（材料加工工程专业论文）植物粉水基冲压工艺润滑剂的研究.pdf

一一 山 东大学硕士学位论文 植物粉一水基冲压工艺润滑剂的研究 摘要 在冲压生产过程中，为了减小摩擦，提高模具寿命与产品质量，需要在工 件与模具之间使用润滑剂。但是，在传统润滑剂的制作、使用和清除过程中， 存在着严重污染环境的问题，不符合“环境友好材料”的要求。因此，急需开 发一种既有利于生态环境保护、同时也满足薄钢板冲压生产需求的新型绿色润 滑剂产品以取代传统的润滑剂产品。基于上述问题，本文主要以常用深冲钢板 0 8 a i 板为主要试验板材，研制了一种新型的适用于冲压工艺的绿色润滑剂一植 物粉一水基润滑剂，通过模拟成形性试验( 正交试验和单因素试验) ，重点研究 了植物粉种类、各组分浓度及成形工艺对该润滑剂减摩、润滑性能的影响，并 且与传统润滑剂的减摩、润滑性能进行了比较。此外，结合扫描电镜观察和有 限元数值分析，对其减摩、润滑机理和平均摩擦系数测定方法进行了初步探讨。 本文取得的研究成果和相关结论如下： ( 1 ) 自主研制了具有较好的减摩、润滑性能且可以提高板料的成形性能的植 物粉一水基润滑剂，通过正交试验实现了成分优化。 ( 2 ) 植物粉种类对该润滑剂减摩、润滑效果的影响较小。 ( 3 ) 在各组分浓度对该润滑剂城摩、润滑效果的影响中，植物粉浓度影响摄 大，增粘剂浓度影响其次，乳化剂浓度影响最小。 ( 4 ) 与传统的常用润滑剂相比，不同板材在不同的成形方式中使用植物粉一 水基润滑剂的减摩、润滑效果均较好。但是，在不同的成形方式中，该润滑剂 的应用效果改善程度不同，不同的成形方式所对应的成形性能的相对改善程度 依次为：胀形性能 扩孔性能 拉深性能 “拉深一胀形”复合成形性能。 ( 5 ) 植物糟一水基润滑剂之所以能超到减摩、润滑作用，其机理比较复杂。 我们初步认为，该润滑剂所形成的润滑膜中植物粉颗粒相对滑动和滚动时所对 应的摩擦机理的共同作用，导致了其良好的减摩、润滑效果，这两种机理分别 为：当植物粉颗粒滑动时，该润滑剂在板料与模具之间形成的一层润滑膜使 得模具与板料之间的剪切转移到了润滑膜添加剂内进行，从而降低了摩擦系数； 山东大学硕士学位论文 当植物粉颗粒滚动时，使得板料与模具之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，从而 减小了摩擦系数。 ( 6 ) 采用钣金成形模拟软件d y n a f o r m 对板料拉深成形过程进行了成功 的模拟。依据逆向模拟思路，根据设定的摩擦系数及其模拟所得最大拉深成形 力之间的关系，得到了计算平均拉深摩擦系数的回归方程式，并与凹模圆角处 拉深摩擦系数比较而进行了检验。 关键词：绿色润滑剂植物粉冲压工艺减摩润滑模拟成形性试验 山东大学硕士学位论文 t h er e s e a r c h0 nt h e 、e r b a s e dp l a n tp o w d e r l u b r 【c a n tu s e di np r e s s f o r m i n gp r o c e s s a b s t r a c t d u r i n gt h ep r e s s f o r m i n gp r o c e s s ，l u b r i c a n t s a r e w i d e l yu s e dt o r e d u c et h e f r i c t i o nb e t w e e nm e t a ls h e e ta n dt o o l s 。p r o l o n gt h el i f e s p a no fm o u l da n dd i ea n d i m p r o v e t h e q u a l i t y o fp r o d u c t s w h i l et h e p r e s s f o r m i n gp r o c e s s i s a l w a y s a s s o c i a t e dw i t hs c o r e so f p r o b l e m s i nh a n d l i n g ，r e m o v a l ，a n dd i s p o s a lo fl u b r i c a n to i l a tt h es a l i l et i m e t or e p l a c et h ec o n v e n t i o n a ll u b r i c a n to i lp r o d u c t s ，an e wt y p eo f l u b r i c a n th a sb e e n s o u g h t t h a ti sb o t h e c o l o g i c a l l y f a v o r a b l ea n d a d e q u a t e l y r e c y c l a b l ef a c i n gt h ea b o v ep r o b l e m s ，an e wt y p eo ff r i e n d l yl u b r i c