熱鍛摩擦因子的鐓擠變形測試方法
【專利摘要】一種熱塑性成形【技術領域】的熱鍛摩擦因子的鐓擠變形測試方法，首先將由上、下模部分組成的模具固定于壓機上，然后對工件進行加熱；并對工件和/或模具表面進行潤滑；再讀取工件溫度并將其置于下模部分、定位；開動壓力機，使上模部分壓下以實現對工件的鐓擠過程，然后取出帶有凸起的圓盤狀的工件并淬火；測量工件鐓擠后的圓盤處厚度和中心凸起的高度，計算壓下率和凸起高度比率并與摩擦標定曲線進行對比，得出摩擦系數或摩擦因子；重復以上過程至少三次，取三次試驗摩擦因子平均值作為摩擦系數或摩擦因子的測試結果。本發明變形過程更接近實際的熱成形過程，在保持測試精度的前提下，考慮到金屬流動路徑包括水平流動和流入模孔的流動過程。
【專利說明】熱鍛摩擦因子的鐓擠變形測試方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及的是一種熱塑性成形【技術領域】的方法，具體是一種利用鐓擠變形方式定量測試熱鍛中摩擦因子的方法。
【背景技術】
[0002]熱成形過程中，摩擦常常伴隨有塑性變形，稱為塑性摩擦，它比機械摩擦更為復雜和劇烈。熱塑性成形中工件與模具接觸界面常常伴有熱交換，同時工件表面的氧化皮，工件承受的較高表面壓力以及新生表面的出現等，這些因素均增加了熱塑性成形中摩擦的復雜性。摩擦邊界直接影響著應力與應變的分布、金屬的塑性以及金屬的內部組織與性能，還會影響壓下載荷以及模具壽命；如果邊界摩擦控制不好還會導致缺陷，如金屬充填不足、裂紋、不均勻變形產生的附加應力和殘余應力等。因此研究熱塑性中摩擦機理，合理利用摩擦與選擇合適的潤滑劑，對于熱成形的精確成形，缺陷控制具有重要意義。
[0003]圓環鐓粗法是經典的常用的塑性摩擦測試方法，一定尺寸的圓環在兩平壓頭間壓縮，利用圓環內徑的變化率來表征摩擦系數或摩擦因子的大小。該方法的關鍵在于建立摩擦系數與圓環鐓粗時內徑變化之間的關系曲線(即摩擦標定曲線)，標定曲線可以通過檢測、解析方法、有限元模擬等方法獲得。將檢測測得的圓環內徑變化率和相應的變形程度，放到標定曲線圖中就可以讀出相應的摩擦系數或摩擦因子。圓環內徑測量的準確性對獲得的具體的摩擦因子數值起著至關重要的影響，但是由于圓環的鼓形效應，低摩擦時內徑向外鼓，高摩擦時內徑向內鼓，增加了變形后關鍵尺寸內徑測量的難度。此外，檢測中變形后塑性失穩的圓環內孔輪廓形狀不規則更增加了測量的難度。同時，在實際熱成形過程中，金屬常常要進行復雜的變形和流動，但是圓環鐓粗法中金屬主要沿著模具做水平流動并沒有金屬流入模具的變形過程，變形路徑較為簡單；同時新生成表面比率較低，不適合用于測試復雜熱成形過程中的摩擦。
[0004]1998年，X.TAN等人提出了一種圓環鐓粗法圓環形試樣的改良辦法，將變形工件形狀截面改為內凹形和外凸形，如圖1所示。通過改良，可以擴大圓環鐓粗法的適用范圍，可以測試較高表面壓力和較低表面壓力下的摩擦因子。但是這種改良并未從根本上改進圓環鐓粗法金屬的流動方式，金屬變形依舊只是沿著模具做水平方向流動，變形路徑簡單。
[0005]經過對現有技術的檢索發現，中國專利文獻號CN103612415A公開(公告)日2014.03.05，公開了一種熱塑性成形摩擦特性參數的測試裝置與測試方法，屬于材料成形領域。所述測試裝置包括上模部分和下模部分，上模部分由上模板、上模塊、上隔熱環、螺釘和銷釘組成，下模部分由下模板、下模塊、下隔熱環、彈簧、電加熱絲、石棉隔熱板、熱電偶測溫計、螺釘和銷釘組成。工作時，利用電加熱絲對測試裝置加熱，熱電偶測溫計實時讀取坯料和下模塊的溫度；下隔熱環外壁插入上隔熱環內壁并保持滑動配合，不僅對上模部分起導向作用，同時通過上、下隔熱環和石棉隔熱板大大減小坯料以及下模塊的散熱；利用圓環鐓粗法進行摩擦系數和摩擦因子的測試。但該方法依舊利用的是圓環鐓粗法的變形原理，僅是對鍛造溫度的控制做出了改進，而沒有對圓環內徑難于測量的問題做出改進；而且裝置設計復雜，由于下模開有盲孔放置熱電偶，這將削弱下模的強度，容易引起下模失效。
【發明內容】
[0006]本發明針對現有技術存在的上述不足，提出一種熱鍛摩擦因子的鐓擠變形測試方法，變形過程更接近實際的熱成形過程，在保持測試精度的前提下，考慮到金屬流動路徑包括水平流動和流入模孔的流動過程，簡化了整個測試步驟。
[0007]本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括以下步驟:
