（航空宇航制造工程专业论文）板成形摩擦系数测量影响因素的研究.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 本文研究了摩擦圆辊直径和包角大小的变化对测量板成形过程中摩擦系数 的影响。首先，以d u n c a n 开发的扳成形过程中摩擦系数测量装置为基础设计并 制造了一套板成形摩擦系数的测量装置。该装置的特点是在可以改变摩擦圆辊 直径和包角的大小做对比试验来研究摩擦圆辊直径和包角大小的变化对测量板 成形过程中摩擦系数的影响。其次，通过有限元应用软件p a m - - s t a m p 对测量 板成形过程中的摩擦系数的试验过程进行了模拟。预估一下试验中可能出现的 情况。并对摩擦圆辊直径和包角大小的变化对板成形摩擦系数测量的影响做初 步的试探。由模拟结果发现摩擦圆辊直径和包角大小的变化对测量板成形过程 中的摩擦系数存在着影响。但结果还需要试验验证。最后，通过改变摩擦圆辊 彦径和包角的大小做对比试验来考察摩擦圆辊直径和包角大小的变化对测量摩 撩系数的影响。试验验证了有限元软件模拟的结果，总结出摩擦圆辊直径和包 角的变化对测量板成形过程中摩擦系数的影响规律包角不变时测量出的摩擦 系数随摩擦圆辊直径的变大而减小，摩擦圆辊直径不变时测量出的摩擦系数随 包角的增大而减小。 关键词：板成形，薄板，摩擦系数，摩擦系数测量装置，摩擦系数测量 堡堕堡壁堡墨墼塑! 量整塑望重墅婴窒 a b s t r a c t i nt h i st h e s i st h ee f f e c t i o no ft h ec h a n g eo f t h es i z eo ft h ef r i c t i o nc o l u m na n d f r i c t i o n a n g l e i n t e s t i n g t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t i ns h e e tm e t a l f o r m i n g w a s s t u d i e d f i r s t ，b y t h eb a s eo fd u n a c n sf r i c t i o nc o e f f i c i e n tm e a s u r i n ga p p a r a t u si n s h e e tm e t a lf o r m i n g ，an e wf r i c t i o nc o e f f i c i e n tm e a s u r i n ga p p a r a t u si ns h e e tm e t a l f o r m i n gw a sd e s i g n e d t h ec h a r a c t e r i s t i co f t h i sa p p a r a t u si st h es i z eo ft h ef r i c t i o n c o l u m na n df r i c t i o na n g l ec a nb ec h a n g e di nt e s t i n gt h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n ti ns h e e t m e t a lf o r m i n g 。a n dt h e n ，t h ef e ms o f t w a r ep a m s t a m pw a su s e dt os i m u l a t et h e p r o c e s so ft e s t i n gt h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n ti n s h e e tm e t a lf o r m i n g t h r o u g ht h ef e m s i m u l a t i o nr e s u l t ，ar u l et h a tt h ec h a n g eo ft h es i z eo ff r i c t i o nc o l u m na n df r i c t i o n a n g l e a f f e c t st h e t e s t i n g o ft h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n ti ns h e e tm e t a l f o r m i n g w a s f o u n d b yc h a n g eo f t h es i z eo ft h ef r i c t i o nc o l u m na n df r i c t i o na n g l ei nt e s t i n gt h e f r i c t i o nc o e f f i c i e n ti ns h e e tm e t a lf o r m i n g ，t h ee f f e c t i o