a n tu s e d i nt h e p r e s s f o r m i n gp r o c e s s i ss t u d i e di nt h i sp a p e rw i t ht h e0 8 a id e e p & a w i n gm e t a ls h e e t a st h et e s to b j e c t u s i n gt h es i m u l a t i v ef o r m a b i l i t yt e s ti n c l u d i n gt h eo r t h o g o n a lt e s t a n dt h e s i n g l e f a c t o rt e s t ，t h ei n f l u e n c eo ft h ek i n do ft h e p l a n tp o w d e r , t h e c o n s i s t e n c eo fi n g r e d i e n t sa n dt h ev a r i e t i e so ff o r m i n gp r o c e s so nt h ef r i c t i o n a l c h a r a c t e r i s t i co ft h i sl u b r i c a n tw a si n v e s t i g a t e de m p h a t i c a l l y a n di t se f f e c to f t h e a n t i f r i c t i o na n dl u b r i c a t i o nh a sb e e nc o m p a r e dw i t ht h a to f t h ec o n v e n t i o n a ll u b r i c a n t ， w i t ht h es e mo b s e r v a t i o na n df e ma n a l y s i s ，t h ea n t i f i c t i o n a n dl u b r i c a t i o n m e c h a n i s ma n dt h em e a s u r e m e n to fa v e r a g e f r i c t i o nc o e f f i c i e n ta r ed i s c u s s e d e l e m e n t a r i l yw h e n t h i sl u b r i c a n ti su s e di nt h ed e e p d r a w i n gp r o c e s s t h er e s e a r c h r e s u l t sa n dt h er e l e v a n tc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w i n g ： 1 ak i n do fw a t e r b a s e d p l a n tp o w d e rl u b r i c a n t w i t h g o o da n t i - f r i c t i o n a l a n d l u b r i c a t i v ee f f e c ti sd e v e l o p e di n d e p e n d e n t l yw h i c hc a ni n c r e a s et h ef o r m a b i l i t y o fs h e e tm e t a l t h ec o n c e n t r a t i o no fe a c hi n g r e d i e n ti so p t i m i z e dt h r o u g h o r t h o g o n a l t e s t 2t h e v a r i e t y o ft h e p l a n tp o w d e r h a s s l i g h t e f f e c to nt h ea n t i f r i c t i o na n d l u b r i c a t i o np e r f o r m a n c eo f t h e1 u b r i c a n t 3 w h e ne a c hi n g r e d i e n t sc o n c e n t r a t i o nc h a n g e s ，t h ea n t i - f r i c t i o n a la n dl u b r i c a t i v e e f f e c to ft h el u b r i c a n tc h a n g e sa td i f f e r e n td e g r e e a m o n gt h et h r e ei n g r e d i e n t s ， t h ee f f e c to ft h ep l a n tp o w d e ri sm