专利名称：一种锻件锻造摩擦系数的测定方法
技术领域：
本发明涉及一种材料成形工程领域中的有限元模拟与锻造工艺，特别提供了一种锻件锻造摩擦系数的测定方法。
背景技术：
金属在塑性成形过程中，凡是相互运动的表面之间都存在摩擦。摩擦是指塑性变形时，模具表面对金属流动的阻力。由于摩擦的存在，金属塑性成形时的变形力、变形功会增加；锻件从模膛中脱模困难，有时甚至会产生粘模现象，影响正常生产；还会引起金属变形不均匀，严重时产品会出现裂纹。通常情况下，生产过程应该尽可能地降低摩擦，以便降低变形抗力。因此，锻件锻造摩擦系数的测定对于保证锻件质量具有十分重要的意义。 同时存在于工件与模具间的摩擦会影响变形载荷、产品表面质量和内部结构以及模具的磨损等。因此，研究摩擦机理，测定接触面摩擦系数对弄清在不同条件下和成形过程中模具与工件间的接触情况，为数值模拟软件提供准确的边界条件，从而保证锻件模拟过程的精确度，对预防锻件缺陷和提升锻件成形质量具有重要的意义。测定摩擦系数时锻造圆环的理论解，目前普遍采用的是Avitzur及其改进的能量法或上限法、或者主应力法计算的理论解。这些方法采用理想刚塑性模型、接触面摩擦力及圆环变形速度场等假设，与实际情况差异较大，给实际测量摩擦系数带来了较大的误差。近年来随着有限元技术的迅速发展，有限元方法已经被广泛用于圆环镦粗过程的数值分析。采用有限元法可以真实地反应材料在热加工过程中的真应力一真应变本构关系。人们迫切希望获得一种技术效果优良的锻件锻造摩擦系数的测定方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种锻件锻造摩擦系数的测定方法，其测量摩擦系数结果与实际情况更接近，测量数值更精确的测量方法。本发明提供了一种锻件锻造摩擦系数的测定方法，用于准确测量锻造高温成形过程中的模具与工件之间的摩擦系数的方法。其测定摩擦系数的原理是把外径Dp内径Di和高度为h的扁平圆环置于平行的平模具间镦粗。镦粗变形时金属向外或向内流动，根据接触面摩擦系数的不同，圆环的内径尺寸会呈现出不同的变化。当接触面摩擦系数等于或接近于零时，圆环上的每一质点均作径向的流动，变形后内外径都增加；当摩擦系数增加时，金属质点的外流速度下降，与前一种情况比较，在同一压速下，内外径增量均较小；若接触面摩擦系数超过某一临界值时，则圆环中会出现一个半径为&的分流面该面以外金属向外流动，以内金属向中心流动；变形后圆环外径增大，内径缩小。理论和实验研究表明分流面Rn值随摩擦系数的增大而增大。因此，可根据分流面位置确定摩擦系数。镦粗后的圆环内径变化与分流面的位置有关，所以可用测量内径的减小情况来确定摩擦系数。本发明一种锻件锻造摩擦系数的测定方法，用于测量锻造高温成形过程中的模具与工件之间的摩擦系数，其特征在于所述锻造摩擦系数的测定方法具体要求是
I)预先绘制理论校准曲线利用有限元模拟软件对不同摩擦系数下圆环状锻件进行模拟，根据模拟结果提取锻件试样在不同高度变形量条件下的圆环内径值，利用不同的高度变化量和与之对应的内径变化量绘制理论校准曲线；此过程要求至少应在步骤4之前完成;2)制备锻件试样对圆环状的具体锻件毛坯进行镦粗制得锻件试样；3)之后进行数据测量测量镦粗后的锻件试样的高度及内、外径；4)最后进行摩擦系数的确定将锻件试样的高度测量值和内径测量值与理论校准曲线对比，确定材料的锻造摩擦系数。所述的锻造摩擦系数的测定方法，其特征在于对镦粗之前的锻件毛坯的具体要 求是圆环状锻件毛坯的表面涂覆玻璃润滑剂，润滑剂要均匀覆盖锻件毛坯的外表面和内孔面。制备锻件试样的优选具体要求是把涂覆玻璃润滑剂后的锻件毛坯加热到锻造温度，保温10-60分钟；按照变形量为30%或50%进行镦粗。锻件毛坯满足下述优选要求圆环状锻件毛坯的外径内径高=4:2:1。进一步优选内容锻件毛坯满足下述要求圆环状锻件毛坯外径为40毫米、内径为20毫米、高为10毫米。对数据测量的优选具体要求是锻件试样的内径和外径的测量要求是首先在其赤道面上沿圆周方向测量2至10个值，然后取其平均值；锻件试样的高度测量要求是沿圆周方向在R/2处测量2至10个值，取其平均值。R为锻件试样大圆半径。原则上，通过多次测量取平均值保证测量数据的准确性。本发明在利用摩擦边界和传热边界条件等基础上，准确地模拟圆环镦粗过程中金属的流动和形状尺寸变化规律，由此确定的理论校准曲线可准确地反映金属塑性加工过程中摩擦的影响。本发明可以准确测量锻造高温成形过程中的模具与工件之间的摩擦系数，再现金属的流动规律。为数值模拟软件提供准确的边界条件从而保证锻件模拟过程的精确度，对预防锻件缺陷和提升锻件成形质量具有重要的意义。根据针对本发明的实验研究证明，本发明可以使废品率由传统工艺的7. 5%以上降低至现在的小于4. 3%，本发明在提高产品质量的同时，也具有巨大的经济价值和社会价值。