no ft h ec h a n g eo ft h es i z eo f t h ef r i c t i o nc o l u m na n df r i c t i o n a n g l ei ns h e e tm e t a lf o r m i n gw a si n v e s t i g a t e d t h e r e s u l to ft h ef e ms o f t w a r es i m u l a t i o ni st h es a m ea st h ee x p e r i m e n t a t i o nr e s u l t b y t h eb a s eo ft h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n t a t i o n ，t h er u l eo ft h ec h a n g eo ft h es i z eo f t h ef r i c t i o nc o l u m na n df r i c t i o na n g l ei nt h et e s to ff r i c t i o nc o e f f i c i e n ti ns h e e tm e t a l f o r m i n gw a ss u m m a r i z e d t h ec o n c l u s i o ni sw h e nt h es i z eo ft h ef r i c t i o nc o l u m n b e c o m e s b i g g e rt h ef r i c t i o ng o tb e c o m e ss m a l l e r , a n dw h e n t h es i z eo ff r i c t i o na n g l e b e c o m e sb i g g e rt h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n tg o tb e c o m e ss m a l l e r k e y w o r d s ：s h e e tm e t a lf o r m i n g ，f r i c t i o n ，f r i c t i o nc o e f f i c i e n t ，f r i c t i o nc o e f f i c i e n t t e s t ，s h e e tm e t a l ，f r i c t i o nm e a s u r i n ga p p a r a t u s 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允 许论文被查阅和借阅，可以将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。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：遵 曰期：y 孓叶、v 堡塞璺壅鎏墨鏊婆墨冀望堡至塑登! l 一一一 注释袭 8 一趣煮 u 摩擦系数 n 接触瑟骑法囊歪压为 a “- 面积 。成力 应变 n 一藏蹩强纯指数 r 一岸向舜健指数 k 敷焚强豫系数 t 试样祭辩的厚度 v l 堕室堕窒堕鲞奎兰塑主堂堡堡苎 第一章绪论 1 1 摩擦系数在板料塑性成形中的作用 板金属成形是利用压力和模具来迫使薄板金属产生塑性变形而制成一定形 状的零件的一种金属加工方法。由于薄板成形的零件具有重量轻，耗料少，生 产率高和成本低的特点，这种加工技术正在越来越广泛地为各种工业生产部门 所使用。板金属成形在国民经济中及压力加工领域中占有相当重要的地位。 板金属成形中，板料与模具( 或工具) 间总要有相对的移动，所以必然伴 随有摩擦行为。摩擦是板金属成形中的重要的行为之一，摩擦力是板金属成形 中重要的外力之一，并影响着扳金属成形的成形过程，影响着模具的寿命，影 响着板金属成形的成形零件的质量。不了解板金属成形中摩擦力的大小和方向 就无法进一步的分析板材所受的应力和应变，进而不能很好的控制这种金属成 形方法，不能很好的通过这种方法我们的各行各业加工出合格的零件。 摩擦力既然是一种外载荷，它不仅影响成形力的大小和能量消耗，还直接 影响零件的成形极限，回弹量和表面质量。所以，研究摩擦的目的，不久为了 减小摩擦力，避免零件刮伤和延长模具寿命，更重要的还在于如何利用摩擦来 控制金属的流动。目前有许多新的成形方法是从改善和利用摩擦而提出的。同 其他方法相比，利用摩擦是最经济，最方便的。实践证明，恰当的利用摩擦可 以补偿成形的不足，亦可以补救模具设计中的欠缺。采用恰当的润滑甚至可以 使用低一级的板料及较差的模具生产出合格的产品。在一定的条件下，润滑和 润滑n , i j 往往决定着加工过程本身的成败。因而研究摩擦和润滑有着重要的实 用意义。 在实际生产中，为了防腐通常要进行表面处理，如合金、镀锌等镀层，表 面摩擦的作用可能使镀层剥落影响板材的表面行为。