一种快速准确确定金属塑性成形过程摩擦系数的方法

Size: px

Start display at page:

Download "一种快速准确确定金属塑性成形过程摩擦系数的方法"

考詹头廖
5 years ago
Views:

1 (19) 中华人民共和国国家知识产权局 (12) 发明专利 (21) 申请号 (22) 申请日 (73) 专利权人上海工程技术大学地址上海市长宁区仙霞路 350 号 (72) 发明人王金彦龚红英蒋启李名尧 (74) 专利代理机构上海伯瑞杰知识产权代理有限公司代理人季申清 (10) 授权公告号 (45) 授权公告日张耀宗等. 利用圆环镦粗法测定工模具钢超塑成形条件下的摩擦系数. 洛阳工学院学报.1989, 第 10 卷 ( 第 4 期 ), 韩志仁等. 基于有限元分析的摩擦系数测定. 锻压技术.2008, 第 33 卷 ( 第 1 期 ), 审查员郝学江 (51)Int.Cl. G01N 19/02 ( ) (56) 对比文件 CN A, , CN A, , 权利要求书 2 页 5 页 5 页附图附图 1 页 1 页 (54) 发明名称一种快速准确确定金属塑性成形过程摩擦系数的方法 (57) 摘要本发明涉及金属塑性加工领域, 具体是涉及一种能快速准确确定金属在塑性成形过程中摩擦系数的方法本方法做 n 组圆环镦粗实验 : 做第 1 组, 每组 3 个试样, 圆环试样的尺寸比例取外径 : 内径 : 高度 = 3 :2 :1, 压下率在 50% 以下, 测量试样变形后的内径外径及高度, 每一尺寸从三个不同方向测量取其均值, 计算 3 个试样的平均内径外径及高度 ; 计算中性层半径 ; 计算摩擦因子 m ; 计算获得获得最优摩擦因子 m i, 求本发明简单易行, 且同时考虑了圆环试样镦粗时的鼓肚及材料硬化行为克服了以往解析方法不能同时考虑鼓肚及材料硬化行为的缺陷, 并且避免了采用标定曲线方法的繁琐数据处理

2 权利要求书 1/2 页 1. 一种快速准确确定金属塑性成形过程摩擦系数的方法, 其特征在于 : 设 ρ 为圆环镦粗时的中性层半径,R 1 R 0 H 分别为变形后的内径外径和高度, 根据传统的解析法求得圆环镦粗时的摩擦因子 m 当 ρ R 1 时 : 当 R 1 < ρ < R 0 时 : 这里 H i-1 R 1i-1 为上一时间步的高度及内径,H i R 1i 为当前时间步的高度及内径 ; 做 n 组圆环镦粗实验 : 1 做第 1 组, 每组 3 个试样, 试样的尺寸比例取外径 : 内径 : 高度 = 3:2:1, 压下率在 50% 以下, 测量试样变形后的内径外径及高度, 每一尺寸从三个不同方向测量取其均值, 计算 3 个试样的平均内径外径及高度 ; 2 按公式 (3) 计算中性层半径 ; 3 若 ρ R 1, 按公式 (1) 计算摩擦因子 m ; 若 R 1 < ρ < R 0, 按公式 (2) 计算摩擦因子 m ; 4 按轴对称模型进行有限元建模, 按照实验结果设置模拟压下高度及计算步长, 采用四边形轴对称单元网格划分, 采用刚塑性硬化材料模型 : 其中 K α 及材料的屈服极限 σ s 由材料的单向拉伸实验或材料供应商获得,σ s 与 ε 0 对应,ε p 为材料的等效塑性应变 ; 5 按照步骤 3 确定的摩擦因子, 做圆环镦粗的有限元数值模拟, 计算式中为步骤 1 得到的平均内径及外径,R 1 ' R' 0 为数值模拟得到的内径及外径 ; 6 向上或向下调整摩擦因子, 并获得获得最优摩擦因子 m i ; 7 调整圆环镦粗实验的压下高度, 重复步骤 1~6, 做第 2 ~ 3 组圆环镦粗实验并计算 2

