GH4169合金高溫塑性變形摩擦系數(shù)的測定

文／李治華，趙興東·中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責(zé)任公司曾衛(wèi)東·西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院

GH4169合金高溫塑性變形摩擦系數(shù)的測定

文／李治華，趙興東·中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責(zé)任公司曾衛(wèi)東·西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院

本文利用圓環(huán)鐓粗與有限元相結(jié)合的方法測定了GH4169合金高溫變形時的摩擦系數(shù)。通過有限元模擬方法得到了摩擦系數(shù)的理論校準曲線，并根據(jù)圓環(huán)鐓粗試驗內(nèi)徑與高度變化的關(guān)系，將圓環(huán)鐓粗后的內(nèi)徑和高度的變化百分比與模擬得到的摩擦系數(shù)理論校準曲線進行對比，得出GH4169合金在潤滑和干摩擦條件下的摩擦系數(shù)。

工件與模具之間摩擦的存在會影響零件成形的變形載荷、產(chǎn)品的表面質(zhì)量以及模具的磨損等，在金屬塑性成形過程中摩擦起著十分重要的作用。因此研究金屬塑性成形過程接觸面之間的摩擦系數(shù)對鍛件的質(zhì)量具有重要的意義。塑性成形過程摩擦系數(shù)的測定方法主要有圓環(huán)鐓粗法、錐形壓頭鐓粗法、夾鉗-軋制法等，圓環(huán)鐓粗法是目前國內(nèi)外廣泛用來研究金屬塑性成形過程中潤滑效果的一種簡單可靠的方法，它可以在接近工況的條件下定量地測定摩擦系數(shù)。圓環(huán)鐓粗變形時，坯料與模具之間的摩擦系數(shù)會影響金屬的流動，造成圓環(huán)的內(nèi)徑尺寸變化，將圓環(huán)鐓粗得到的內(nèi)徑變化率與工件和模具之間摩擦系數(shù)的理論校準曲線進行對比，從而確定摩擦系數(shù)。

本文選用航空常用GH4169合金材料為研究對象測定其在高溫變形時的摩擦系數(shù)。利用DEFORM-3D有限元模擬軟件對圓環(huán)的鐓粗變形過程進行模擬，建立不同摩擦系數(shù)的理論校準曲線，同時選用玻璃潤滑和干摩擦條件進行實際圓環(huán)鐓粗試驗，將試驗測量的內(nèi)徑和高度的變化與模擬結(jié)果進行對比，確定GH4169合金在高溫變形時的摩擦系數(shù)。

圓環(huán)鐓粗法測定摩擦系數(shù)的原理

圓環(huán)鐓粗法是把外徑、內(nèi)徑和高度成一定比例的扁平圓環(huán)置于平模間鐓粗（圖1a所示）。鐓粗變形時金屬向外或向內(nèi)流動，根據(jù)接觸面摩擦系數(shù)的不同，圓環(huán)的內(nèi)徑尺寸會呈現(xiàn)出不同的變化。當(dāng)接觸面摩擦系數(shù)等于或接近于零時，圓環(huán)上的每一質(zhì)點均作徑向的向外流動（圖1b所示），變形后內(nèi)外徑都增加；當(dāng)摩擦系數(shù)增加時，金屬質(zhì)點的外流速度下降，與前一種情況比較，在同一壓下速率下，內(nèi)外徑增量均較小；若接觸面摩擦系數(shù)超過某一臨界值時，則圓環(huán)中會出現(xiàn)一個分流面，該面以外金屬向外流動，以內(nèi)金屬向中心流動；變形后圓環(huán)外徑增大，內(nèi)徑縮小（圖1c所示）。理論和實驗研究表明：分流面的半徑值隨摩擦系數(shù)的增大而增大。因此，可根據(jù)分流面位置確定摩擦系數(shù)。雖然分流面的半徑值無法直接測定，但鐓粗后的圓環(huán)內(nèi)徑變化與分流面的位置有關(guān)，所以可用測量內(nèi)徑的減小情況來確定摩擦系數(shù)。

圖1 圓環(huán)鐓粗過程中內(nèi)徑的變化

圓環(huán)鐓粗試驗及有限元模擬

圓環(huán)鐓粗試驗

GH4169合金圓環(huán)鐓粗試驗在1000噸電動螺旋壓力機上進行，利用模具的上下兩個平行平面進行鐓粗。圓環(huán)尺寸比例為20∶10∶7，尺寸分別為：外徑40mm、內(nèi)徑20mm、高14mm。分別使用兩種玻璃潤滑劑和干摩擦條件進行圓環(huán)鐓粗試驗，玻璃潤滑劑涂覆在整個試樣表面，圓環(huán)變形溫度取GH4169合金常用的鍛造溫度1020℃，模具預(yù)熱溫度為100℃～200℃。試驗條件見表1。為了保證試驗的可重復(fù)性和準確性，圓環(huán)鐓粗時每一種條件重復(fù)3個試樣。圓環(huán)鐓粗試驗后用游標(biāo)卡尺測量圓環(huán)的高度、內(nèi)徑和外徑，內(nèi)徑和外徑在每個試樣的赤道面上沿圓周方向每隔45°測量，共測量4個值，高度沿圓周方向在R/2處每隔90°測量，同樣測量4個值，然后取其平均值。每一個條件下圓環(huán)的平均值作為摩擦系數(shù)測定的依據(jù)。