由于摩擦的存在，大大地 影响着板材的成形性和力的传递，改变应变的分布等，为了改善摩擦状况，人 们采用喷丸和激光毛化处理。在变形行为的研究方面摩擦起的作用越来越大， 为此汽车生产厂商非常重视摩擦的研究。 从现代材料生产者来讲，不仅要具有高质量钢板的生产技术，同时也要提 板成形摩擦系数测量影响因素的研究 _一一 供正确的钢板应用技术，也就是说钢板生产厂家不应只重视如何生产钢板的技 术，同时还应该考虑用户如何更好的使用高质量的板材，这样生产厂家开始着 手研究如何给用户提供使用这种板材的技术参数，包括摩擦系数在内。 摩擦是一种普遍存在于生产实践的现象，在相当长时间里仅依赖经验而没 有正确的解析式，后来在两个刚体的接触摩擦研究中产生了一些摩擦理论，如 库仑定律、剪切摩擦理论等，但刚性体与塑性体的摩擦问题仍没有得到很好的 解决，只是参照刚性摩擦理论进行近似求解，没有一个真正适合刚性体和塑性 体边界的正确解析式。 摩擦学作为一门边缘科学涉及机械学、冶金学、材料学、数学、物理学、 化学、流体力学等多门学样的内容。目前某些领域彩高技术研究手段使深入研 究摩擦学成为可能，如为获得摩擦表面的微观信息，常采用衍射技术、显微镜 分析、能谱技术、探针显微分析等技术手段。 在近来来的薄板成形研究中，广泛采用了有限元法( f e m ) 和有限差分法 ( f d m ) 来分析计算薄板塑性成形过程。由于薄板成形过程中摩擦特性的研究 受到成形过程复杂和界面问题复杂的限制，这些方法的接触边界条件、摩擦边 界条件的可知性是有限的，为此其计算的精度受到一定的限制。如果不能提供 准确的摩擦信息，就失去了模拟的真实性，以前的板成形模拟的摩擦边界条件 都是固定不变的，与实际成形过程是不相符的，甚至在结果分析中出现超百现 象，因此得到的模拟结果也不能令人信服，这样就要求正确的测量变形过程中 的摩擦因数。目前从有限元和拉胀过程的试验结果表明，摩擦直接影响成形性 和应变的分布，为此薄板成形过程中摩擦的变化规律是亟待解决的课题。国内 外一些专家学者开发了多种摩擦试验装置，模拟板成形过程中不同区域的摩擦 特点。但薄板成形过程中摩擦特性的研究受到成形过程复杂和界面问题复杂的 限制，尚无一个摩擦试验设备可通用于所有的板成形过程。已有的测试手段各 有优缺点，有的甚至与实际成形过程中的应用应变状态存在差异。近年来用有 限元方法和有限差分法来研究板成形过程塑性变形的计算机模拟研究不断增 加，其接触边界条件、摩擦边界条件的可知性是有限的，目前从有限元和冲压 拉胀的试验结果表明，摩擦直接影响成形性和应变的分布，如果没有较准确的 摩擦值很难得到正确的模拟结果。对薄板成形过程中摩擦的变化规律、边界条 件及摩擦界面状态的变化信息的研究，能为薄板成形性能的研究和数值模拟提 壹塞堕窒塾墨查堂堡主堂焦笙苎 一 供很重要的依据。 1 2 板成形摩擦测试技术现状口“1 金属压力加工过程中，由于工业性试验花费昂贵，试验室试验技术就得到 了迅速的发展，这些试验一般可以分为两种类型： ( 1 ) 有关润滑剂性能( 如油膜强度、磨损和摩擦特性等) 测定试验，有时 也称为基本摩擦试验如四球机，销( 轴) 一( 圆) 盘试验机试验等； ( 2 ) 摩擦模拟试验用来模拟压力加工过程中，诸如轧制、镦粗、拉拔 和深拉深的摩擦情况等。 对于一般塑性变形摩擦系数的测定，通常使用躁环镦粗试验的方法。圆镦 粗试验是把一定尺寸的圆环在平砧面间压缩，由于试样和砧面间的接触摩擦系 数不一样，圆环的内、外径尺寸变化也不相同，通常以内径变化作为衡量的依 据。摩擦系数小时内径会扩大，摩擦系数增大到一定数值时，内径开始收缩， 利用这个试验可以求得摩擦系数数。由于这种试验方法简单所以常被用作测 定塑性变形时摩擦系数的方法。 对于板金属塑性成形来说，由于板成形过程变形的复杂性，板成形摩擦测 试的影响因素很多( 如图1 1 所示) 。在不同的板成形过程甚至在同一过程不同 区域的摩擦条件都很不同，考虑到设计摩擦测试装置时应尽可能接近模拟对象， 至今尚无一种摩擦试验可通用于所有的板成形过程。 园里垦 避 圈一 豳 题 睫嘲一 目鲁蕊 叵弘一癯 衄一燧 图1 i板材成形过程中各变量对摩擦和润滑的影响 实际冲压成形过程主要包括拉胀和拉深两类成形方式。拉胀成形过程的位移小， 板成形摩擦系数测量影响因素的研究 厚度方向变形较大，且变形时产生弯曲，为此，拉胀成形摩擦试验通常用来研 究模具圆角、冲头圆角处摩擦系数变化。拉深成形是大位移小变形，厚度方向 变化很小的平面应变状态，所以，拉深成形摩擦试验通常用来模拟研究冲头圆 角、模具圆角和压边的摩擦系数变化。 根据相似原理，人们对板金属塑性加工过程进行了缩小规模的模拟试验。 然而，由于所需的技术和装置复杂，花费较贵，人们不得不去寻求一种更为简 化的加工过程试验，即用常规的试验机，如在材料拉伸试验机上，安装特殊设 计的装置来模拟加工过程的某一部分和测定某些参数，然后再把这些结果转换 或应用到实际金属加工过程的分析中去。到目前为止，国内外先后开发了一些 摩擦测试装置，但都不能同时很好地用于研究拉胀和拉深两个过程的摩擦问题。 n i n e 开发的模拟压边区的摩擦系数测定装置如图i 2 所示，带材可以在拉伸 试验机上进行拉伸试验，模拟的压边圈可以调整不同的深度，拉伸力的弯曲分 量由可以自由转动的辊代替压边金属块来测得，摩擦力和摩擦系数u 可以宜接 得到。