3 权利要求书 2/2 页最优摩擦因子 m i, 求所述 n = 1 ~ 3 3

4 1/5 页一种快速准确确定金属塑性成形过程摩擦系数的方法技术领域 [0001] 本发明涉及金属塑性加工领域, 具体是涉及一种能快速准确确定金属在塑性成形过程中摩擦系数的方法背景技术 [0002] 金属塑性加工中是在工具与工件相接触的条件下进行的, 这时必然产生阻止金属流动的摩擦力这种发生在工件和工具接触面间, 阻碍金属流动的摩擦, 称外摩擦由于摩擦的作用, 工具产生磨损, 工件被擦伤 ; 金属变形力能增加造成金属变形不均 ; 严重时使工件出现裂纹, 还要定期更换工具因此, 塑性加工中须研究摩擦系数, 研究摩擦力, 须加以润滑 [0003] 伴随着塑性变形而产生的摩擦, 在塑性变形过程中由于高压下变形, 会不断增加新的接触表面, 使工具与金属之间的接触条件不断改变接触面上各处的塑性流动情况不同, 有的滑动, 有的粘着, 有的快, 有的慢, 因而在接触面上各点的摩擦也不一样 [0004] 不同于机械传动过程中的摩擦, 金属塑性加工过程中的摩擦往往伴随有塑性变形, 各质点的相对速度不同, 因而各点的摩擦也不一样金属塑性变形时接触面上的压力很高, 摩擦状况远比一般机械传动时复杂, 同时高压下的摩擦往往也是高温下的摩擦, 所有这些决定了确定金属塑性成形过程摩擦系数的复杂性和困难性上世纪六十年代提出了利用圆环镦粗实验确定摩擦系数的解析方法, 最初不考虑镦粗时出现的鼓形, 为理想的数学解析解这种方法需要利用解析公式对不同摩擦因子做出标定曲线, 然后利用实验结果插值计算出摩擦系数, 费时费力以后有学者提出对上述解析公式进行改进, 如考虑圆环变形后出现的鼓形, 采用 Hill 理论的改进数值解法等这些方法在一定程度上改进了精度, 但不能考虑材料塑性变形时的硬化行为, 且仍需要做标定曲线国内有专家采用弹塑性材料模型的数值模拟技术确定摩擦系数, 可以考虑圆环镦粗时的鼓形及金属塑性变形的硬化行为, 但仍需要作标定曲线 [0005] 因此, 有必要对摩擦系数的确定进行进一步改进, 达到快速准确发明内容 [0006] 本发明的目的是提供金属塑性成形过程一种快速准确确定摩擦系数的方法 [0007] 本发明的目的由以下技术方案予以实现 : [0008] 一种快速准确确定金属塑性成形过程摩擦系数的方法, 其特征在于 : [0009] 设 ρ 为圆环镦粗时的中性层半径,R 1 R 0 H 分别为变形后的内径外径和高度, 根据传统的解析法求得圆环镦粗时的摩擦因子 m [0010] 当 ρ R 1 时 : 4

5 2/5 页 [0011] [0012] 当 R 1 < ρ < R 0 时 : [0013] [0014] [0015] 这里 H i-1 R 1i-1 为上一时间步的高度及内径,H i R 1i 为当前时间步的高度及内径 ; [0016] 做 n 组圆环镦粗实验 : [0017] 1 做第 1 组, 每组 3 个试样, 圆环试样的尺寸比例取外径 : 内径 : 高度 = 3:2:1, 压下率在 50% 以下, 测量试样变形后的内径外径及高度, 每一尺寸从三个不同方向测量取其均值, 计算 3 个试样的平均内径外径及高度 ; [0018] 2 按公式 (3) 计算中性层半径 ; [0019] 3 若 ρ R 1, 按公式 (1) 计算摩擦因子 m ; 若 R 1 < ρ < R 0, 按公式 (2) 计算摩擦因子 m ; [0020] 4 按轴对称模型进行有限元建模, 按照实验结果设置模拟压下高度及计算步长, 采用四边形轴对称单元网格划分, 采用刚塑性硬化材料模型 : 其中 K α 及材料的屈服极限 σ s 由材料的单向拉伸实验或材料供应商获得,σ s 与 ε 0 对应,ε p 为材料的等效塑性应变 ; [0021] 5 按照步骤 3 确定的摩擦因子, 做圆环镦粗的有限元数值模拟, 计算式中为步骤 (1) 得到的平均内径及外径,R 1 ' R' 0 为数值模拟得到的内径及外径 ; [0022] 6 向上或向下调整摩擦因子, 并获得获得最优摩擦因子 m i [0023] 7 调整圆环镦粗实验的压下高度, 重复步骤 1~6, 做第 2 ~ 3 组圆环镦粗实验并计算最优摩擦因子 m i, 求 [0024] 根据权利要求 1 所述快速准确确定金属塑性成形过程摩擦系数的方法, 其特征在于所述 n = 1 ~ 3 根据实际需要, 在此范围内选择, 足以取得准确的结果 [0025] 本发明的有益效果 : 本发明首先采用已有的解析公式快速确定圆环镦粗时摩擦系 5

