金屬塑性成形中界面摩擦與控制方法研究

李東輝 廣東省特種設備檢測研究院順德檢測院

1 前言

塑性成形是通過工模具將外力施加到不銹鋼、鋁合金、鈦合金等金屬材料工件上，利用金屬的塑性特性將工件加工到滿足工模具預設的尺寸與形狀的加工工藝。金屬塑性成型過程中切削較少甚至是無切削，減少了材料的浪費和加工成形時間，大大提高了材料的利用率和生產加工效率，又被稱為凈成型方法。塑性成形工藝的諸多優勢使得其在高鐵、航空航天、化工機械等領域得到廣泛應用。在金屬塑性成形工藝過程中，被加工的金屬工件與模具之間存在著相對運動，或者是工件在模具內存在著塑性流動，都使得金屬工件表面與模具之間產生摩擦[1]。該摩擦是一種復雜的物理過程，直接影響被加工金屬在模具內的流動與變形均勻性，影響著工件的內部結構和表面質量。為了有效提升金屬塑性成形工藝中產品質量與效率，有必要對金屬塑性成形工藝過程中界面的摩擦與控制進行研究，分析金屬塑性成形過程中界面摩擦的計算與測量方法，并提出對摩擦控制的相關措施。

2 金屬塑性成形中界面摩擦特性

2.1 界面摩擦的特點

（1）高壓摩擦。金屬塑性成形采用的方式各不相同，如沖壓成形、旋壓成形、鍛壓成形、擠壓成形、鍛造成形等，不同的成形方式，工件與模具之間產生的壓力也不相同，但塑性成形在界面產生的壓力要顯著高于一般的機械摩擦[2]。

（2）高溫摩擦。金屬塑性成形是一個動態的過程，金屬工件始終處于變化和運動的狀態，在該過程中一部分塑性成形功會轉化為熱量，使得界面上的溫度增加。界面處的高溫使得原本采取的防護措施效果降低，甚至失效。

（3）產生新生金屬。在塑性成形界面高溫、高壓等特殊條件下，界面處會產生新生金屬，會增加工件與模具之間的接觸面積，增加接觸表面的粗糙度，使得界面的摩擦進一步增大。

2.2 界面摩擦的危害

（1）模具與工件界面潤滑不當時，容易出現被加工工件尺寸大小、表面質量不能滿足預期要求，工件塑性變形不足等問題。

（2）有限元方法是對塑性成形過程進行模擬分析的主要方法，若在有限元分析時對界面處的摩擦邊界條件設置不合理，會使得模擬分析結果不準確，與實際工藝過程之間存在較大差異，降低了有限元分析方法在金屬塑性成形中的應用價值。

（3）在塑性成形工藝過程中，模具是被重復使用的工具。若對模具與被加工工件之間的摩擦控制不當，使得模具表面受到損傷，將會降低產品的加工質量，同時降低模具的使用壽命，增加生產成本。

3 金屬塑性成形過程界面摩擦的計算方法

3.1 剪切摩擦模型

在剪切摩擦模型中，摩擦力不隨正壓力變化，摩擦力與剪切屈服應力之間滿足正比例關系，即：

式中：

τ——為摩擦力；

k——被加工工件材料的剪切屈服應力；

當比例系數n為0時，摩擦力為0，表示界面無摩擦的理想狀態；比例系數n為1時，摩擦力達到最大值，等于材料的剪切屈服應力，也就是粘著摩擦狀態。剪切摩擦模型較為簡單，使用方便，因此在工程中得到了廣泛應用。

3.2 Orowan摩擦模型

Orowan提出了計算摩擦力的新模型[3]。當施加在模具與被加工工件之間的載荷較小時，界面處的剪切應力隨正應力的增加呈正比例增加，當界面處的載荷達到臨界值之后，模具與工件界面處出現粘結，此時就相當于剪切摩擦模型式（1）中比例系數n等于1，即剪切應力不隨施加載荷增加而增加，始終等于被加工工件材料的剪切屈服應力。