[0008]步驟I)將由上、下模部分組成的模具固定于壓機上，具體步驟為:先將下模部分固定在壓機臺面上，然后將上模部分與下模部分閉合，然后將上模座固定到壓機滑塊上。安裝定位銷并預設壓機壓下量和壓下速度。
[0009]所述的上模部分優選包括:上模座和與其固定連接的上模塊。
[0010]所述的下模部分優選包括:由外模和下模座構成的模座、用于放置工件的內模以及設置于內模上的定位圈；上模塊與內模對正。
[0011]所述的模座包括:用于固定內模的外模以及與外模固定連接的下模座。
[0012]步驟2)對工件進行加熱。
[0013]步驟3)進行潤滑處理，采用現有的潤滑介質與潤滑方式對工件和/或模具表面進行潤滑。
[0014]步驟4)記錄工件出爐溫度并將其置于下模部分、定位，具體步驟為:將工件置于內模上表面的中心位置，采用定位圈對工件進行定位，定位完成后，移開定位圈。
[0015]步驟5)開動壓力機，使上模部分壓下以實現對工件的鐓擠過程，然后取出圓盤狀的工件并淬火。
[0016]步驟6)測量工件鐓擠后的圓盤處厚度和中心凸起的高度，計算壓下率和凸起高度比率并與摩擦標定曲線進行對比，得出摩擦系數或摩擦因子。
[0017]所述的壓下率為(HQ-H’)/H。，其中:Hq為工件初始高度，該數值在工件變形前測量獲得；H’為工件鐓擠變形圓盤位置的厚度，該數值在工件變形后測量獲得，如圖5所示。
[0018]所述的凸起高度比率為h/U，其中:h表示變形后中心凸起頂端到圓盤下底面的距離，該數值在工件變形后測量獲得。
[0019]所述的摩擦標定曲線是指:以壓下率為橫坐標、凸起高度比率為縱坐標的曲線，該摩擦因子標定曲線的獲得方式是:按照加工成的上模塊和帶有中心孔的內模的名義尺寸建立有限元模型，依次輸入工件的材料數據、待測工件與模具的接觸條件、剪切摩擦因子或摩擦系數、上模壓下速度和壓下量，然后通過模擬工件鐓擠變形過程，并提取鐓擠變形過程后凸起高度隨壓下行程變化的歷史模擬數據，進而計算得到模擬高度比率與模擬壓下率，從而獲得摩擦因子或摩擦系數標定曲線。
[0020]所述的材料數據是指:有限元計算軟件所需要的材料流動曲線、熱物性參數。
[0021]步驟7)重復以上步驟三次，取三次檢測得到的摩擦因子，并計算其算術平均值作為摩擦因子的測試結果。
技術效果
[0022]與現有技術相比，本發明的技術效果包括:
[0023]①模具設計簡單，工件尺寸測量簡單，不存在工件形狀不穩定的情況，測試方法簡單易行。
[0024]②采用鐓擠變形方式，變形過程更接近實際的熱成形過程，金屬流動路徑不僅包括沿著模具的水平流動，還有流入模孔的流動過程；
[0025]③有大量的新生表面生成，更接近體積成形的變形特點。
[0026]④采用內模與外模的組合形式，方便內模的更換，降低模具的更換成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027]圖1是改良圓環繳粗的工件形狀示意圖；
[0028]圖2是摩擦測試方法示意圖；
[0029]圖3是定位圈定位工件方式圖；
[0030]圖4是內模示意圖；
[0031]圖5為工件變形前后圖；
[0032]圖6是摩擦標定曲線；
[0033]圖中:1螺釘、2上模座、3上模塊、4工件、5定位圈、6外模、7螺釘、8下模座、9內模、10、11定位銷。
【具體實施方式】
[0034]下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。
實施例1
[0035]本實施例以測定外徑D = 59mm,高度HO = 20mm的低碳鋼圓柱形工件在1000?1200°C范圍的熱成形摩擦因子為例，說明本發明的【具體實施方式】。
[0036]本實施例所用測試裝置包括上模部分和下模部分，其中:上模部分包括:螺釘1、上模座2、上模塊3 ；下模部分包括:內模9、外模6、下模座8、定位圈5、定位銷10、11、螺釘7。
[0037]如圖2所示，所述的上模座2為矩形厚板，上模座2與上模塊3通過螺釘I固定。模具材料采用H13熱模具鋼。
[0038]如圖4所示，所述的內模9是帶有中心孔和吊裝孔的圓柱形模塊；中心孔有一定脫模斜度且有圓角過渡。內模9與外模6組合為下模塊。外模6由螺釘7固定在下模座8上，下模座8通過壓板固定在壓機臺面上。定位圈5由定位銷10、11定位。定位圈5處內側圓弧直徑等于工件加熱后的直徑，定位時定位圈5圓心與內模9中心孔圓心重合。
