專利名稱：一種鍛件鍛造摩擦系數的測定方法
技術領域：
本發明涉及一種材料成形工程領域中的有限元模擬與鍛造工藝，特別提供了一種鍛件鍛造摩擦系數的測定方法。
背景技術：
金屬在塑性成形過程中，凡是相互運動的表面之間都存在摩擦。摩擦是指塑性變形時，模具表面對金屬流動的阻力。由于摩擦的存在，金屬塑性成形時的變形力、變形功會增加；鍛件從模膛中脫模困難，有時甚至會產生粘模現象，影響正常生產；還會引起金屬變形不均勻，嚴重時產品會出現裂紋。通常情況下，生產過程應該盡可能地降低摩擦，以便降低變形抗力。因此，鍛件鍛造摩擦系數的測定對于保證鍛件質量具有十分重要的意義。 同時存在于工件與模具間的摩擦會影響變形載荷、產品表面質量和內部結構以及模具的磨損等。因此，研究摩擦機理，測定接觸面摩擦系數對弄清在不同條件下和成形過程中模具與工件間的接觸情況，為數值模擬軟件提供準確的邊界條件，從而保證鍛件模擬過程的精確度，對預防鍛件缺陷和提升鍛件成形質量具有重要的意義。測定摩擦系數時鍛造圓環的理論解，目前普遍采用的是Avitzur及其改進的能量法或上限法、或者主應力法計算的理論解。這些方法采用理想剛塑性模型、接觸面摩擦力及圓環變形速度場等假設，與實際情況差異較大，給實際測量摩擦系數帶來了較大的誤差。近年來隨著有限元技術的迅速發展，有限元方法已經被廣泛用于圓環鐓粗過程的數值分析。采用有限元法可以真實地反應材料在熱加工過程中的真應力一真應變本構關系。人們迫切希望獲得一種技術效果優良的鍛件鍛造摩擦系數的測定方法。

發明內容
本發明的目的是提供一種鍛件鍛造摩擦系數的測定方法，其測量摩擦系數結果與實際情況更接近，測量數值更精確的測量方法。本發明提供了一種鍛件鍛造摩擦系數的測定方法，用于準確測量鍛造高溫成形過程中的模具與工件之間的摩擦系數的方法。其測定摩擦系數的原理是把外徑Dp內徑Di和高度為h的扁平圓環置于平行的平模具間鐓粗。鐓粗變形時金屬向外或向內流動，根據接觸面摩擦系數的不同，圓環的內徑尺寸會呈現出不同的變化。當接觸面摩擦系數等于或接近于零時，圓環上的每一質點均作徑向的流動，變形后內外徑都增加；當摩擦系數增加時，金屬質點的外流速度下降，與前一種情況比較，在同一壓速下，內外徑增量均較小；若接觸面摩擦系數超過某一臨界值時，則圓環中會出現一個半徑為&的分流面該面以外金屬向外流動，以內金屬向中心流動；變形后圓環外徑增大，內徑縮小。理論和實驗研究表明分流面Rn值隨摩擦系數的增大而增大。因此，可根據分流面位置確定摩擦系數。鐓粗后的圓環內徑變化與分流面的位置有關，所以可用測量內徑的減小情況來確定摩擦系數。本發明一種鍛件鍛造摩擦系數的測定方法，用于測量鍛造高溫成形過程中的模具與工件之間的摩擦系數，其特征在于所述鍛造摩擦系數的測定方法具體要求是