o s to b v i o u s ，t h a to f e m u s i f i e ri ss l i g h t e s t ，a n d t h a to ft a c k i f i e ri si n - b e t w e e n i i 山东大学硕士学位论文 4 c o m p a r e dw i t ht h ew i d e l yu s e dl u b r i c a n t s ，t h ev a r i o u sf o r r n a b i l i t yo ft h es t e e l s h e e tw i t ht h ew a t e r - b a s e dp l a n tp o w d e rl u b r i c a n ti si m p r o v e d b u tf o rd i f f e r e n t f o r m i n gp r o c e s s ，t h ec o r r e s p o n d i n gd e g r e eo fi m p r o v e m e n ti s d i f f e r e n ta n dt h e s e q u e n c ei sa sf o l l o w i n g ：b u l d i n gf o r m a b i l i t y h o l ee x p a n a b i l i t y d r a w a b i l i t y t h ef o r m a b i l i t yo f d r a w i n g b u l g i n g i na d d i t i o n ，f o rd i f f e r e n tk i n d o fm e t a ls h e e t ， t h er e l a t i v ei m p r o v e m e n t d e g r e e i sd i f f e r e n t ， 5 ，e l e m e n t a r i l y , w ec o n s i d e rt h a tt h ea n t i f r i c t i o na n dl u b r i c a t i o nm e c h a n i s m o ft h i s l u b r i c a n ti st h ec o o p e r a t i o no ft h ef o l l o w i n gt w oa c t i o n s ：o nt h eo n eh a n d ，t h e s l i d i n go ft h ep l a n tp o w d e rp a r t i c l e sd u r i n gt h ep r e s s - f o r m i n gp r o c e s sr e s u l t i n t h a tt h es h e a r i n gb e t w e e nt h es h e e ta n dt o o l st r a n s f e r si n t ot h el u b r i c a n tf i l ma n d t h ef r i c t i o nt o e f 珏c i e n ti sd e c r e a s e d ；o nt h eo t h e rh a n d ，t h er o l l i n go ft h ep l a n t p o w d e rp a r t i c l e sd u r i n gt h ep r e s s f o r m i n gp r o c e s sr e d u c e dt h ef r i c t i o nb e t w e e n t h es p e c i m e n sa n dd i e s 6 t h e d e e p d r a w i n gp r o c e s si ss u c c e s s f u l l ys i m u l a t e d w i t hd y n a f o r mw h i c hi s aw i d e l yu s e ds h e e tm e t a lf o r m i n gs i m u l a t i o ns o f t w a r e b a s e do nt h er e l a t i o n b e t w e e nt h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dt h em a x i m u mf o r m i n gf o r c e ，t h er e g r e s s i o n e q u a t i o n t oc a l c u l a t et h ea v e r a g ef r i c t i o nc o e f f i c i e n ti nd e e p - d r a w i n gp r o c e s sh a s b e e ng o t a n dt h