3.3 反正切修正模型

在塑性成形工藝過程中，由于被加工工件變形方向、變形速度的瞬時變化特性，使得界面處的相對滑移方向發生變化，在中心點位置通常會出現摩擦應力的階躍不連續問題。Chen等[4]提出在經典摩擦模型中引入相對滑移速度，并采用光順函數-反正切函數來進行修正。反正切修正模型對經典摩擦模型中中心點位置摩擦應力的不連續現象進行了修正，使得摩擦應力可以在模具與被加工工件的所有界面邊界處保持連續，因此該模型在商業化仿真軟件中得到廣泛應用。

3.4 摩擦系數的測量方法

通過以上模型計算摩擦力是常用的摩擦力評估方法，隨著科學技術的發展，也出現了一些摩擦力的測量方法，可以更加直接的測出塑性成型過程中模具與被加工工件界面處的摩擦系數。

3.4.1 圓環鐓粗法

圓環鐓粗法是根據平砧間圓環件的變形情況來推算接觸面上摩擦系數的方法。該方法應用過程中，首先使用圓環鐓粗試驗進行試驗測試，并利用線圖法對試驗數據進行處理以得到圓環壓縮量和內徑變化數值，最后將這兩個數值在標定曲線圖上進行描繪，從而得出摩擦系數。

3.4.2 傳感器直接測量法

傳感器直接測量法是指在模具內表面安裝傳感器，在塑性變形過程中，通過傳感器直接測量出模具與被加工工件之間的壓力和摩擦力，并應用該壓力和摩擦力計算出摩擦系數。該方法是塑性成形過程摩擦系數測量最簡單、最有效的方法，但由于塑性成形工藝過程的高溫度、高壓力以及模具工件高硬度等條件對傳感器的強度、可靠性等提出了很高的要求。

4 塑性成形中界面摩擦的控制方法

4.1 表面潤滑

工程中可利用磷酸鹽對需要進行冷擠壓工藝的鋼材進行預處理，利用草酸鹽對不銹鋼材料進行預處理。經過磷酸鹽或草酸鹽預處理的工件表面會形成一層塑性很強的多孔性的薄膜。為了進一步提升潤滑作用，還需要在多孔薄膜內注入適量的潤滑劑，如皂化液等。含有潤滑劑的多孔性薄膜在模具與被加工工件之間形成了一層致密的非金屬隔離層，通過該隔離層的潤滑作用可有效降低塑性成形過程模具與被加工工件間的摩擦力。

4.2 包套處理

在被加工金屬工件的外表面包裹一層其他金屬，以減小塑性成形過程中模具與被加工工件之間的由于熱變形產生的摩擦力的方法，即包套處理方法。比如，在對合金葉進行高溫鍛造之前，在合金葉工件的表面鍍上一層銅，當塑性成形工藝結束后，再用化學試劑將合金葉表面的銅清除。包套處理的摩擦力控制方法在減小界面摩擦力的同時，提高了變形的均勻性，使得被加工工件的晶粒度更均勻，工件的加工質量更高。

4.3 液體潤滑

金屬塑性成形工藝過程中，通過使用液體潤滑劑使被加工工件與模具之間形成一層液體隔離膜，從而使被加工工件與模具全部或部分不直接接觸，將兩個界面之間的摩擦力轉化為液體的流動黏性力，以實現降低摩擦力的作用。根據被加工工件的運動速度快慢，又可以將液體潤滑分為流體動力潤滑和液體靜力潤滑。由于液體潤滑方法在模具與被加工工件之間形成了一層隔離膜，減少了模具與被加工工件的直接接觸，有效的減小了摩擦力，也降低了模具的磨損速率，在金屬擠壓、拉拔等變形工藝中應用較為廣泛。

5 結論

金屬塑性成形工藝過程摩擦力的計算模型、測試方法以及減小摩擦力的控制措施的研究較多，也取得了很多的成果，但是塑性成形中摩擦的影響因素較多，模具與被加工工件的表面粗糙度、潤滑介質的種類與性質、被加工工件的尺寸以及工藝過程的溫度、壓力條件等均會影響摩擦力，從而影響被加工工件的質量與效率。因此，需要對塑性成形工藝過程的摩擦機理進行更深入的研究，以構建更精確的摩擦力計算模型和測試方法，提出更有效的摩擦力控制方法。