1和杆部长度h3，每个尺寸均使用多次测量并取平均的办法确定具体数值。

2.根据权利要求1所述的面向复杂大变形的摩擦因子测定方法，其特征是，所述的坯料高径比为1:1，该坯料的两端倒0.5mm的圆角。

3.根据权利要求1所述的面向复杂大变形的摩擦因子测定方法，其特征是，所述的润滑处理包括但不限于：磷皂化处理、润滑剂喷雾处理和润滑介质涂覆处理。

4.根据权利要求1所述的面向复杂大变形的摩擦因子测定方法，其特征是，所述的正反复合挤压成形，通过将润滑处理后的坯料放入挤压模具内进行正反复合挤压成形，获得目标挤压试件，重复这一过程以得到3-5个目标挤压试件。

5.根据权利要求1所述的面向复杂大变形的摩擦因子测定方法，其特征是，所述的相对挤压行程Δh为挤压行程与初始坯料高度之比，其中：挤压行程即坯料高度h0减去目标挤压试件的杯部深度h2。

6.根据权利要求1所述的面向复杂大变形的摩擦因子测定方法，其特征是，所述的标定曲线，通过以下方式得到：根据圆柱坯料的名义尺寸，建立有限元模型，设定坯料与挤压模具间的剪切摩擦因子，模拟坯料正反复合挤压变形过程，提取变形后挤压试件杯部与杆部变化的历史数据，计算杯部与杆部的比值，同时计算相对挤压行程，从而获得摩擦因子标定曲线。

说明书

面向复杂大变形的摩擦因子测定方法

技术领域

[0001] 本发明涉及的是一种机械加工领域的技术，具体是一种面向复杂大变形的摩擦因子测定方法。

背景技术

[0002] 实际工业生产中，多数金属零件是通过复杂大塑性变形完成的，面向复杂零件的塑性成形工艺设计需要丰富的设计经验支持，而逐渐成熟数值模拟技术可以有效地降低对经验的依赖性，那么建立准确的数值模拟计算模型就变得非常重要。准确的数值模拟计算，可以获得准确工艺计算机模拟结果，从而指导实际工艺设计。

[0003] 对于塑性大变形而言，摩擦因子是数值模拟计算模型的关键参数，摩擦因子的大小直接影响金属发生复杂大塑性变形时的流动规律，从而影响模拟计算结果的准确性。因此，如何比较准确地测定相应的摩擦因子，已成为本领域的重要研究方向。

[0004] 圆环镦粗测试法是测定塑性变形时摩擦因子的经典方法，但是由于圆环镦粗变形过程自身变形程度较小且形状简单，所以该方法不能完全适用于复杂大变形的情况。现有的冷锻摩擦与润滑条件的定量测试方法以及基于带内筋圆环压缩变形的摩擦因子测定方法，虽然提升了测试的方便性与准确度，但是也不能代表复杂大变形。

[0005] 日本岐阜大学王志刚教授在论文“冷锻用线材表面润滑膜润滑性能的新评价方法”(塑性工程学报，2002，9(4)：56‐59)，以一个参数λ作为评价指标；和现有的锥形锻造润滑效果检测装置及方法通过试样锥形部分的高度H作为评价指标；以及冷挤压润滑效果检测装置及方法通过以凸模受力峰值作为评价指标。但是，这些方法并没有直接测定数值模拟所需的摩擦因子。

发明内容

[0006] 本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种面向复杂大变形的摩擦因子测定方法，考虑到实际金属零件复杂大变形过程中经常发生的正挤压与反挤压的复合变形行为模式，优选挤压试件以提高其对摩擦与润滑条件的敏感性，然后测量挤压试件的正挤杆部长度、反挤杯部高度与深度的尺寸，并使用基于数值模拟技术构建的两套适用范围不同的标定曲线，依据挤压试件杯部与杆部的比值以及挤压行程，确定当前润滑条件下的摩擦因子。

[0007] 本发明是通过以下技术方案实现的：

[0008] 本发明通过将润滑后的坯料通过正反复合挤压成形得到目标挤压试件，然后通过检测试件的特征尺寸，获得其相对挤压行程，从标定曲线中查询获得对应的摩擦因子。

[0009] 所述的目标挤压试件包括：杯部、杆部和过渡区，优选后目标挤压试件的基本要求为：杯部的内外径之比为0.77～0.84，杆部的直径与坯料初始直径之比为0.67～0.80，杯部与杆部的过渡倾角为45°～50°。