I)預先繪制理論校準曲線利用有限元模擬軟件對不同摩擦系數下圓環狀鍛件進行模擬，根據模擬結果提取鍛件試樣在不同高度變形量條件下的圓環內徑值，利用不同的高度變化量和與之對應的內徑變化量繪制理論校準曲線；此過程要求至少應在步驟4之前完成;2)制備鍛件試樣對圓環狀的具體鍛件毛坯進行鐓粗制得鍛件試樣；3)之后進行數據測量測量鐓粗后的鍛件試樣的高度及內、外徑；4)最后進行摩擦系數的確定將鍛件試樣的高度測量值和內徑測量值與理論校準曲線對比，確定材料的鍛造摩擦系數。所述的鍛造摩擦系數的測定方法，其特征在于對鐓粗之前的鍛件毛坯的具體要 求是圓環狀鍛件毛坯的表面涂覆玻璃潤滑劑，潤滑劑要均勻覆蓋鍛件毛坯的外表面和內孔面。制備鍛件試樣的優選具體要求是把涂覆玻璃潤滑劑后的鍛件毛坯加熱到鍛造溫度，保溫10-60分鐘；按照變形量為30%或50%進行鐓粗。鍛件毛坯滿足下述優選要求圓環狀鍛件毛坯的外徑內徑高=4:2:1。進一步優選內容鍛件毛坯滿足下述要求圓環狀鍛件毛坯外徑為40毫米、內徑為20毫米、高為10毫米。對數據測量的優選具體要求是鍛件試樣的內徑和外徑的測量要求是首先在其赤道面上沿圓周方向測量2至10個值，然后取其平均值；鍛件試樣的高度測量要求是沿圓周方向在R/2處測量2至10個值，取其平均值。R為鍛件試樣大圓半徑。原則上，通過多次測量取平均值保證測量數據的準確性。本發明在利用摩擦邊界和傳熱邊界條件等基礎上，準確地模擬圓環鐓粗過程中金屬的流動和形狀尺寸變化規律，由此確定的理論校準曲線可準確地反映金屬塑性加工過程中摩擦的影響。本發明可以準確測量鍛造高溫成形過程中的模具與工件之間的摩擦系數，再現金屬的流動規律。為數值模擬軟件提供準確的邊界條件從而保證鍛件模擬過程的精確度，對預防鍛件缺陷和提升鍛件成形質量具有重要的意義。根據針對本發明的實驗研究證明，本發明可以使廢品率由傳統工藝的7. 5%以上降低至現在的小于4. 3%，本發明在提高產品質量的同時，也具有巨大的經濟價值和社會價值。


下面結合附圖及實施方式對本發明作進一步詳細的說明圖I為理論校準曲線；圖2為鍛件毛坯試樣示意圖。
具體實施例方式實施例I 一種鍛件鍛造摩擦系數的測定方法
以測定TC4材料鍛造過程摩擦系數為例具體說明本發明的實施過程。I、繪制理論校準曲線有限元模擬的初始條件如下TC4圓環鐓粗溫度為940°C，上下模設為剛性模具，上模壓下速度150mm/s，模具預熱溫度為220°C。模擬采用剛塑性本構關系模型，工件的比熱容隨溫度變化而變化。工件、模具與空氣的熱對流系數為O. 02N/(s *mm · 0C ),工件與模具接觸面之間的熱交換系數為llN/(s · °C )。工件與模具之間采用剪切摩擦，摩擦系數分別取 m = 0,0. 02,0. 04,0. 06,0. 08,0. 1,0. 12,0. 16,0. 2,0. 24，
O.3，O. 35，O. 4，O. 45，O. 5，O. 55，O. 6，O. 7，O. 8，O. 9，I. O。模擬后根據高度和內徑的變化繪制的理論校準曲線如圖I所示。2、制備鍛件試樣在如圖2所示的鍛件毛坯表面涂覆玻璃潤滑劑，潤滑劑要均勻且覆蓋試樣整個表面和內孔。把試樣加熱到940°C，保溫30min按照變形量為30%和50%進 行鐓粗，制得鍛件試樣，且每一條件制備3個鍛件試樣。3、數據測量用游標卡尺測量鍛件試樣的高度h和內徑Di和外徑％。內徑Di和外徑Dtl在每個鍛件試樣的赤道面上沿圓周方向每隔45°測量，共測量4個值，取其平均值；高度h沿圓周方向在R/2處每隔90°測量，測量4個值，取其平均值。每一個條件3個鍛件試樣的測量平均值作為摩擦系數測定的依據(如表I)。表I測量數據