同时，也可以方便地观察粘着和擦伤的现象”。 图1 2n i n e 的压边模拟试验装置 g h o s h 开发的拉胀测量装置，是通过测量扭矩来计算摩擦系数的。 冲头圆角处的摩擦在决定板料从冲头表面能得到多少支承时是很重要的。 为了测量这个值，d u n c a i l 开发的测量装置如图1 3 所示，薄带绕过两个代表冲头 的圆柱体，并受到拉力p 的作用，通过测量应变e 1 、e 2 计算出圆角处的摩擦系 4 堕室堕至塑丕查堂堡主兰垡笙苎一 数j 。 图1 3d u n c a n 开发的测量装置一弯曲一拉伸摩擦试验机 1 9 8 9 1 9 9 0 年王先进和r h w a n g o n e r 开发了测量应变的摩擦测试系统，如 图1 4 所示，同样只能做拉胀试验，但可以模拟实际接触条件。其优点是：弯曲 和拉伸同时进行，变形过程中接触角逐渐增大。 图i 4 拉胀摩擦测试装置 1 9 9 2 1 9 9 5 年王先进等人又将上面的测量装置进行改进，将应变测量改为力 测量，将夹紧方式改为机械夹紧。1 9 9 5 1 9 9 7 年王先进等人又为a l c o a 铝业公司 将上述装置改造成手动液压夹紧，并且同时可以测量拉胀和拉深两个过程的试 验装置。由于该装置既能测量拉胀变形又能测量拉深变形，所以把这种装置称 板成形摩擦系数测量影响因素的研究 为万能摩擦测试系统。1 9 9 8 年王先进等人又开发了采用液压伺服调节控制压边 力夹紧的万能摩擦测试系统如图l ，5 所示，通过该万能摩擦测试装置能够准确的 测量拉深和拉胀两个过程的摩擦变化情况 7 。 王先进开发的摩擦测试系统包括液压伺服系统及机械系统和数据采集计算 系统两个部分。液压伺服系统自动调整压边力n l 、n 2 ，保证两侧的带材以等速 移入变形区，准确模拟拉深变形过程的冲头圆角、模具圆角和压边处的摩擦因 数变化，同时可以确保n t 、n 2 足够大以使两侧带材的移入速度为零，这样可以 模拟拉胀变形过程的冲头圆角和模式具圆角处的摩擦因数变化。在变形过程中， 对测定边载荷的传感器的电信号进行采集，接着将采集的电信号通过a d 板转换 得到各力载荷q t 、q 2 、q 3 、n l 、n 2 、n 、h 的数值，完成数据采集，其中q 。、 q 2 、q 3 、n ，、n 2 为五个力传感器的测定值，n 、h 为材料拉伸机的总力传感器和 总位移传感器的测定值，为冲程值“1 。 l p 图1 5 刀能摩擦测试装置 王先进等人在对国内外摩擦测试的设备及研究的发展情况进行分析之后， 开发了这套摩擦系数测定装置，初步试验证明新型摩擦试验装置的可重复性， 因此，可以利用这套装置研究不同的材料参数、设计参数和过程参数对板成形 过程中摩擦行为的变化规律，同时为有限元模拟中边界条件的准确确定奠定了 基础。 i 3 有限元法 告一一 ，釜 南京航空航天大学硕士学位论文 在机械工程技术和科学研究中，常常会遇到复杂的力学问题。如果求助于 数学解析法，就会碰到大量的由常微分方程、偏微分方程以及相应的边界条件 来描述的场问题，如位移场和应力场问题等。可以求出精确解的，只是方程性 质简单，而且几何边界、载荷相当规则少数情况。对于大多数问题，由于物体 的几何形状较复杂或者问题的某些特征呈非线性，则难以求出精确解。这就需 要研究可以替代解析法的近似数值解法。 成熟的近似数值解法很多，包括有限差分法、有限元法、有限容积法、边 界元法等。早期有限差分法曾被广泛使用。它把基本微分议程及其边界条件近 似的改用差分方程来表示，把求解微分方程的问题改换成求解代数方程的问题。 一个问题的有限差分模型可以给出它的基本微分方程的逐点近似，当取足够多 的节点时，可达到较高的精度。但是，当遇到几何复杂的边界条件时，要达到 足够的精度，就需要很多差分插值点，代数方程的规模大大增加，求解困难。 认识到复杂边界条件和非线性载荷是精确求解的主要障碍之后，一种新的 数值计算方法有限元法产生了。它的基本思想是将一个连续的求解域离散 化，即分割成彼此通过共用节点来互相联系的有限个单元，在单元体内假设近 似解的模式，用有限个节点的未知参数表征单元的特征。然后采取适当的方法， 把各个单元的关系式组合成包含这些未知参数的方程组。求解这个方程组，得 到各节点的未知参数，利用插值函数就可以求出近似解。随着单元尺寸的缩小， 单元数量的增加，解的近似程度不断改进，如果单元满足收敛要求，近似解最 终收敛于真实解。有限元法与有限差分法相比，其优点就在于单元能按各种不 同的连接方式组合在一起，且单元本身又可以有不同的几何形状，因此可以计 算复杂结构的场问题。 有限元基本思想到提出始于上世纪4 0 年代，数学家r c o u r a n t 第一次尝试 应用定义在三解形区域上的分片连续函数和最小势能原理相结合，求解s t v e n a n t 扭转问题。1 9 5 4 年联邦德国的j h a r g y r i s 用系统最小势能原理，得到了系统刚 度方程成功地对连续介质进行了分析。