金属塑性成形中界面摩擦与控制方法研究

李东辉 广东省特种设备检测研究院顺德检测院

1 前言

塑性成形是通过工模具将外力施加到不锈钢、铝合金、钛合金等金属材料工件上，利用金属的塑性特性将工件加工到满足工模具预设的尺寸与形状的加工工艺。金属塑性成型过程中切削较少甚至是无切削，减少了材料的浪费和加工成形时间，大大提高了材料的利用率和生产加工效率，又被称为净成型方法。塑性成形工艺的诸多优势使得其在高铁、航空航天、化工机械等领域得到广泛应用。在金属塑性成形工艺过程中，被加工的金属工件与模具之间存在着相对运动，或者是工件在模具内存在着塑性流动，都使得金属工件表面与模具之间产生摩擦[1]。该摩擦是一种复杂的物理过程，直接影响被加工金属在模具内的流动与变形均匀性，影响着工件的内部结构和表面质量。为了有效提升金属塑性成形工艺中产品质量与效率，有必要对金属塑性成形工艺过程中界面的摩擦与控制进行研究，分析金属塑性成形过程中界面摩擦的计算与测量方法，并提出对摩擦控制的相关措施。

2 金属塑性成形中界面摩擦特性

2.1 界面摩擦的特点

（1）高压摩擦。金属塑性成形采用的方式各不相同，如冲压成形、旋压成形、锻压成形、挤压成形、锻造成形等，不同的成形方式，工件与模具之间产生的压力也不相同，但塑性成形在界面产生的压力要显著高于一般的机械摩擦[2]。

（2）高温摩擦。金属塑性成形是一个动态的过程，金属工件始终处于变化和运动的状态，在该过程中一部分塑性成形功会转化为热量，使得界面上的温度增加。界面处的高温使得原本采取的防护措施效果降低，甚至失效。

（3）产生新生金属。在塑性成形界面高温、高压等特殊条件下，界面处会产生新生金属，会增加工件与模具之间的接触面积，增加接触表面的粗糙度，使得界面的摩擦进一步增大。

2.2 界面摩擦的危害

（1）模具与工件界面润滑不当时，容易出现被加工工件尺寸大小、表面质量不能满足预期要求，工件塑性变形不足等问题。

（2）有限元方法是对塑性成形过程进行模拟分析的主要方法，若在有限元分析时对界面处的摩擦边界条件设置不合理，会使得模拟分析结果不准确，与实际工艺过程之间存在较大差异，降低了有限元分析方法在金属塑性成形中的应用价值。

（3）在塑性成形工艺过程中，模具是被重复使用的工具。若对模具与被加工工件之间的摩擦控制不当，使得模具表面受到损伤，将会降低产品的加工质量，同时降低模具的使用寿命，增加生产成本。

3 金属塑性成形过程界面摩擦的计算方法

3.1 剪切摩擦模型

在剪切摩擦模型中，摩擦力不随正压力变化，摩擦力与剪切屈服应力之间满足正比例关系，即：

式中：

τ——为摩擦力；

k——被加工工件材料的剪切屈服应力；

当比例系数n为0时，摩擦力为0，表示界面无摩擦的理想状态；比例系数n为1时，摩擦力达到最大值，等于材料的剪切屈服应力，也就是粘着摩擦状态。剪切摩擦模型较为简单，使用方便，因此在工程中得到了广泛应用。

3.2 Orowan摩擦模型

Orowan提出了计算摩擦力的新模型[3]。当施加在模具与被加工工件之间的载荷较小时，界面处的剪切应力随正应力的增加呈正比例增加，当界面处的载荷达到临界值之后，模具与工件界面处出现粘结，此时就相当于剪切摩擦模型式（1）中比例系数n等于1，即剪切应力不随施加载荷增加而增加，始终等于被加工工件材料的剪切屈服应力。