有限元模擬條件

摩擦系數(shù)測定的理論校準曲線采用Deform-3D有限元模擬軟件進行計算。有限元模擬的初始條件如下：圓環(huán)鐓粗溫度1020℃，壓下速度150mm/s，模具預(yù)熱溫度為150℃。工件、模具與空氣的熱對流系數(shù)為0.02N/( s·mm·℃），工件與模具接觸面之間的熱交換系數(shù)為31N/(s·mm·℃），有限元網(wǎng)格數(shù)8萬，工件與模具接觸面之間采用剪切摩擦，摩擦系數(shù)分別取m=0，0.04，0.1，0.2，0.3，0.4，0.45，0.5，0.7，1.0。為了觀察圓環(huán)內(nèi)徑隨摩擦系數(shù)的變化及壓下量增加的變化情況，采用二分之一圓環(huán)進行模擬。

表1 圓環(huán)鐓粗測定摩擦系數(shù)試驗條件

試驗結(jié)果與討論

圓環(huán)鐓粗試驗結(jié)果

GH4169合金圓環(huán)在不同的潤滑和變形條件下鐓粗變形后的宏觀照片見圖2和圖3。從圖中可以看出，在同一潤滑和變形條件下鐓粗的圓環(huán)形狀和尺寸都具有高度的一致性，表明試驗結(jié)果具有可重復(fù)性。無論是干摩擦還是玻璃潤滑條件下，隨變形量增大，外徑都增大，內(nèi)徑都減小，但在不同潤滑條件相同壓下量時，圓環(huán)內(nèi)徑相差較小。

每一個條件下每一個試樣的內(nèi)徑和外徑以及3個試樣的平均值列于表2中，利用高度和內(nèi)徑的測量值，根據(jù)理論校準曲線就可以求出各個條件下的摩擦系數(shù)值。

圖2 不同潤滑和變形條件下圓環(huán)鐓粗后的宏觀照片

圖3 不同潤滑和變形條件下圓環(huán)鐓粗后的宏觀照片

表2 圓環(huán)在不同潤滑和變形條件下鐓粗后尺寸

有限元模擬結(jié)果

⑴圓環(huán)鐓粗過程中金屬的流動。

圖4和圖5分別為圓環(huán)在摩擦系數(shù)為0.04和0.7時鐓粗過程中內(nèi)外徑隨變形量變化的情況。

當(dāng)摩擦系數(shù)小時，由于摩擦阻力小金屬全部向外側(cè)流動，圓環(huán)的內(nèi)外徑均增大，變形量較大時出現(xiàn)了外凸和內(nèi)凸的鼓肚（見圖4）。主要是因為坯料上下端面與溫度較低的模具接觸導(dǎo)致溫度下降，靠近模具的金屬流動性下降，增大了摩擦的效果。當(dāng)摩擦系數(shù)較大時，由于摩擦阻力的存在圓環(huán)截面的內(nèi)外側(cè)均出現(xiàn)了明顯的鼓肚，外徑不斷增大內(nèi)徑逐步縮小，與實際變形吻合（見圖5）。

⑵摩擦系數(shù)理論校準曲線。

利用DEFORM軟件進行不同摩擦系數(shù)下圓環(huán)鐓粗的有限元模擬，選用0～1.0之間的不同摩擦系數(shù)對GH4169合金圓環(huán)鐓粗過程進行模擬，并測量變形量為10%，20%，30%，40%，50%的內(nèi)徑變化率，繪制的GH4169合金高溫變形過程中的各變量之間的關(guān)系圖如圖6所示。

⑶摩擦系數(shù)的確定。

根據(jù)表2中GH4169合金圓環(huán)鐓粗的試驗測量結(jié)果，按照圖6繪制的理論校準曲線，確定的GH4169合金圓環(huán)在不同摩擦和變形量的條件下的摩擦系數(shù)見表3。

從測量的結(jié)果可以看出，GH4169合金在GDS-17及FR-35潤滑條件下，測定的摩擦系數(shù)偏大，可能與高溫下潤滑劑失效有關(guān)。從圖2和圖3中可以看出：隨著壓下量從30%增加至50%，工件與模具的接觸面積增大，摩擦系數(shù)也越來越大，最終導(dǎo)致潤滑效果接近于干摩擦條件。

圖4 摩擦系數(shù)為0.04時不同壓下量圓環(huán)的變形情況

圖5 摩擦系數(shù)為0.7時不同壓下量圓環(huán)的變形情況

圖6 FEM方法建立的圓環(huán)鐓粗測摩擦系數(shù)理論校準曲線

表3 GH4169合金摩擦系數(shù)的確定

結(jié)論

⑴采用圓環(huán)鐓粗試驗和有限元模擬相結(jié)合的方法來測定熱變形過程中的摩擦系數(shù)，可以克服傳統(tǒng)理論解析無法考慮的材料特性、溫度和應(yīng)變速率變化的影響的缺點，是一種有效、可行的方法。

⑵建立了尺寸比例為20∶10∶7的GH4169合金1020℃變形的摩擦系數(shù)測定理論校準曲線，測定其干摩擦條件下的摩擦系數(shù)為0.61，玻璃潤滑條件下的摩擦系數(shù)為0.495。

⑶在高溫條件下變形，隨著壓下量的增大，工件與模具的接觸面積增大，摩擦系數(shù)也越來越大，最終導(dǎo)致潤滑效果接近于干摩擦條件。