1 9 5 6 年波音公司m j t u r n e r ，r w c l o u g h 等人在分析大型飞机结构时，第一次采用直接刚度法给出了平面应力问题的有 限元解法，同时也是第一次利用计算机求解大型有限元问题。1 9 6 4 年， j f b e s s e l i n g 等人论证有限元法与变分原理的关系。1 9 6 9 年，j t o d e n 教授将有 限元法扩展应用于加权余量法。到此，有限元法的三种推导方法：直接法、变 板成形摩擦系数测量影响因素的研究 分法和加权余量法都得到了充分的理论论证和实际验证。1 9 6 9 年英国 o c z i e n k i e w i c z 教授提出等参元的概念，从而使有限元法更加普及和完善，有限 元的应用进入了快速发展的时期。 按照所选用的基本未知量和分析方法的不同，有限元法可以分为三种解法。 一种是以节点位移为基本未知量，在选择适当的位移函数的基础上，进行单元 的力学特性分析，在节点上建立平衡方程，即单元刚度方程和结构总体刚度方 程，然后求解节点位移，再由节点位移求出应力，这种方法称为位移法。另一 种是以节点力为基本未知量，在节点上建立位移连续方程，解出节点力后，再 计算节点位移和应力，这种方法称为力法。第三种方法是混合法，取一部分节 点位移和一部分节点力为基本未知量。一般而言，力法求解的精度较高，但位 移法较简单，计算规律性强，混合法虽然可以结合两者优点，但基本变量的选 取判断较麻烦。因此，在用有限元法进行结构分析时，大多采用位移法。目前 多数有限元软件都采用位移法求解。 其他的近似解析法也有各自的优点，但使用的范围不同。有限容积法适用 于空气动力学、流体力学分析。边界元法适用于求解无限域问题、奇异性问题 和复杂边界问题，求解精度高，但是其缺点是：第一，边界元方法的系数矩阵 是不对称满阵，对于表面复杂的计算域，其存储容量可能超过有限元法系数矩 阵的存储容量，而且计算费时；第二，不同材料的交界也需要剖分单元：第三， 在塑性分析时，要进行内部不平衡力的调整，这就必须把域内也剖分成单元， 加大了程序开发工作量、计算时间、数据存储空间；第四，边界元法起步较晚， 通用的边界元程序很少。所以，塑性变形问题的模拟，选用有限元法较为合适。 现在，有限元程序经过了二十几年的扩充，应用范围已经由平面应力问题 扩展到板壳问题、平面应变问题、轴对称问题、空间问题、由静力平衡问题扩 展到稳定问题、动力问题，由固体力学扩展到流体力学、传热学等学科，由弹 性材料扩展到弹塑性、塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料。 有限元仿真已经进入到航空、宇航、交通、机械制造、建筑、高能物理等 科研领域。作为一种现代的力学分析工具，有限元软件将为设计，制造，疲劳 和损坏各个环节提供可靠的参考数据。国外许多机械制造行业，如航空制造业 和汽车制造业，对有限元仿真的依赖就像对c a d 、c a m 一样不可缺少。 在我国，有限元法已经得到了充分的重视，越来越多的企业认识到有限元 南京航空航天大学硕士学位论文 仿真的价值，引进商用有限元软件并且组织对工程技术人员的相关培训。一些 大型企业像t c l 还与国外的有限元软件开发商合作，建立了更全面的c a e 应用系 统。国内在有限元研究方面比较权威的大学像清华大学、东北大学，还致力于 通用有限元软件的开发。有限元仿真相关的论文数量，九十年代初每年只有几 篇，现在每年有三、四十篇。可以预见，我国有限元应用还将有更快的发展。1 。 1 4 研究本课题的目的和意义 金属薄板成形在国民经济中及压力加工领域中占有相当重要的地位，薄板成 形的零件重量轻、耗材少、生产率高、成本低，这种加工技术越来越广泛地为各 种工业部门所采用。摩擦是金属板成形中重要的行为之一，不仅影响成形力的大 小和能量消耗还直接影响零件的成形极限、回弹和表面质量“1 。 国内外好多学者和专家都致力于研究扳成形过程中摩擦的研究，并研造出 些测量薄板成形过程中摩擦系数的装置，应用这些装置来研究板成形过程中 摩系数的规律和测量摩擦系数的大小。装置中试样条料绕过摩擦圆辊( 摩擦系 数测量装置中用来模拟模具凸摸) 发生塑性变形，通过研究试样条料与摩擦圆 辊接触处的摩擦规律来研究模具凸模与板料接触处的摩擦。从最初的n i n e 开发 的板成形摩擦系数测量装置到王先进的板成形摩擦系数测量装置，这些测量在 一步一步的改进，力求使得在运用这些测量装置测量板成形过程中的摩擦系数 时使试样板料的变形情况更接近板成形过程中板材的实际变形情况。这样就可 以更进一步的研究和分析板成形过程中发生的摩擦规律。d u n c a n 的测量装置在 测量摩擦系数时摩擦圆辊直径和包角( 试样材料与摩擦圆辊接触部分所对应的 圆心角的大小) 大小是固定不变的，王先进的摩擦系数测量装置摩擦圆辊直径 是固定不变的，虽然他的测量装置中包角的大小可以变化但是并没有研究包角 的大小变化对摩擦系数测量的影响。 不同的人采用这些装置来测量板成形过程中的摩擦系数或采用它们来研究 薄板成形过程中的摩擦规律时，有可能采用不同的摩擦圆辊直径和包角大小。 