[发明专利]一种塑性成形摩擦特性测算方法

说明书

技术领域 本发明涉及摩擦学研究领域。

背景技术 摩擦是金属塑性加工过程中普遍存在的一种非常复杂的物理现象，对于成形过程与质量都有着极为重要的影响，有时甚至关乎到成形工艺的成败。与通常机械传动中的摩擦相比，塑性成形摩擦具有接触压力大、成形温度高的特点，这使得许多成形过程无法采取有效的润滑措施。同时成形过程中，新的接触表面的不断出现会随时改变工件与工具间的摩擦状态，并伴随有变形金属的加工硬化，这些都使得塑性成形摩擦比机械传动摩擦要复杂得多。塑性成形过程中摩擦的影响因素很多，它与金属材料的种类(化学成分)、接触表面状态、接触面上的单位压力、变形温度、变形速度都有很大关系，这种影响因素的多样性使得塑性成形摩擦的研究难度大大增加。

在对塑性成形过程进行理论析分及数值计算时，摩擦是重要的影响因素和边界条件，对于模拟结果的准确性至关重要。为了获得理想的分析计算结果，需要提供精确的摩擦力计算模型。

目前用于塑性加工摩擦力计算的有库伦摩擦模型、常摩擦切应力模型、基于粘附理论的摩擦模型、基于相对滑动速度的摩擦模型、考虑表面粗糙度的摩擦模型。国际上流行的大型商业化有限元软件通常采用库伦摩擦模型、常摩擦切应力模型及引入相对滑动速度的摩擦模型。在上述摩擦力计算模型中，除了库伦摩擦模型和常摩擦切应力模型以外，其余的摩擦模型都具有非线性性质。这些模型在使用时，必须确定其中常数的大小和非线性函数的类型，鉴于塑性成形摩擦的复杂性及影响因素的多样性，目前塑性成形摩擦学领域从理论上无法做到这一点。所以，模拟计算时只能根据经验或在软件使用说明的推荐值范围内选取，这种选取带有较大的随意性和盲目性。为了满足实际工程计算的需求，许多研究工作者对塑性成形摩擦特性从实验的角度进行了大量的探索，但并没有实质性的突破。其共同的不足之处在于：这些研究成果仅局限于摩擦系数的测定测试方法，其结果也只适用于满足库伦摩擦模型的场合，而且测定的摩擦系数也只不过是整个接触面上的平均值，不能反映摩擦系数随表面接触压力不同而变化的客观实际，因而不能真正揭示塑性成形过程中摩擦应力的分布规律。对于其它摩擦类型，更是缺少实验基础，故实际应用极少。

发明内容 本发明的目的是提供一种可以避开塑性加工摩擦的诸多影响因素、直接得出各种成形条件下的摩擦切应力分布规律、为塑性成形理论分析及数值模拟提供更切合实际的边界条件从而使理论分析和数值模拟的结果对塑性成形生产领域更具有指导作用的一种塑性成形摩擦特性测算方法。

本发明的测算方法按以下步骤实现。

(1)试件准备

制备一种矩形截面或者圆截面柱体试件，在与工具接触的试件表面上蚀刻形状规则的网格，网格上线条的交叉点称为网格的“结点”；

(2)实验

将准备好的试件在两块平行平板之间进行镦粗使之产生一定的塑性变形，铅垂方向为加载方向；

(3)结果测试

采用网格分析仪精确测试不同压下量条件下，试件变形后接触端面上各结点的位移值；

(4)建立数值分析模型

建立与试件相符的弹塑性或者刚塑性有限元数值分析模型，

弹塑性有限元分析模型{K^ep}{Δu}＝{ΔF}

式中{K^ep}——计算模型的弹塑性刚度矩阵，

{Δu}——计算模型的结点位移增量向量，

{ΔF}——计算模型的结点力增量向量，

刚塑性有限元分析模型

式中{K^RP}——计算模型的弹塑性刚度矩阵，

——计算模型的结点速度向量，

{F}——计算模型的结点力向量，

该模型离散化后端面上的“节点”位置与试件端面上网格“结点”相一致；

(5)数值计算