er e s u l tw a sv e r i f i e dt h r o u g hc o m p a r i n gw i t ht h e f r i c t i o n c o e 所c i e n ti nt h er o u n do f t h ed i e k e yw o r d ：g r e e nl u b r i c a n t ；p l a n tp o w d e r ；p r e s s f o r m i n g ；a n t i f r i c t i o n a n dl u b r i c a t i o n s i m u l a t i v ef o r m a b i l i t yt e s t v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：墨选日期： 竺丝丝星 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：皇堡导师签名：芝亟日期： 知一# 锯护 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题的背景及意义 随着经济的发展，环境保护已经成为全世界的共识。矿物基润滑剂产品由 于生物降解性能差、污染环境，正面临着环境保护要求的严峻挑战。绿色润滑 剂的研制和开发不仅是保护环境、解决石油危机和充分利用太阳能的有效措施 之，而且已成为2 0 世纪9 0 年代以来润滑剂研究和生产领域新的发展方向， 也为摩擦学研究领域提出了新的研究课题。 所谓绿色润滑剂是指：润滑剂必须满足对象的工况要求，即具有优异的 使用性能；润滑剂及其耗损产物对生态环境不造成危害，或在一定程度上为 环境所容许，即具有良好的生态效应。生念效应包括：可生物降解性、生物积 聚性、毒性和生态毒性、耗损产物、可再生性资源。绿色润滑剂又称为环境友 好型润滑剂，其研究、开发的目的是保护环境，满足可持续发展的要求。该类 产品不仅具有普通矿物基润滑剂的性能，而且具有易生物降解性和无毒性或对 环境毒性最小等特点。 环境友好润滑剂的研究起源于2 0 世纪7 0 年代的欧洲。当时的欧洲( 特别 是英国和德国) 人口密度高、重工业发达，以致环境严重污染，产生巨大的社 会经济问题和负担，由此引发了对环境友好润滑剂的相关研究。目前，国外正 在积极开展环境友好润滑剂的研究和开发工作，发展迅速且取得了一定成果。 在我国，环境污染问题也十分严重，并且已经得到了政府和社会的高度重视。 针对润滑剂污染环境的问题，我国政府已明确规定了地下水中石油类产品的质 量标准。但是，目前国内环境友好润滑剂的研究和开发工作还处于起步阶段， 与实际应用仍有很大差距。随着现代物质文明水平的高度发展，在经济效益与 生态环境之间寻求一种平衡势在必行，同时也将面临越来越多的困难。然而， 从发展趋势上看，环境友好润滑剂及其添加剂必将取代现有润滑剂而成为新一 代润滑剂产品【1 。因此，研究和开发具有较好的性能价格比和环保效果的实用 润滑剂就具有重要的实际意义。 金属板料冲压加工具有生产率高、成本低的优点，广泛为各工业部门所采 山东大学硕士学位论文 用，在国民经济中占有相当重要的地位。但是，在冲压加工中，工件与模具表 面之间的相对运动将产生摩擦，致使成形力增大、成形极限降低、模具表面磨 损和工件表面产生划痕，在不同程度上降低了成品率、模具寿命和产品质量。 实践表明，在工件与模具之间使用润滑剂，可以减小摩擦力，从而减轻模具表 面磨损，提高成品率、模具寿命和产品质量【7 1 0 迄今为止，常用的冲压工艺润 滑剂多为矿物油，在其制作、使用和清除的过程中，可通过各种途径进入环境， 严重地污染土壤和水资源，破坏生态环境平衡【8 1 0 1 。因此，开发出一种既有利于 生态环境保护，同时又能满足板料冲压工艺需求的绿色润滑剂产品具有重要的 实际意义。 综上所述，用于板料冲压工艺的绿色润滑剂的研究成为本论文的主要工作。 初步设想，研制一种以水为溶剂、植物粉为主要成分的冲压工艺绿色润滑剂， 特别以最能说明摩擦与润滑现象的拉深工艺为使用对象。该润滑剂与传统概念 的润滑剂相比，除了具备传统润滑荆的性能特点之外，它还具有原料来源充足、 无污染、制作简单、成本低廉等优点，是种新兴的绿色润滑剂。因此，其开 发将有利于人类社会的可持续发展。 i 2 国内外研究现状 目前，国内外已有一些有关“绿色润滑剂”的研究报导，但对于以植物粉 为主要成分的水基润滑剂的研究报导很少。在所查阅的资料中，只见到日本学 者h i r o f u m iy o s h i m u r a 等人的2 篇研究论文1 8 , 9 1 。而国内在此方面的研究还处于 空白。 日本学者h i r o f u m iy o s h i m u r a 将浓度为5 3 0 的面粉溶液涂到试验板料 ( 钛板、不锈钢板和普通碳钢板) 上，变干后进行e r i e h s e n 杯突试验，结果表 明【8 j ：对于t i 板、不锈钢钢板以及普通c 钢板，使用以小麦面粉为基础的润滑 剂时得到了大致相同的规律。