6 3/5 页数的初始值, 然后上下调整摩擦系数使数值模拟圆环的内外径尺寸和实验结果最接近, 从而得到最优的摩擦系数 [0026] 以上方法简单易行, 且同时考虑了圆环试样镦粗时的鼓肚及材料硬化行为克服了以往解析方法不能同时考虑鼓肚及材料硬化行为的缺陷, 并且避免了采用标定曲线方法的繁琐数据处理附图说明 [0027] 图 1 为本发明一种快速准确确定金属塑性成形过程摩擦系数的方法, 圆环试样的结构剖视图 ; [0028] 图 2 为本发明一种快速准确确定金属塑性成形过程摩擦系数的方法, 显示了圆环镦粗时中性层半径的一种情况, 表示摩擦系数较小时, 中性层半径小于圆环内径的受力变形状态图 ; [0029] 图 3 为本发明一种快速准确确定金属塑性成形过程摩擦系数的方法, 显示了圆环镦粗时中性层半径的一种情况, 表示摩擦系数较大时, 中性层半径在圆环内外径之间的受力变形状态图 [0030] 图中 :d 0 是变形前圆环外直径,d 1 是变形前圆环内直径,h 是变形前的高度,H 是变形后的高度,ρ 为变形时的中性层半径,r 1 为变形前圆环内半径,r 0 为变形前圆环外半径具体实施方式 [0031] 以下结合附图进一步详细说明本发明的结构 [0032] 实验坯料为的 10 钢, 通过分析, 确定按 D:d:H=3:2:1 进行加工, 圆环外径为 18mm, 内径为 12mm, 高度为 6mm, 采用车削加工按照设计方案加工圆环坯料本实验采用 2 组试件进行实验, 每组 3 个试样, 其中第 1 组试件平均打击高度 2.4mm, 第 2 组试件平均打击高度 2.8mm, 实验结果如表 1 所示 [0033] 由于圆环镦粗在几何和载荷上均为轴对称问题, 利用圆环零件的对称性, 对零件的轴对称几何模型进行离散化, 采用轴对称 4 节点四边形单元进行有限元建模, 并施加轴对称约束条件 [0034] 1 根据实验结果 1, 由公式 (3) 确定中性层半径 : [0035] [0036] 2 由实验结果 1 可知中性层半径在镦粗后内外径之间, 由公式 (2) 解析计算摩擦因子 : [0037] [0038] 表 1 圆环镦粗实验测量结果 [0039] 6

7 4/5 页 [0040] 3 根据解析计算的摩擦因子进行圆环镦粗数值模拟试验, 并进行试验结果处理, 得到最优的摩擦因子 m 1 数值模拟试验结果处理见表 2 [0041] 表 2 实验 1 数值模拟结果处理 [0042] [0043] 由此可得最优摩擦因子 m 1 =0.22 [0044] 4 根据实验结果 2, 由公式 (3) 确定中性层半径 : [0045] [0046] 5 由实验结果 2 可知中性层半径在镦粗后内外径之间, 由公式 (2) 解析计算摩擦因子 : [0047] [0048] 6 根据解析计算的摩擦因子进行圆环镦粗数值模拟试验, 并进行试验结果处理, 得到最优的摩擦因子 m 2 [0049] 数值模拟试验结果处理详见表 3 [0050] 表 3 实验 2 数值模拟结果处理 [0051] 7

8 5/5 页 [0052] 由此可得最优摩擦因子 m 2 =0.24 [0053] 7 根据公式可得圆环镦粗实验的摩擦因子为 : 8

9 附图 1/1 页图 1 图 2 图 3 9

08-01.indd

08-01.indd 1 02 04 08 14 20 27 31 35 40 43 51 57 60 07 26 30 39 50 56 65 65 67 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 ω ρ ε 23 λ ω < 1 ω < 1 ω > 0 24 25 26 27 28 29 30 31 ρ 1 ρ σ b a x x i +3 x i