[0039]所述的內模與外模也可以是一體化結構。
[0040]本實施例包含以下步驟:
[0041]步驟I)裝載模具到壓機上，先將下模部分用螺栓和壓板固定在壓機臺面上，然后將上模部分與下模部分閉合，上模與內模對正，然后利用螺釘和壓板將上模座固定到壓機滑塊上。安裝定位銷、定位圈。預設壓機壓下量和壓下速度。
[0042]步驟2)將外徑D = 59mm,高度HO = 20mm的工件放到加熱爐中加熱，工件均熱即可。
[0043]步驟3)進行潤滑處理，采用現有的潤滑介質與潤滑方式對工件或模具表面進行潤滑。
[0044]步驟4)如圖3所示，將工件從加熱爐中取出，記錄出爐溫度，放于下模上表面中心位置，定位圈處于位置a，緊貼內圍定位銷，工件與定位圈的圓弧處貼合則保證工件位于中心位置。定位完成后將定位圈繞著定位銷轉動90°后離開工件，處于位置b。
[0045]步驟5)開動壓力機，上模壓下完成工件的鐓擠過程，取出工件，淬火。
[0046]步驟6)如圖5和圖6所示，測量工件鐓擠后的圓盤處厚度，和中心凸起的高度，計算壓下率和凸起高度比率。壓下率計算公式:(Htl-H')/Htl，其中Htl為工件初始高度，該數值在工件變形前測量獲得為工件鐓擠變形圓盤位置的厚度，該數值在工件變形后測量獲得。凸起高度比率計算公式=VH0，其中:h表示變形后中心凸起頂端到圓盤下底面的距離，該數值在工件變形后測量獲得。將測得的數據與摩擦標定曲線進行對比，得出本次檢測測得的摩擦因子。
[0047]步驟7)重復以上步驟，取三次檢測得到的摩擦因子的平均值作為摩擦因子的測試結果。
【權利要求】
1.一種熱鍛摩擦因子的鐓擠變形測試方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟I)將由上、下模部分組成的模具固定于壓機上，設定壓機壓下量與壓下速度； 步驟2)對工件進行加熱； 步驟3)對工件和/或模具表面進行潤滑處理； 步驟4)取出工件，并記錄出爐溫度，將其置于下模部分上表面、定位； 步驟5)開動壓力機，使上模部分壓下以實現對工件的鐓擠過程，然后取出圓盤狀的工件并淬火； 步驟6)測量工件鐓擠后的圓盤處厚度和中心凸起的高度，計算壓下率和凸起高度比率并與摩擦標定曲線進行對比，得出摩擦因子； 步驟7)重復以上步驟三次，取三次試驗得到的摩擦因子，計算其算術平均值，作為摩擦因子的測試結果。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征是，所述的上模部分包括:上模座和與其固定連接的上模塊；所述的下模部分包括:由外模和下模座構成的模座、用于放置工件的內模以及設置于內模上的定位圈；上模塊與內模對正。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征是，所述的步驟I)具體為:先將下模部分固定在壓機臺面上，然后將上模部分與下模部分閉合，然后將上模座固定到壓機滑塊上，安裝定位銷并預設壓機壓下量和壓下速度。
4.根據權利要求2或3所述的方法，其特征是，所述的步驟4)具體為:將工件置于內模上表面的中心位置，采用定位圈對工件進行定位，定位完成后移開定位圈。
5.根據權利要求1所述的方法，其特征是，所述的壓下率為(HtTtfVHtl，其中:?為工件初始高度，該數值在工件變形前測量獲得；H’為工件鐓擠變形圓盤位置的厚度，該數值在工件變形后測量獲得； 所述的凸起高度比率為h/U，其中:h表示變形后中心凸起頂端到圓盤下底面的距離，該數值在工件變形后測量獲得。
6.根據權利要求1所述的方法，其特征是，所述的摩擦因子標定曲線的獲得方式是:按照加工成的上模塊和帶有中心孔的內模的名義尺寸建立有限元模型，依次輸入工件的材料數據、待測工件與模具的接觸條件、剪切摩擦因子或摩擦系數、上模壓下速度和壓下量，然后通過模擬工件鐓擠變形過程，并提取鐓擠變形過程后凸起高度隨壓下行程變化的歷史模擬數據，進而計算得到模擬高度比率與模擬壓下率，從而獲得摩擦因子或摩擦系數標定曲線。
【文檔編號】G01N19/02GK104181100SQ201410422698
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月26日 優先權日:2014年8月26日
【發明者】張洋洋, 崔振山, 肖艷紅 申請人:上海交通大學