对于t i 钢板，浓度为5 时，其e r 值高于使用机 油时而略低于使用油脂时的e r 值；当浓度为1 0 时，其e r 值略高于使用油脂 时的e r 值；当浓度为2 0 时，其e r 值明显高于使用油脂时的e r 值，且当浓度 达到3 0 时，其e r 值最高。对于不锈钢钢板s u s 3 0 4 ，浓度为5 时，其e r 值 小于使用机油时的e r 值；当浓度为1 0 时，其e r 值略高于使用机油时的e r 值，而低于使用油脂时的e r 值：当浓度为2 0 时，其e r 值明显高于使用油脂 2 山东大学硕士学位论文 时的e f 值，且当浓度为3 0 时，其e r 值最大。对于普通c 钢，当浓度为5 时，其e r 值低于使用机油时的e r 值；当浓度为1 0 时，其e r 值高于使用机油 时的e r 值，而低于使用油脂时的e r 值；当浓度为2 0 时，其e r 值略高于使用 油脂时的e r 值：当浓度为3 0 时，其e r 值达到最大，明显高于使用油脂时的 e r 值。出此可知，使用面粉润滑剂时，板料的成形性能不仅较无润滑条件时相 比有显著提高，而且优于使用传统润滑剂时的成形性能。其性能改善程度与面 粉溶液的浓度成正比，当浓度达到3 0 时，达到最高。此夕 ，h i r o f u m iy o s h i m u r a 还指出哺】：该溶液的润滑机理与传统润滑剂的润滑机理有所不同，主要是由于 面粉中的蛋白质颗粒发生滚动而起到了减摩润滑作用。目前，这一研究仅限于 杯突试验，且属于实验室的初步研究，有关工业试验还未进行。同时，有关具 体的润滑剂配方、试验内容和数据也未报导。可见，植物粉水基润滑剂的研究 在国际上刚刚起步，在国内还属空白，大量的相关研究和应用工作正待进行。 1 3 本文工作的特点及其主要研究方法 综上所述，本文将要开展的工作与h i r o f u m iy o s h i m u r a 等人的研究工作存 在明显差别，主要表现在三方面：润滑剂组成及其配方。鉴于无法了解 h i r o f u m iy o s h i m u r a 等人研制的润滑剂配方，只能独自进行成分设计以及确定相 关各组分浓度的试验和研究；应用的冲压工艺。h i r o f u m iy o s h i m u r a 等人仅进 行了杯突工艺试验，而本文除主要侧重于拉深工艺试验之外，还对其他冲压工 岂进行研究；试验板料。h i r o f u m iy o s h i m u r a 等人采用的是钛板、不锈钢板和 普通碳钢板，本文采用的是0 8 a 1 深冲钢板。由此可见，本文的研究工作具有开 创性、系统性、难度大的特点。因此，本文采用了以模拟成形试验为主、理论 分析和数值模拟为辅的技术路线。 具体的研究方法为：首先，采用正交设计方法，进行了该润滑剂的成分设 计和优化；其次，通过单因素试验，研究了各润滑剂组分对其使用性能的影响 规律，并且通过拉深、扩孔、杯突、锥杯四种模拟成形性试验，研究了优化的 润滑剂在几种主要冲压工艺( 拉深、扩孔、胀形和拉深胀形复合成形) 中的表 现行为；然后，通过扫描电子显微镜，观察和分析了润滑剂在拉深过程中微观 状态变化，初步探讨了该润滑剂的润滑机理。最后，采用钣金成形数值模拟软 件d y n a f o r m ，对试验板料拉深过程进行了逆向的数值模拟，揭示了基于最大拉 3 山东大学硕士学位论文 深成形力和摩擦系数的相关性以确定板料拉深摩擦系数的可行性，为该润滑剂 减摩、润滑效应的研究提出了一种有效的定量试验方法。 1 4 本文主要研究内容 在第一章中，概括介绍了本文研究的目的和意义、国内外研究状况、工作 特点及其研究思路和方法、主要研究内容。 在第二章中，系统阐述了有关摩擦、磨损以及润滑的基础理论和相关知识。 在第三章中，基于相关国家标准，详细介绍了本文所用的冲压模拟成形性 试验的试验过程及其评价指标。 在第四章中，首先，通过对比试验对四种不同植物粉的使用效果进行比较， 确定出合适的植物粉种类：然后，通过正交试验研究了该润滑剂中植物粉、增 粘剂和乳化剂三种组分的不同浓度组合对最大拉深成形力的影响，并据此评价 了它们的减摩、润滑性能，确定了优化的润滑剂；最后，对每一组分取不同的 浓度分别进行试验，从而分析了该润滑剂各组分对拉深成形过程的影响规律。 在第五章中，通过扩孔、杯突、锥杯试验，分别研究了优化的润滑剂对板料 扩孔，陛能、胀形性能及拉深一胀形复合性能的作用，且结合其对板料拉深性能 的影响，全面探讨了优化的润滑剂在不同成型工艺中的作用。 在第六章中，通过扫描电子显微镜试验，观察了拉深成形样品不同部位的 润滑剂形态，对拉深成形过程中优化的润滑剂的减摩、润滑机理进行了初步探 讨。 在第七章中，利用钣金成形模拟软件d y n a f o r m ，采用逆向模拟思路， 进行拉深过程的计算机数值模拟。以模拟成形性试验得到的拉深成形力曲线和 最大拉深成形力精度为基准，依据模拟结果反推出该润滑剂在拉深过程中的摩 擦系数，从而讨论最大拉深成形力和摩擦系数的相关性。 4 山东大学硕士学位论文 第二章摩擦、磨损及润滑 两个相互接触的物体，发生相对运动或具有相对运动趋势时，表面上就会 产生摩擦。