[0010] 所述的坯料为圆柱形结构，高径比优选为1∶1，该坯料的两端倒0.5mm的圆角。

[0011] 所述的润滑处理包括但不限于：磷皂化处理、润滑剂喷雾处理和润滑介质涂覆处理。

[0012] 所述的正反复合挤压成形，通过将润滑处理后的坯料放入挤压模具内进行正反复合挤压成形，获得目标挤压试件，重复这一过程以得到3‐5个目标挤压试件。

[0013] 所述的特征尺寸是指：是指：目标挤压试件的杯部高度h1与杆部长度h3的比值，优选通过游标卡尺测出挤压试件的杯部高度h1和杆部长度h3，每个尺寸均使用多次测量并取平均的办法确定具体数值。

[0014] 所述的相对挤压行程Δh为挤压行程与初始坯料高度之比，其中：挤压行程即坯料高度h0减去目标挤压试件的杯部高度与杯部深度的差值(h2‐h3)。

[0015] 所述的标定曲线，通过以下方式得到：根据圆柱坯料的名义尺寸，建立有限元模型，设定坯料与挤压模具间的剪切摩擦因子，模拟坯料正反符合挤压变形过程，提取变形后挤压试件杯部与杆部变化的历史数据，计算杯部与杆部的比值，同时计算相对挤压行程，从而获得摩擦因子标定曲线。

[0016] 所述的查询是指：根据杯部高度与杆部长度之比h3/h1，或者杆部长度与杯部高度之比h1/h3，以及相对挤压行程Δh，根据摩擦因子的预期范围选用对应的标定曲线即可确定所需测定的摩擦因子。

[0017] 技术效果

[0018] 与现有技术相比，本发明可以直接测得复杂大变形情况下的摩擦因子，测试过程只需要测量挤压试件的3个特征尺寸，相对比较方便；与传统的圆环镦粗法相比，该方法能更好地反映塑性大变形条件下模具与坯料之间的摩擦条件。

附图说明

[0019] 图1为本发明方法测试过程的示意图；

[0020] 图中：1为初始坯料，2为凸模，3为挤压试件，4为凹模。

[0021] 图2是以杯部高度与杆部长度之比h3/h1为纵坐标、摩擦因子测试范围为0.0～0.5的低摩擦标定曲线；

[0022] 图3是以杆部长度与杯部高度之比h1/h3为纵坐标、摩擦因子测试范围为0.5～1.0的高摩擦标定曲线。

[0023] 实施例1

[0024] 本实施例包括以下步骤：

[0025] 第一步、选用退火态的18CD4为毛坯材料，加工出直径25mm、高径比1∶1的圆柱试样，同时在两端倒0.5mm的圆角，并采用磷皂化工艺进行坯料的润滑处理；

[0026] 第二步、将润滑处理后的坯料放入挤压模具内进行正反复合挤压成形，获得目标挤压试件，其中：优选的试件关键参数分别为：挤压件杯部内外径之比r1/r0为0.84，挤压件杆部直径与坯料初始直径之比r2/r0为0.77，杯部与杆部过度倾角θ为45°。重复这一过程以得到3个挤压试件。

[0027] 第三步、测量挤压试件关键尺寸：采用游标卡尺测出挤压试件的杯部高度h1、杯部深度h2和杆部长度h3，每个尺寸均使用多次测量并取平均的办法确定具体数值。3个挤压试件测得的h1、h2和h3值为：10.20mm、5.02mm与25.15mm，10.14mm、3.95mm与26.27mm，10.11mm、2.76mm与27.52mm。

[0028] 第四步、计算杆部长度与杯部高度的比值：根据测得的杯部高度h1与杆部长度h3，可以计算3个挤压试件对应h1/h3比值为0.406、0.386与0.367，对应h3/h1的比值为2.466、2.591与2.722。

[0029] 第五步、计算相对挤压行程：用初始坯料高度(h0)减去杯部高度与杯部深度的差值(h2‐h3)即可得挤压行程，相对挤压行程Δh为挤压行程与初始坯料高度之比。3个挤压试件所对应的挤压行程分别为：79.92、84.20与88.96。