如果摩擦圆辊直径和包角的大小的变化对板成形过程中的摩擦系数测量存在影 响，那么在测量薄板成形过程中的摩擦系数时，对于相同的摩擦系数采用相同 的测量装置就因为每个人采用的摩擦圆辊直径或包角大小不同而得到不同的结 板成形摩擦系数测量影响因素的研究 果，研究薄板成形过程中的摩擦规律时采用的也是相同的装置就因每个人所采 用的摩擦圆辊直径或包角的大小不同而得到不同的结果。通过研究摩擦圆辊直 径和包角大小的变化对测量板成形过程中摩擦系数的影响规律，为薄板成形性 能的研究和数值模拟提供更真实的摩擦边界条件。更完善金属薄板成形这中工 芦= 。 1 5 课题研究的主要内容 本文主要内容为研究摩擦圆辊直径和包角大小的变化对测量板成形过程中 摩擦系数的影响。为此，制定的研究方案如下： 一搜集有关板成形过程中摩擦研究以及板成形过程中摩擦系数测量装置 的资料。分析这些装置的摩擦系数测量原理。经过分析这些装置的测量原理后 发现这些装置在测量摩擦系数时采用的是相同的摩擦圆辊直径，王先进的测量 装置可以改变包角的大小但并没有研究包角大小的变化对测量摩擦系数的影 响。 二为了研究摩擦圆辊直径和包角的大小对测量摩擦系数的影响。本文考虑 设计一套板成形摩擦系数测量装置，设计的主要依据是在测量板成形摩擦系数 时可以改变摩擦圆辊直径和包角的大小。所以本文在d u n c a n 开发的板成形过程 中摩擦系数测量装置的基础上设计了一套板成形摩擦系数的测量装置。该装置 的特点是可以在试验中改变摩擦圆辊直径和包角的大小。分别采用不同的摩擦 圆辊直径和包角的大小做对比试验，通过对比试验来考察和研究摩擦圆辊直径 和包角大小的变化对测量摩擦系数的影响。 三用有限元应用软件p a m s t a m p 对板成形过程的摩擦系数的测量过程做 模拟分析。预估一下试验中可能出现的情况，为做摩擦试验做好准备。对摩擦 圆辊直径和包角大小的变化对测量摩擦系数的影响做一个初步的分析。为了使 的模拟的情况更加接近实际情况，模拟所用的材料是和试验相同的材料，所以 模拟前必须做0 8 a i 材料参数的试验。测出材料的k 、n 和r 值。 四应用这套板成形摩擦系数的测量装置做摩擦试验。在摩擦试验中分别 采用不同的摩擦圆辊直径和包角的大小做对比试验，通过对比试验来考察和研 究摩擦圆辊直径和包角大小的变化对测量摩擦系数的影响。通过整理和分析试 南京航空航天大学硕士学位论文 验数据，总结出摩擦圆辊直径和包角大小的变化对板成形过程中摩擦系数测量影 响规律。 1 6 本章小结 金属薄板成形是一种非常重要的金属成形技术，这种加工技术越来越广泛 的被应用于各种工业部门。摩擦是金属薄板成形中的重要行为并影响着这种 技术。薄板成形过程中摩擦特性的研究受到成形过程复杂和界面问题复杂的限 制，有限元分析软件的应用提高了试验分析的效率，并且可以优化试验装置从而 更进一步的了解薄板成形过程中的摩擦特性。 一一一 堡堕堡壁堡至塑型墨墅堕里鲞塑堑堑 第二章摩擦理论与摩擦系数及d u n c a n 的摩擦系数测量装置的 测量原理 2 1 摩擦理论 目前，关于摩擦理论主要有以下几种： ( 1 ) 凹凸啮合理论 库仑阿蒙顿认为，由于固体表面凹凸不平，当它们接触时，接触面上 很多凹凸部分就互相啮合，两个面的凸起部分( 微凸体) 相互碰撞，产生断裂， 摩损，形成了摩擦力。 啮合理论只适用于粗糙表面，即降低表面粗糙度可以降低摩擦系数。啮合 理论不能解释当表面比较光滑( 超精细加工表面粗糙度r 第l 系列o 1 o 0 5 时) 摩擦系数为什么反而增加。 ( 2 ) 分子粘合理论 汤林生( t o m i l m s o n ) 及哈迪( h a r d y ) 等先后提出了分子粘合理论。他们 认为，两个固体表面在接触时，只有少数微凸的相互接触起作用，真实接触面 积远小于名义接触面积。 - 4 ，= 彳( n 为接触点数) i l l a r = - o0 l o 1 a 式中：a r _ 一真实接触面积，即微凸体接触处各微观触点面积之和。 a d 名义接触面积，即接触固体互相重迭时的表观面积。 在外界正压力作用下，少量微凸体上的压强极大，大大超过了材料的弹性 限度，接触处塑性变形形成粘着点。这时接触处两物体分子间距离已经小到分 子力作用范围。两物体发生相对滑动时必须接断粘合部分，这就是摩擦力。 分子粘合理论有一定的局限性，如是否所有的真实接触面都产生粘着，污 染膜之间是否产生粘着等。因此，有关粘关理论后来又有人提出了修正。 妻室塾皇塾墨查兰堡主兰焦笙苎 ( 3 ) 综合理论 本世纪三、四十年代，克拉盖里斯基提出了关于摩擦的综合理论。他认为 摩擦是一个综合过程，即要克服分子相互作用力，又要克服机械变形的阻力， 发生在接触处的总的阻力就是摩擦力。 即：忙f a + f d ( i ) 式中：f 一总的摩擦力 f a 摩擦力的分子粘合作用部分。 f d 摩擦力的变形作用部分。 一般来说，变形过程和粘台过程都会发生，其比例与表面光洁度、材料的种 类、正压力的大小等有关。 通常我们把( 1 ) 式写成： f = - - aa ，+ bn( 2 ) 将鼻u n 代入( 2 ) 式得： = 警+ ( 3 ) 式中：a 与表面分子特性有关的参数。 b 与表面机械特性有关的参数。 。 ( 2 ) 式就是表面摩擦力的二项式公式；( 3 ) 式是摩擦的总定律。