圓環尺寸摩檫條件變形量尺寸(mm) 試樣I試樣2 試樣3 平均
高度 h 7.15 7.15 7.13 7.14
# 內徑 D, 15.50 15.85 15.87 15.74 D0Dih-----外徑 Dct 45.86 46.31 45.51 45.90
=玻璃潤滑------
高度 h 5.03 5.05 5.05 5.04 4:2:1-----
50%內徑 D, 10.40 12.30 11.00 11.23
外徑 Dc 51.98 51.93 51.64 51.854、摩擦系數的確定根據鍛造圓環高度測量值與內徑測量值與理論校準曲線對t匕，確定TC4材料在有潤滑劑條件下的摩擦系數為O. 32。實施例2一種鍛件鍛造摩擦系數的測定方法，用于準確測量鍛造高溫成形過程中的模具與工件之間的摩擦系數的方法。其測定摩擦系數的原理是把外徑Dp內徑Di和高度為h的扁平圓環置于平行的平模具間鐓粗。鐓粗變形時金屬向外或向內流動，根據接觸面摩擦系數的不同，圓環的內徑尺寸會呈現出不同的變化。當接觸面摩擦系數等于或接近于零時，圓環上的每一質點均作徑向的流動，變形后內外徑都增加；當摩擦系數增加時，金屬質點的外流速度下降，與前一種情況比較，在同一壓速下，內外徑增量均較小；若接觸面摩擦系數超過某一臨界值時，則圓環中會出現一個半徑為Rn的分流面該面以外金屬向外流動，以內金屬向中心流動；變形后圓環外徑增大，內徑縮小。理論和實驗研究表明分流面Rn值隨摩擦系數的增大而增大。因此，可根據分流面位置確定摩擦系數。鐓粗后的圓環內徑變化與分流面的位置有關，所以可用測量內徑的減小情況來確定摩擦系數。
本實施例所述鍛件鍛造摩擦系數的測定方法，用于測量鍛造高溫成形過程中的模具與工件之間的摩擦系數，所述鍛造摩擦系數的測定方法具體要求是I)預先繪制理論校準曲線利用有限元模擬軟件對不同摩擦系數下圓環狀鍛件進行模擬，根據模擬結果提取鍛件試樣在不同高度變形量條件下的圓環內徑值，利用不同的高度變化量和與之對應的內徑變化量繪制理論校準曲線；此過程要求至少應在步驟4之前完成;2)制備鍛件試樣對圓環狀的具體鍛件毛坯進行鐓粗制得鍛件試樣；3)之后進行數據測量測量鐓粗后的鍛件試樣的高度及內、外徑；4)最后進行摩擦系數的確定將鍛件試樣的高度測量值和內徑測量值與理論校準曲線對比，確定材料的鍛造摩擦系數。
所述的鍛造摩擦系數的測定方法，其特征在于對鐓粗之前的鍛件毛坯的具體要求是圓環狀鍛件毛坯的表面涂覆玻璃潤滑劑，潤滑劑要均勻覆蓋鍛件毛坯的外表面和內孔面。制備鍛件試樣的具體要求是把涂覆玻璃潤滑劑后的鍛件毛坯加熱到鍛造溫度，保溫10-60分鐘；按照變形量為30%或50%進行鐓粗。鍛件毛坯滿足下述要求圓環狀鍛件毛坯的外徑內徑高=4:2:1 ;具體地鍛件毛坯滿足下述要求圓環狀鍛件毛坯外徑為40毫米、內徑為20毫米、高為10毫米。對數據測量的具體要求是鍛件試樣的內徑和外徑的測量要求是首先在其赤道面上沿圓周方向測量2至10個值，然后取其平均值；鍛件試樣的高度測量要求是沿圓周方向在R/2處測量2至10個值，取其平均值。原則上，通過多次測量取平均值保證測量數據的準確性。本實施例在利用摩擦邊界和傳熱邊界條件等基礎上，準確地模擬圓環鐓粗過程中金屬的流動和形狀尺寸變化規律，由此確定的理論校準曲線可準確地反映金屬塑性加工過程中摩擦的影響。