物体在外力作用下克服摩擦阻力作反复运动，就会导致表面物质的 不断损失，即发生磨损现象。在实践中，为了降低摩擦偶的摩擦与减少磨损， 其主要措施就是采用有效的润滑。因此，摩擦、磨损与润滑三者密切相关，不 叮分割。f 3 l 。 2 1 摩擦 2 1 1 摩擦的概念 两个相互接触的物体作相对运动时，在接触强之间必然产生妨碍运动的阻 力，该阻力称为摩擦力，而这种现象称为摩擦。它是各种机械运动副相对运动 时，在相互作用表面间产生的一种不可避免的物理现象。 2 1t 2 摩擦的分类 ( 1 ) 按摩擦副表面的润滑情况分： 干摩擦：一般指接触面间无任何隔离物的纯金属之间的摩擦； 边界摩擦：指接触面间隔有一层极薄的( 以原子尺寸计的) 隔离物膜的摩擦。 隔离物可以是吸附膜或化学反映膜： 流体摩擦：指接触面间被一定厚度的液体润滑剂所隔开的摩擦： 混合摩擦：同时兼有上述三种或其中两种情况的摩擦，工程中所遇到的摩擦 多属于此类。 ( 2 ) 按摩擦副的运动形式分：滑动摩擦；滚动摩擦。 ( 3 ) 按摩擦副的材质分：金属材料的摩擦；非金属材料的摩擦。 ( 4 ) 按摩擦副所处的环境分：常温常压下的摩擦；特殊环境下的摩擦，指在 高速、高温、高压、真空等条件下的摩擦。 此外，还有外摩擦和内摩擦之分。内摩擦是指同一物质内两部分物质之 m 作相对位移所产生的阻力现象。对于流体而言也就是粘度。 2 1 3 几种主要的摩擦理论 c b ，其中b 和c 的极差相差不大。这表明，本文试 验条件下，植物粉浓度对于润滑效果的影响最大，而增粘剂和乳化剂的影响较 小，且二者影响程度相近。此外，a 1 8 2 c 3 应为三种因素可能的最佳浓度组合。 由表4 5 的方差分析结果可知，当置信度为9 0 时，因子a 作用显著，因 子b 、c 作用不显著，这进一步证实了上述直观的极差分析结果的正确性。由 此可见，正确选择植物粉浓度对于润滑剂使用性能的改善最为重要，而增粘剂 和乳化剂的浓度影响也不容忽视。 表4 - 4 试验结果的极差分析 最大成形力( k n ) k i abc k 11 8 0 5 81 8 3 9 71 9 3 7 4 ( 1 8 4 2 0 ) k 2 1 8 31 01 8 25 l1 8 7 1 4( 1 8 8 7 2 ) k 3 1 9 73 5i 9 45 4 18 0 1 8 ( 1 8 8 。1 0 ) k l 6 01 96 13 26 45 8 ( 6 1 4 0 ) k 2 6 10 36 0 8 46 2 3 8( 6 2 9 1 ) k 3 6 57 86 4 8 56 0 0 6 ( 6 2 7 0 ) r55 940 14 5 1( 1 5 1 ) 表4 - 5 试验结果的方差分析 来源偏差平方和自由度均方差f 显著性 a 5 4 5 522 7 2 91 3 6 4 b 2 8 6 9 21 4 3 57 1 7 c3 0 4 721 52 47 6 2 误差 4 0 02 注：f 0 1 ( 2 2 ) = 9注：f o l ( 2 ，2 ) 一9 2 9 山东大学硕士学位论文 i z j b 1b z 1 5 3c lc 2o j 图4 - 1 极差图 4 3 4 2 最佳浓度组合验证 由极差分析可知，最佳浓度组合应该是a 1 8 2 c 3 。按照此浓度组合重新配 制的润滑剂进行了验证试验，所得的最大成形力为5 5 3 8 k n 。将这一结果与表 4 2 所示其它各组试验所得的最大拉深成形力比较可知，该浓度组合条件下，最 大拉深成形力最小，以致摩擦系数u 最小，润滑剂的减摩、润滑效果最好。可 知，该润滑剂的最佳浓度组合确实为：植物粉( 5 ) ，增粘剂( 1 5 ) ，乳化剂 ( 2 0 ) 。因此，本节之后的研究内容将以按此浓度组合配制的植物粉水基润 滑剂为基本研究对象。 4 4 各组分对润滑剂使用性能的影响( 单因素试验) 4 ，41 试验材料 试验板材：板材2 。 润滑剂：自主研制的植物粉一水基润滑剂。为了考察单一组分对润滑剂性能 的影响，分别以植物粉、增粘剂和乳化剂为对象进行试验研究。试验时，作为 主要研究对象的组分具有不同浓度，另外两种组分取最优组合时的浓度，其余 条件相同。鉴于植物粉为影响该润滑剂的最主要因素，其浓度取值相对较多， 而增粘剂和乳化剂浓度取值相对较少。各组分的具体浓度取值见表4 - 6 所示。 4 4 2 试验方法和过程 试验方法和过程同4 2 2 。 3 0 山东大学硕士学位论文 4 43 试验结果及分析 4 4 3 1 试验结果 各组分的具体拉深试验结果见表4 - 6 。 表4 - 6 不同浓度组分所对应的最大拉深成形力( 单位：k n ) 0 5 l o 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 植物粉4 1 8 4 4 1 7 6 4 1 5 95 2 0 25 4 6 55 5 2 95 7 15 增粘剂5 2 0 44 1 6 94 1 8 44 1 7 44 1 9 8 乳化剂4 0 6 24 1 8 44 1 7 04 22 14 1 3 84 0 2 l 4 4 3 2 试验结果分析 ( 1 ) 植物粉浓度的影响 51 052 0 3 。