[0030] 第六步、确定摩擦因子：根据杯部高度与杆部长度之比h3/h1和挤压行程Δh，查询图2所示标定曲线，即可确定所需测定的摩擦因子为0.16。

[0031] 实施例2

[0032] 本实施例包括以下步骤：

[0033] 第一步、选用退火态的18CD4为毛坯材料，加工出直径25mm、高径比1∶1的圆柱试样，同时在两端倒0.5mm的圆角，并采用一种无氯润滑油进行坯料的涂覆润滑处理；

[0034] 第二步、将润滑处理后的坯料放入挤压模具内进行正反复合挤压成形，获得目标挤压试件，其中：优选的试件关键参数分别为：挤压件杯部内外径之比r1/r0为0.84，挤压件°杆部直径与坯料初始直径之比r2/r0为0.77，杯部与杆部过度倾角θ为45。重复这一过程以得到3个挤压试件。

[0035] 第三步、测量挤压试件关键尺寸：采用游标卡尺测出挤压试件的杯部高度h1、杯部深度h2和杆部长度h3，每个尺寸均使用多次测量并取平均的办法确定具体数值。3个挤压试件测得的h1、h2和h3值为：9.04mm、5.15mm与25.60mm，8.51mm、3.95mm与27.10mm，8.37mm、3.16mm与28.43mm。

[0036] 第四步、计算杆部长度与杯部高度的比值：根据测得的杯部高度h1与杆部长度h3，可以计算3个挤压试件对应h1/h3比值为0.353、0.314与0.294，对应h3/h1的比值为2.832、3.184与3.397。

[0037] 第五步、计算相对挤压行程：用初始坯料高度(h0)减去杯部高度与杯部深度的差值(h2‐h3)即可得挤压行程，相对挤压行程Δh为挤压行程与初始坯料高度之比。3个挤压试件所对应的挤压行程分别为：79.40％、84.20％与87.36％。

[0038] 第六步、确定摩擦因子：根据杯部高度与杆部长度之比h3/h1和挤压行程Δh，查询图2所示标定曲线，即可确定所需测定的摩擦因子为0.06。

[0039] 实施例3

[0040] 本实施例包括以下步骤：

[0041] 第一步、选用退火态的18CD4为毛坯材料，加工出直径25mm、高径比1∶1的圆柱试样，同时在两端倒0.5mm的圆角，并采用PTFE进行坯料的喷雾润滑处理；

[0042] 第二步、将润滑处理后的坯料放入挤压模具内进行正反复合挤压成形，获得目标挤压试件，其中：优选的试件关键参数分别为：挤压件杯部内外径之比r1/r0为0.84，挤压件杆部直径与坯料初始直径之比r2/r0为0.77，杯部与杆部过度倾角θ为45°。重复这一过程以得到3个挤压试件。

[0043] 第三步、测量挤压试件关键尺寸：采用游标卡尺测出挤压试件的杯部高度h1、杯部深度h2和杆部长度h3，每个尺寸均使用多次测量并取平均的办法确定具体数值。4个挤压试件测得的h1、h2和h3值为：10.03mm、5.73mm与23.95mm，9.88mm、4.64mm与25.39mm，9.99mm、3.71mm与26.65mm，9.85mm、2.67mm与27.84mm。

[0044] 第四步、计算杆部长度与杯部高度的比值：根据测得的杯部高度h1与杆部长度h3，可以计算3个挤压试件对应h1/h3比值为0.419、0.389、0.375与0.354，对应h3/h1的比值为2.388、2.570、2.668与2.826。

[0045] 第五步、计算相对挤压行程：用初始坯料高度(h0)减去杯部高度与杯部深度的差值(h2‐h3)即可得挤压行程，相对挤压行程Δh为挤压行程与初始坯料高度之比。3个挤压试件所对应的挤压行程分别为：77.08％、81.44％、85.16％与89.32％。

[0046] 第六步、确定摩擦因子：根据杯部高度与杆部长度之比h3/h1和挤压行程Δh，查询图2所示标定曲线，即可确定所需测定的摩擦因子为0.14。

[0047] 上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。