本實施例可以準確測量鍛造高溫成形過程中的模具與工件之間的摩擦系數，再現金屬的流動規律。為數值模擬軟件提供準確的邊界條件從而保證鍛件模擬過程的精確度，對預防鍛件缺陷和提升鍛件成形質量具有重要的意義。根據針對本實施例的實驗研究證明，本實施例可以使廢品率由傳統工藝的7. 5%以上降低至現在的小于4. 3%，本實施例在提高產品質量的同時，也具有巨大的經濟價值和社會價值。
權利要求
1.一種鍛件鍛造摩擦系數的測定方法，用于測量鍛造高溫成形過程中的模具與工件之間的摩擦系數，其特征在于所述鍛造摩擦系數的測定方法具體要求是 1)預先繪制理論校準曲線利用模擬軟件對不同摩擦系數下圓環狀鍛件進行模擬，根據模擬結果提取鍛件試樣在不同高度變形量條件下的圓環內徑值，利用不同的高度變化量和與之對應的內徑變化量繪制理論校準曲線； 2)制備鍛件試樣對圓環狀的具體鍛件毛坯進行鐓粗制得鍛件試樣； 3)之后進行數據測量測量鐓粗后的鍛件試樣的高度及內、外徑； 4)最后進行摩擦系數的確定將鍛件試樣的高度測量值和內徑測量值與理論校準曲線對比，確定材料的鍛造摩擦系數。
2.按照權利要求I所述的鍛造摩擦系數的測定方法，其特征在于對鐓粗之前的鍛件毛坯的具體要求是圓環狀鍛件毛坯的表面涂覆玻璃潤滑劑，潤滑劑要均勻覆蓋鍛件毛坯的外表面和內孔面。
3.按照權利要求2所述的鍛造摩擦系數的測定方法，其特征在于鍛件毛坯滿足下述要求圓環狀鍛件毛坯的外徑內徑高=4:2:1。
4.按照權利要求3所述的鍛造摩擦系數的測定方法，其特征在于鍛件毛坯滿足下述要求圓環狀鍛件毛坯外徑為40毫米、內徑為20毫米、高為10毫米。
5.按照權利要求I所述的鍛造摩擦系數的測定方法，其特征在于制備鍛件試樣的具體要求是把涂覆玻璃潤滑劑后的鍛件毛坯加熱到鍛造溫度，保溫10-60分鐘；按照變形量為30%或50%進行鐓粗。
6.按照權利要求I所述的鍛造摩擦系數的測定方法，其特征在于對數據測量的具體要求是 鍛件試樣的內徑和外徑的測量要求是首先在其赤道面上沿圓周方向測量2至10個值，然后取其平均值； 鍛件試樣的高度測量要求是沿圓周方向在R/2處測量2至10個值，取其平均值。
全文摘要
一種鍛件鍛造摩擦系數的測定方法，用于測量鍛造高溫成形過程中的模具與工件之間的摩擦系數，其具體要求是1)利用模擬軟件對不同摩擦系數下圓環狀鍛件進行模擬，根據模擬結果提取鍛件試樣在不同高度變形量條件下的圓環內徑值，利用不同的高度變化量和與之對應的內徑變化量繪制理論校準曲線；2)對鍛件毛坯進行鐓粗制得鍛件試樣；3)測量鍛件試樣的高度及內、外徑；4)將鍛件試樣的高度測量值和內徑測量值與理論校準曲線對比，確定材料的鍛造摩擦系數。本發明能夠測量鍛造高溫成形過程中的模具與工件之間的鍛造摩擦系數，再現金屬的流動規律，對預防鍛件缺陷和提升鍛件成形質量具有重要的意義。
文檔編號G01N19/02GK102890054SQ20121036700
公開日2013年1月23日 申請日期2012年9月28日 優先權日2012年9月28日
發明者李治華, 邰清安, 佗勁紅, 徐強, 閔慧娜 申請人:沈陽黎明航空發動機(集團)有限責任公司