下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明图I为理论校准曲线；图2为锻件毛坯试样示意图。
具体实施例方式实施例I 一种锻件锻造摩擦系数的测定方法
以测定TC4材料锻造过程摩擦系数为例具体说明本发明的实施过程。I、绘制理论校准曲线有限元模拟的初始条件如下TC4圆环镦粗温度为940°C，上下模设为刚性模具，上模压下速度150mm/s，模具预热温度为220°C。模拟采用刚塑性本构关系模型，工件的比热容随温度变化而变化。工件、模具与空气的热对流系数为O. 02N/(s *mm · 0C ),工件与模具接触面之间的热交换系数为llN/(s · °C )。工件与模具之间采用剪切摩擦，摩擦系数分别取 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。模拟后根据高度和内径的变化绘制的理论校准曲线如图I所示。2、制备锻件试样在如图2所示的锻件毛坯表面涂覆玻璃润滑剂，润滑剂要均匀且覆盖试样整个表面和内孔。把试样加热到940°C，保温30min按照变形量为30%和50%进 行镦粗，制得锻件试样，且每一条件制备3个锻件试样。3、数据测量用游标卡尺测量锻件试样的高度h和内径Di和外径％。内径Di和外径Dtl在每个锻件试样的赤道面上沿圆周方向每隔45°测量，共测量4个值，取其平均值；高度h沿圆周方向在R/2处每隔90°测量，测量4个值，取其平均值。每一个条件3个锻件试样的测量平均值作为摩擦系数测定的依据(如表I)。表I测量数据
圆环尺寸摩檫条件变形量尺寸(mm) 试样I试样2 试样3 平均
高度 h 7.15 7.15 7.13 7.14
# 内径 D, 15.50 15.85 15.87 15.74 D0Dih-----外径 Dct 45.86 46.31 45.51 45.90
=玻璃润滑------
高度 h 5.03 5.05 5.05 5.04 4:2:1-----
50%内径 D, 10.40 12.30 11.00 11.23
外径 Dc 51.98 51.93 51.64 51.854、摩擦系数的确定根据锻造圆环高度测量值与内径测量值与理论校准曲线对t匕，确定TC4材料在有润滑剂条件下的摩擦系数为O. 32。实施例2一种锻件锻造摩擦系数的测定方法，用于准确测量锻造高温成形过程中的模具与工件之间的摩擦系数的方法。其测定摩擦系数的原理是把外径Dp内径Di和高度为h的扁平圆环置于平行的平模具间镦粗。镦粗变形时金属向外或向内流动，根据接触面摩擦系数的不同，圆环的内径尺寸会呈现出不同的变化。当接触面摩擦系数等于或接近于零时，圆环上的每一质点均作径向的流动，变形后内外径都增加；当摩擦系数增加时，金属质点的外流速度下降，与前一种情况比较，在同一压速下，内外径增量均较小；若接触面摩擦系数超过某一临界值时，则圆环中会出现一个半径为Rn的分流面该面以外金属向外流动，以内金属向中心流动；变形后圆环外径增大，内径缩小。理论和实验研究表明分流面Rn值随摩擦系数的增大而增大。因此，可根据分流面位置确定摩擦系数。镦粗后的圆环内径变化与分流面的位置有关，所以可用测量内径的减小情况来确定摩擦系数。
本实施例所述锻件锻造摩擦系数的测定方法，用于测量锻造高温成形过程中的模具与工件之间的摩擦系数，所述锻造摩擦系数的测定方法具体要求是I)预先绘制理论校准曲线利用有限元模拟软件对不同摩擦系数下圆环状锻件进行模拟，根据模拟结果提取锻件试样在不同高度变形量条件下的圆环内径值，利用不同的高度变化量和与之对应的内径变化量绘制理论校准曲线；此过程要求至少应在步骤4之前完成;2)制备锻件试样对圆环状的具体锻件毛坯进行镦粗制得锻件试样；3)之后进行数据测量测量镦粗后的锻件试样的高度及内、外径；4)最后进行摩擦系数的确定将锻件试样的高度测量值和内径测量值与理论校准曲线对比，确定材料的锻造摩擦系数。