3 5 c o n c e n t r a t i o no ft h ep l a n tp o w d e r ( 图4 2 植物粉浓度对最大拉深 成形力的影响 图4 3 植物粉浓度对试样涂层质量和 拉深件涂层脱落质量的影响 试验表明，当浓度 3 5 后，由于植物粉浓度过高而产生絮凝，使得润滑剂 很难在试样表面上均匀涂抹。因此，继续增加植物粉浓度没有实际意义，故试 验时植物粉的最高浓度取为3 5 。 如图4 2 所示：浓度1 5 时，最大拉深成形力维持在较低水平，且随着 植物粉浓度的增加而略有减小，但基本上变化不大，相对变化量最大为o 6 ； 当浓度1 5 以后，随着浓度的增加，最大拉深成形力明显增加，最大相对变 化量最大值为3 7 4 。 3 1 山东大学硕士学位论文 c 注：相对变化量最大值= 墨盔垄堡号霎吝墨云荛高蒜学1 0 0 ， 上述规律主要与植物粉浓度变化对模具与试样接触面上润滑剂涂层状态的 影响有关。从图4 3 可以看出：随着植物粉浓度的增大，一方面，试验上润滑 剂涂层质量增加，即涂层厚度及其植物粉颗粒密度增加。另一方面，当浓度 l j 时，拉深件的涂层脱落质量基本不变：当浓度1 5 时，涂层脱落质量逐渐 增加，但增加幅度明显小于涂层质量。若忽略成形期间涂层中植物粉颗粒流失 和成形后滚动的植物粉颗粒仍滞留的两种情况，可认为参与滚动的植物粉颗粒 数量与涂层脱落质量呈正比，即涂层脱落质量增加，参与滚动的植物粉颗粒数 量办增加。因此，随着植物粉浓度的增大，成形期间，模具与试样接触面上润 滑剂涂层质量增加趋势较强，而参与滚动的植物粉颗粒数量的增加趋势较弱， 导致接触面上摩擦、润滑状态发生变化。 如图4 - 4 所示，在试样表面润 滑剂涂层中，球状植物粉颗粒单 独或呈团絮状地分布在试样表 面，主要呈现出问隙分布特征。 当植物粉浓度处于较小范围时 ( 1 5 ) ，颗粒间隙相对较大且 数量相对较少，成形时颗粒之间 相互制约运动的作用较小，板料、 模具与植物粉颗粒之间或颗粒之 间的相对滚动较为容易，取代了 板料与模具之间的滑动，起到较 好的减摩、润滑作用。但是，由 图4 - 4 试样表面的植物粉- 水基 润滑剂涂层观察 于涂层质量较d 、，仍然存在局部的板料与模具之间的滑动。因此，随着植物粉 浓度增大，涂层质量增加，引起三种变化：滑动摩擦对应的实际接触面积进 一步减小；滚动的植物粉颗粒数量增加；植物粉颗粒运动阻力增加。显然， 前两个因素影响较大，第三个因素影响相对较小，导致最大拉深成形力略有降 低。 当植物粉浓度处于较大范围时( i - 1 5 ) ，板料与模具之间的滑动基本上转 3 2 山东大学硕士学位论文 变为板料、摸具与植物粉颗粒之间以及植物粉颗粒之闻的相对滚动。颞粒闻隙 很小且数量很多，成形时颗粒之间相互制约运动的作用很大。因此，随着植物 粉浓度增大，涂层质量增加，颗粒之间运动阻力增加，降低了减摩、润滑作用 的效果，使得最大拉深成形力增加。 综上分析，植物粉浓度对润淆剂减摩、润滑作用的影响规律主要取决于涂 层质量引起的接触面摩擦状态和滚动摩擦阻力的综合作用。 ( 2 ) 增粘刺浓度的影响 p u n c hd i s p l a c e m e n l m m 图4 5 增粘剂浓度对最大拉深 成形力力的影响 图4 - 6 增粘剂浓度对试样涂层质量和 拉深件涂层脱落质量的影响 如陶4 5 所示，浓度1 0 时，随着增粘剂浓度的增加，最大拉深力明显 减小：当浓度1 0 时，随着增粘剂浓度的增加，最大拉深力变化不明显，相 对最大变化量为o 6 9 。 如图4 - 6 所示，随着增粘剂浓度的增加，涂层质量( 实质为涂层厚度) 先 增加后诫小，而拉深后涂层脱落质量变化不大。 实际上，由于植物粉浓度较低，模具与试样接触面处于边界摩擦状态。随 着增粘剂浓度的增加，粘结作用增强，导致两种变化过程。一方面，涂层厚度 增加且在成形过程中不易脱落，滑动摩擦对应的实际接触面积减小，摩擦阻力 减小：另一方面，植物粉颗粒滚动阻力增大，而对应数量变化不大，摩擦阻力 增加。当增粘剂浓度在较低范围内变化时，摩擦阻力减小过程占据主导地位， 最大拽深力随增粘剂浓度增加而明显减小。当增粘剂浓度在较高范围内变化时， 3 3 山东大学硕士学位论文 两种变化过程的影响基本处于平衡，最大拉深力变化不明显，而拉深后涂层脱 落质量略有减小的现象与增粘剂作用增强及模具上粘结的植物粉颗粒数量的增 加有关。 ( 3 ) 乳化剂浓度的影响 图4 7 乳化剂浓度变化对最大拉深 成形力的影响 图4 _ 8 乳化荆浓度对试样涂层质量和 拉深件涂层脱落质量的影响 如图4 。7 所示，随着乳化剂浓度的增加，最大拉深力有所减小。但是，与 植物粉和增粘剂浓度相比，乳化剂浓度的影响最小，最大拉深力变化最小，相 对变化量最大为5 2 7 。 如图4 - 8 所示，随着乳化剂浓度的增加，试样涂层质量与拉深件涂层脱落 质量均没有明显变化，表明乳化剂浓度变化对于涂层质量和滚动的植物粉颗粒 数量影响不大。但是，由于乳化剂的主要作用是保证润滑剂中植物粉颗粒分布 均匀，随着其浓度的增大，颗粒的分布均匀性提高，试样涂层中团絮状颗粒的 数量及其聚集程度减弱，致使植物粉颗粒滚动阻力降低，最大拉深成形力减小， 减摩、润滑效果改善。 