它同时考 虑了变形和粘着作用。比较符合试验结果。 在干摩擦和边界摩擦时，对于金属、聚合物等大多数材料都可按二项式摩 擦定律分析“1 。 2 2 影响摩擦系数的因素 在库仑一阿蒙顿定律中，摩擦系数p 只取决于材料性质。现代科学指出， u 与正压力、温度、相对运动速度、表面光洁度、污染膜等因素有关。 ( 1 ) 正压力的影响 相对滑动速度一定时，正压力增大，微观触点增多，真实接触面积增大， 且微观体的塑性变形也增大，因此两个固体在发生相对滑动时，摩擦系数增大。 摩擦系数随着正压力的进一步增大时越过一个极大值，当正压力足够大时，真 板成形摩擦系数测量影响因素的研究 实接触面积变化极小，这时，摩擦系数随正压力的增大反而逐渐减小。 ( 2 ) 相对滑动速度的影响 摩擦系数随着相对滑动速度的改变而改变。一般说来，在轻载时，摩擦系 数随滑动速度的增大而增大，重载时，摩擦系数随滑动速度的增大而减小。 实践证明，当速度超过5 m s 时，表面相对接触时间短，瞬间产生大量的摩 擦热，因此表面层受热的作用大，深度浅，温度梯度大，表面温度甚至可达到 材料的熔点，使表面有一层很薄的溶化层，摩擦状况发生了变化，摩擦系数随 着温度的升高而降低。 库仑一阿蒙顿定律中的摩擦系数与相对滑动速度无关，这在低速情况下 有较好的近似。 ( 3 ) 温度的影响 摩擦消耗了机械功率，转变为热功率，两个摩擦物体的熵增加了。摩擦热 使摩擦表面相互作用特性和摩擦状态发生变化，温度升高，摩擦系数也将发生 变化。 大多数金属的摩擦系数随温度的升高而减小，但也有少数金属( 如金 金) 的摩擦系数随温度升高而增大。 难熔金属化合物在高温摩擦时，摩擦系数随温度升高下降为某一值后又重 新增大，这是由于分子热运动，使粘着点的剪切阻力减小，因而摩擦系数下降。 当温度升高到某一数值后，材料的硬度、弹性模量大大下降，而造成机械变形 阻力增大，且超过了剪切阻力的下降，因此摩擦系数随温度升高而增大。 ( 4 ) 表面光洁度的影响 接触表面光洁度高，摩擦系数小，光洁度继续提高( 如超精细加工表面) ， 表面分子相互吸引力有效地发生作用，摩擦系数增大，同时，由于光洁度的提 高，真实接触面积增大，也使摩擦系数增大。 ( 5 ) 材料和表面膜的影响 一般来说相同的金属有相同的分子原子结构，表面亲和力强，例如用来 演示分子引力的两块纯净的铅块，表面接触时容易产生粘着现象，分子作用增 强，其摩擦系数增大。不同的金属由于互熔性差，不易发生粘着现象，分子作 用不明显，因此摩擦系数较小。 在干净的金属表面上，吸附了氧和蒸汽分子后，就发生一种化学反应，即在 南京航空航天大学硕士学位论文 金属表面上形成了氧化膜。而氧化膜的形状与其生长过程的环境条件有关，例 如，缓慢生长的氧化膜是相当光滑的，但在较高温度下形成的氧化膜则具有粗 糙的外形，因此表面膜即可使摩擦系数减小，也可使摩擦系数增大啪3 。 2 3 塑陛加工摩擦学的特点 塑性加工作为冶金工业的一个重要部门，在国民经济和社会发展中有着举足 轻重的作用，其中所涉及的摩擦学现象更是人所共知。其特点也非常显著，具 体来讲有如下几点： 首先表现在摩擦副之一的坯料表面不断更新。这使得有关摩擦磨损现象与材 料内摩擦( 与材料力学性能、组织结构和工具形状等因素有关) 有着不容忽视 的联系，从而造成摩擦磨损机制的复杂化，而一般机械摩擦副不存在这一问题。 其次，成形过程中，工具与坯料所受单位压力比普通机械副高l 2 个数 量级。 第三，成形过程中接触面的温度很高，这对润滑系统的要求更加苛刻，也会 引起材料表面强烈氧化和粘着，从而改变摩擦条件。 第四，塑性加工过程量具有动态连续性，影响摩擦磨损的因素很多而且不断 的变化，摩擦现象对塑性加工工艺参数也有重要影响。因此，普通模拟试验与 实际工况有很大差别。 一 此外，不同加工方式，不同坯料种类，其上述特点亦各有差异，很难用一种 普通的理论来说明、解释和解决即使是类似的问题。另一方面，加工设备本身 的先进程度也使得在运用摩擦学知识时有很大的灵活性，其中，经验的成分比 在其它行业更显重要。 2 4 d u n c a n 的摩擦系数测量装置的测量原理 d u n c a n 开发的摩擦系数测量装置简图如第一章的图1 3d u n c a n 开发的测量 装置一弯曲一拉伸摩擦试验机所示。该测量装置的测量原理是薄带绕过两个代表 冲头的圆柱体，并受到拉力p 的作用，通过测量应变e 1 、e 2 计算出圆角处的摩 擦系数。通过应变e l 、e 2 计算出圆柱体两端的拉伸力f l 、f 2 。其摩擦系数的 计算公式具体的推导过程如下。 d u n c a n 的摩擦系数计算公式的推导是以库仑摩擦定律为基础，认为摩擦力 j 5 板成形摩擦系数测量影响因素的研究 仅与接触表面的法向正压力有关并成正比。再结合板成形过程中冲头圆角处的 板料的受力分析推导出来的。对板成形过程中摩擦系数的计算可以由分析冲头 圆角处的拉伸和弯曲变形的力学徼元体受力可以得到摩擦系数与冲头圆角两端 材料的拉伸力的关系的计算公式。