所述的锻造摩擦系数的测定方法，其特征在于对镦粗之前的锻件毛坯的具体要求是圆环状锻件毛坯的表面涂覆玻璃润滑剂，润滑剂要均匀覆盖锻件毛坯的外表面和内孔面。制备锻件试样的具体要求是把涂覆玻璃润滑剂后的锻件毛坯加热到锻造温度，保温10-60分钟；按照变形量为30%或50%进行镦粗。锻件毛坯满足下述要求圆环状锻件毛坯的外径内径高=4:2:1 ;具体地锻件毛坯满足下述要求圆环状锻件毛坯外径为40毫米、内径为20毫米、高为10毫米。对数据测量的具体要求是锻件试样的内径和外径的测量要求是首先在其赤道面上沿圆周方向测量2至10个值，然后取其平均值；锻件试样的高度测量要求是沿圆周方向在R/2处测量2至10个值，取其平均值。原则上，通过多次测量取平均值保证测量数据的准确性。本实施例在利用摩擦边界和传热边界条件等基础上，准确地模拟圆环镦粗过程中金属的流动和形状尺寸变化规律，由此确定的理论校准曲线可准确地反映金属塑性加工过程中摩擦的影响。本实施例可以准确测量锻造高温成形过程中的模具与工件之间的摩擦系数，再现金属的流动规律。为数值模拟软件提供准确的边界条件从而保证锻件模拟过程的精确度，对预防锻件缺陷和提升锻件成形质量具有重要的意义。根据针对本实施例的实验研究证明，本实施例可以使废品率由传统工艺的7. 5%以上降低至现在的小于4. 3%，本实施例在提高产品质量的同时，也具有巨大的经济价值和社会价值。
权利要求
1.一种锻件锻造摩擦系数的测定方法，用于测量锻造高温成形过程中的模具与工件之间的摩擦系数，其特征在于所述锻造摩擦系数的测定方法具体要求是 1)预先绘制理论校准曲线利用模拟软件对不同摩擦系数下圆环状锻件进行模拟，根据模拟结果提取锻件试样在不同高度变形量条件下的圆环内径值，利用不同的高度变化量和与之对应的内径变化量绘制理论校准曲线； 2)制备锻件试样对圆环状的具体锻件毛坯进行镦粗制得锻件试样； 3)之后进行数据测量测量镦粗后的锻件试样的高度及内、外径； 4)最后进行摩擦系数的确定将锻件试样的高度测量值和内径测量值与理论校准曲线对比，确定材料的锻造摩擦系数。
2.按照权利要求I所述的锻造摩擦系数的测定方法，其特征在于对镦粗之前的锻件毛坯的具体要求是圆环状锻件毛坯的表面涂覆玻璃润滑剂，润滑剂要均匀覆盖锻件毛坯的外表面和内孔面。
3.按照权利要求2所述的锻造摩擦系数的测定方法，其特征在于锻件毛坯满足下述要求圆环状锻件毛坯的外径内径高=4:2:1。
4.按照权利要求3所述的锻造摩擦系数的测定方法，其特征在于锻件毛坯满足下述要求圆环状锻件毛坯外径为40毫米、内径为20毫米、高为10毫米。
5.按照权利要求I所述的锻造摩擦系数的测定方法，其特征在于制备锻件试样的具体要求是把涂覆玻璃润滑剂后的锻件毛坯加热到锻造温度，保温10-60分钟；按照变形量为30%或50%进行镦粗。
6.按照权利要求I所述的锻造摩擦系数的测定方法，其特征在于对数据测量的具体要求是 锻件试样的内径和外径的测量要求是首先在其赤道面上沿圆周方向测量2至10个值，然后取其平均值； 锻件试样的高度测量要求是沿圆周方向在R/2处测量2至10个值，取其平均值。
全文摘要
一种锻件锻造摩擦系数的测定方法，用于测量锻造高温成形过程中的模具与工件之间的摩擦系数，其具体要求是1)利用模拟软件对不同摩擦系数下圆环状锻件进行模拟，根据模拟结果提取锻件试样在不同高度变形量条件下的圆环内径值，利用不同的高度变化量和与之对应的内径变化量绘制理论校准曲线；2)对锻件毛坯进行镦粗制得锻件试样；3)测量锻件试样的高度及内、外径；4)将锻件试样的高度测量值和内径测量值与理论校准曲线对比，确定材料的锻造摩擦系数。本发明能够测量锻造高温成形过程中的模具与工件之间的锻造摩擦系数，再现金属的流动规律，对预防锻件缺陷和提升锻件成形质量具有重要的意义。
文档编号G01N19/02GK102890054SQ20121036700
公开日2013年1月23日 申请日期2012年9月28日 优先权日2012年9月28日
发明者李治华, 邰清安, 佗劲红, 徐强, 闵慧娜 申请人:沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司