4 5 小节 ( 1 ) 润滑剂主要组分为n o ，l 植物粉，且通过正交试验，得到植物粉、增粘剂、 乳化剂三者的最佳浓度组合为：5 、1 5 、2 0 。 ( 2 ) 植物粉水基润滑剂中各组分浓度对最大拉深力影响程度不同，其中植物粉 影响最为显著，增粘剂影响较小，乳化剂影响最小。 3 4 山东大学硕士学位论文 第五章植物粉一水基润滑剂应用效果的研究 在第四章中，通过对比试验和正交试验确定了植物粉水基润滑剂的基本组 分及其最优的浓度组合，研究了各组分对该润滑剂减摩、润滑效果的单独和综 合影响，完成了该润滑剂的成分设计和研究。本章主要侧重于其应用效果的试 验研究，具体涉及两方面：一方面，与无润滑拉深或传统润滑剂拉深相比较， 研究该润滑剂的应用效果：另一方面，通过拉深、扩孔、杯突和锥杯四种模拟 成形试验，研究在不同冲压工艺中该润滑剂的应用效果，并且与传统的润滑剂 效果进行了比较。所有试验全部在b c s 一3 0 d 型通用板材成形性试验机上完成。 5 1 拉深试验 5 1 1 试验材料 试验板材：板材l 。 润滑剂：植物粉水基润滑剂( 最优浓度组合) 、机油和油脂。 5 12 试验方法和过程 试样制取方法与规格、润滑剂涂抹方法、试验过程、条件及最大拉深力取 值方法均同4 2 2 。 模具尺寸：凸模直径为5 0 ”- o0 5 m m ，凸模圆角半径为5 ，o 0 l m n q ； 凹模直 + 00 5 径为5 52 0 0 m m ，凹模圆角半径为1 8 6 m m 。 压边力：1 0 k n ：成形速度：1 0 m r r d m i n 。 5 1 3 试验结果及分析 5131 植物粉水基润滑剂润滑与无润滑条件下拉深结果比较 ( 1 ) 拉深力一位移曲线 如图5 - 1 所示，在拉深成形过程的开始与结束阶段，两种表面接触条件下 的拉深成形力曲线重合，所对应的拉深成形力基本相同；在拉深成形过程的中 间阶段( 凸模位移约为1 5 5 8l n l l l ) ，在最佳浓度组合的润滑剂所产生的最佳润 滑条件卜i ，拉深成形力曲线普遍低于无润滑条件下的情况。最佳润滑条件下与 无润滑条件下相比，最大拉深成形力下降了约1 4 。这说明该润滑剂不仅对减 3 5 些东大学硕士学位论文 小模具与工件之间的摩擦起到了有效作用，同时减少了拉深功和设备负载，从 而节约了能耗6 0 1 。 j弋一黜惑 、 j j l 丁可 - i i 1 - 丁丁 p u n c hd i s p l a c e m e n m m 图5 - 1 植物粉- 水基润滑剂润滑与无润滑条件下拉深力凸模位移曲线 ( 2 ) 极限拉深比 由表5 1 可以看出，无润滑条件下，该钢板的极限拉深比l d r = 2 2 6 ：在 植物粉水基润滑剂的最佳润滑条件下，该钢板的极限拉深比l d r = 2 3 0 ；相对 提高了约1 7 6 。由此可以看出，该润滑剂的使用提高了钢板的拉深成形性能。 表5 - 1 极限拉深比试验结果 i 润滑试样直径 破裂未破裂 极限拉深直径 极限拉深比 条件 ( m m ) 个数个数 ( d o ) m m l d r 1 1 2 542 无润滑1 1 3 1 3 2 2 6 1 137 524 植物粉 1 1 551 1 】4 7 52 3 0 润滑 1 1 3 7 524 ( 3 ) 凹模圆角处摩擦系数 凹模圆角处摩擦系数的大小对拉深成形很关键。它不仅影响拉深力，并且 严重地影响拉深零件的表面质量和成形后零件壁部的残余应力i l 。因此，侧重 考虑了凹模圆角处的摩擦系数。 参考资料旧6 1 , 6 2 1 ，设板料与凹模圆角处表面的摩擦系数为u 。板料拉深时， 因为板料是富有挠性的薄钢板，放可借计算皮带张力的公式，设接触包角为e 1 ， 3 6 弓 o z芒巳oj曲u!巨0 山东大学硕士学位论文 此处由摩擦作用而引起张力的增加可以用系数e m 给出，因此，当凸模的成形 力达最大值时，q = 9 0 ，将e ”展开为级数后略去高次项得： e 胛= e “7 1 + un 2 = i + i 5 7 u ( 5 - 1 ) 试验时将压边力从q o 增加至q 。，则由于凹模圆角的摩擦阻力增加的缘故， 凸模的拉深力也将相应地由p o 增加至p 。，于是有 p l p o = 2p - ( q 1 一q o ) ( i + 1 5 7 1 1 )( 5 - 2 ) 根据公式( 5 - 2 ) ，计算无润滑条件下与最优组合润滑条件下凹模圆角处摩 擦系数的结果见表5 2 。由此可知：最佳润滑条件下凹模圆角处的摩擦系数由 o 2 0 8 降低到了0 1 4 3 ，降低了3 4 4 。 表5 - 2 不同条件的凹模圆角处摩擦系数 q o k nq i k np o k np l k n 无润滑u = o 2 0 8 81 06 3 7 26 4 8 2 【篇 q o k nq l k np o k np l k n u = 0 1 4 3 81 05 4 6 85 5 - 3 8 ( 4 ) 拉深件表面质量 通过对两个拉深件表面的直接观察，可以看出，在无