3.3 反正切修正模型

在塑性成形工艺过程中，由于被加工工件变形方向、变形速度的瞬时变化特性，使得界面处的相对滑移方向发生变化，在中心点位置通常会出现摩擦应力的阶跃不连续问题。Chen等[4]提出在经典摩擦模型中引入相对滑移速度，并采用光顺函数-反正切函数来进行修正。反正切修正模型对经典摩擦模型中中心点位置摩擦应力的不连续现象进行了修正，使得摩擦应力可以在模具与被加工工件的所有界面边界处保持连续，因此该模型在商业化仿真软件中得到广泛应用。

3.4 摩擦系数的测量方法

通过以上模型计算摩擦力是常用的摩擦力评估方法，随着科学技术的发展，也出现了一些摩擦力的测量方法，可以更加直接的测出塑性成型过程中模具与被加工工件界面处的摩擦系数。

3.4.1 圆环镦粗法

圆环镦粗法是根据平砧间圆环件的变形情况来推算接触面上摩擦系数的方法。该方法应用过程中，首先使用圆环镦粗试验进行试验测试，并利用线图法对试验数据进行处理以得到圆环压缩量和内径变化数值，最后将这两个数值在标定曲线图上进行描绘，从而得出摩擦系数。

3.4.2 传感器直接测量法

传感器直接测量法是指在模具内表面安装传感器，在塑性变形过程中，通过传感器直接测量出模具与被加工工件之间的压力和摩擦力，并应用该压力和摩擦力计算出摩擦系数。该方法是塑性成形过程摩擦系数测量最简单、最有效的方法，但由于塑性成形工艺过程的高温度、高压力以及模具工件高硬度等条件对传感器的强度、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 表面润滑

工程中可利用磷酸盐对需要进行冷挤压工艺的钢材进行预处理，利用草酸盐对不锈钢材料进行预处理。经过磷酸盐或草酸盐预处理的工件表面会形成一层塑性很强的多孔性的薄膜。为了进一步提升润滑作用，还需要在多孔薄膜内注入适量的润滑剂，如皂化液等。含有润滑剂的多孔性薄膜在模具与被加工工件之间形成了一层致密的非金属隔离层，通过该隔离层的润滑作用可有效降低塑性成形过程模具与被加工工件间的摩擦力。

4.2 包套处理

在被加工金属工件的外表面包裹一层其他金属，以减小塑性成形过程中模具与被加工工件之间的由于热变形产生的摩擦力的方法，即包套处理方法。比如，在对合金叶进行高温锻造之前，在合金叶工件的表面镀上一层铜，当塑性成形工艺结束后，再用化学试剂将合金叶表面的铜清除。包套处理的摩擦力控制方法在减小界面摩擦力的同时，提高了变形的均匀性，使得被加工工件的晶粒度更均匀，工件的加工质量更高。

4.3 液体润滑

金属塑性成形工艺过程中，通过使用液体润滑剂使被加工工件与模具之间形成一层液体隔离膜，从而使被加工工件与模具全部或部分不直接接触，将两个界面之间的摩擦力转化为液体的流动黏性力，以实现降低摩擦力的作用。根据被加工工件的运动速度快慢，又可以将液体润滑分为流体动力润滑和液体静力润滑。由于液体润滑方法在模具与被加工工件之间形成了一层隔离膜，减少了模具与被加工工件的直接接触，有效的减小了摩擦力，也降低了模具的磨损速率，在金属挤压、拉拔等变形工艺中应用较为广泛。

5 结论

金属塑性成形工艺过程摩擦力的计算模型、测试方法以及减小摩擦力的控制措施的研究较多，也取得了很多的成果，但是塑性成形中摩擦的影响因素较多，模具与被加工工件的表面粗糙度、润滑介质的种类与性质、被加工工件的尺寸以及工艺过程的温度、压力条件等均会影响摩擦力，从而影响被加工工件的质量与效率。因此，需要对塑性成形工艺过程的摩擦机理进行更深入的研究，以构建更精确的摩擦力计算模型和测试方法，提出更有效的摩擦力控制方法。