1 翻2 1 冲头圆角处的拉伸和弯曲变形的力学微元体受力分析图 由分析冲头圆角处的拉伸和弯曲变形的力学微元体受力情况见图2 1 所示 由切向平衡条件可得： ( f + 删) c o s 望2 = f c o s d 2 , f l + ( 州) 呻 ( 3 ) 由径向平衡条件可得： ( ，+ 挑i n 警+ f s i i l 警= 删 ( 4 ) 因为卵很小，所以 c 。s 塑2 = l ：s i n 塑= 塑2 2 ( 5 )l 。， 由式( 3 ) 可得： 出式( 4 ) 可得 d f 2 p ( 柳) 螂 ( 6 1 堕室塾窒堕蒌查兰堡主堂垡! ! ! l d n = 二 w r 将式( 7 ) 代入式( 6 ) 得： d f = 征d 肌 等= 脚 积牖醪= 卢弘 即 l i l 昙：印 ( 8 ) ( 1 0 、 则 = 去- n 瓮 ( 1 2 ) 式中r 一冲头圆角直径 1 r 带宽 b 一板料与冲头圆角接触部分的圆弧所对应的圆心角 “一摩擦系数 王先进的摩擦系数测量装置也是采用公式( 1 2 ) 作为摩擦系数的计算公 式。该公式是理论上的一个近似公式，并不是严格准确的。公式( 3 ) 和( 4 ) 是推导摩擦系数计算公式的两个过度公式它们分别是微元体的切向平衡和径向 平衡公式，而在板材试样与摩擦圆辊接触的两个极限点也就是0 和b 处这两个 公式并不成立。因为这两点是两个过度点即可以看作有摩擦力的存在也可以认 为在这两点处没有摩擦力的作用，这两点是两个奇异点。如果没有摩擦力的存 在公式( 3 ) 和( 4 ) 就不成立。所以说公式( 1 2 ) 是个理论上近似的摩擦系 数计算公式。公式( 1 2 ) 可以看出在包角大小一定的情况下摩擦系数的大小是 摩擦圆辊两端的拉伸力的差异决定的，它认为摩擦圆辊两端的拉伸力的差异完 全是由摩擦的存在而引起的。而实际的变形过程中试样板材受到弯曲的作用也 会引起两端拉伸力的差异。“，这也说明了公式( 1 2 ) 是一个近似的理论计算公 式。同时也可以知道摩擦圆辊直径和包角大小的变化会对板成形摩擦系数的测 量产生影响。而具体的影响规律还有待于进一步的研究和分析。 板成形摩擦系数测量影响因素的研究 2 5 本章小结 简单的介绍了一下摩擦理论和影响摩擦系数的因素，接着分析了d u n c a n 开 发的摩擦系数测量装置的测量原理。通过对模具圆角处板料的受力分析，推导 出了这些板成形过程中摩擦系数测量装置的摩擦系数理论计算公式，分析该公 式的推导过程得知该公式是一个理论近似计算公式，推导过程不是很严谨。运用 这些装置测量板成形过程中的摩擦系数时，摩擦圆辊直径和包角大小的变化会 对测量出的摩擦系数产生影响。 塑室堕窒堕墨查兰堡主兰垡逢奎一。 第三章板成形摩擦系数测量装置的设计与制造 在对国内外关于板材摩擦系数测试装置的研究和分析后，可以发现，这些 装置是通过研究和考察摩擦圆辊和试样条料接触处的摩擦来研究和分析板成形 中凸模圆角和板料之间的摩擦规律。而这些装置对摩擦圆辊直径和包角大小的 变化对板成形中摩擦系数测量的影响考虑的不是很完善。不同的人采用这些装 置来测量板成形过程中的摩擦系数或采用它们来研究板成形过程中的摩擦规律 时，有可能采用不同的摩擦圆辊直径和包角大小。如果摩擦圆辊直径和包角的 大小的变化对板成形过程中的摩擦系数测量存在影响，那么在测量板成形过程 中的摩擦系数时，对于相同的摩擦系数采用相同的测量装置就因为每个人采用 的摩擦圆辊直径或包角大小不同而得到不同的结果，同样在研究板成形过程中 的摩擦规律时采用的也是相同的装置就因每个人所采用的摩擦圆辊直径或包角 的大小不同对于相同的规律而得到不同的结果。为了考察和研究摩擦直径以及 包角大小的变化对测量板成形过程中摩擦系数的影响，本文在d u n c a n 开发的板 成形过程中摩擦系数测量装置的基础上设计了一套板成形摩擦系数的测量装 置二摩擦测试装置设计的主要依据在试验中可以改变摩擦圆辊直径和包角的大 小。这样就可以分别采用不同的摩擦圆辊直径和包角的大小做对比试验，通过 对比试验来考察和研究摩擦圆辊壹径和包角大小的变化对测量摩擦系数的影 响。 3 1 板成形摩擦系数测试装置的设计 3 1 1 板成形摩擦系数测试装置的设计方案一 基于这样的思想，在综合考虑了试验室现有的设备以及试验条件后，以 d u n c a n 开发的测量装置一拉伸摩擦试验机( 第一章中也介绍) 为基础，经过改 进，初步设计出下面这套装置( 如下页附图) 。其中，板料固定部分立拄可以上 下移动，并用螺钉从一侧进行顶紧固定，从而实现了包角大小的可调节。 板成形摩擦系数测量影响因素的研究 图3 1 设计方案 南京航空航天大学硕士学位论文 - _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一一 但是，该方案明显存在下述不足之处： 一工作部分圆辊轴的圆角直径不易调整。因为下部拉伸杆的位置是固定不 变的，所以上下拉力线的位置也是不可变的。这就造成了更换工作部分圆辊轴 的时候必须保持其与板料接触一侧位置的不变性，这样，就增加了圆辊轴加工 过程中的难度。 二两侧立板与底板之间采用螺钉连接，使这套装置整体抗拉能力下降，且 精度降低。 三考虑到整个装置的尺寸及重量要求，板料固定部分立柱的厚度不能太 大，这就影响到立柱的抗弯曲强度。在拉伸试验机上进行板料拉伸