CN104458568A - 一种塑性微成形的摩擦因子测量方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种塑性微成形的摩擦因子测量方法。解决了对微小尺寸的试样测量摩擦因子会产生巨大误差的技术问题。本发明的技术方案通过将一定尺寸的圆柱试样放在中心带模孔的模具上进行压缩，根据摩擦因子的不同，试样产生不同程度的变形。如果摩擦因子小，试样向两边流动的多，向孔内流动的少，成形出的杆件尺寸短；如果摩擦因子大，试样向两边流动的少，向孔内流动的多，成形出的杆件尺寸长。测量杆件的长度，与校正摩擦因子曲线进行比较，即可确定出此种情况下的摩擦因子大小。由于该方法是测量挤出杆长度来确定摩擦因子的，因此该方法对于微小尺寸试样的摩擦因子测量所产生的误差很小。

Description

一种塑性微成形的摩擦因子测量方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种塑性微成形的摩擦因子测量方法。具体地说是一种测试微型塑性体摩擦因子的方法，属于精密成形微摩擦领域。

背景技术

在塑性成形过程中，坯料和模具之间的摩擦是影响金属成形过程的最重要因素之一，关系到成形极限、模具寿命、表面质量等。现有塑性成形摩擦因子的确定主要通过圆环压缩来实现。圆环压缩实验如图5、6所示，将一定尺寸的圆环（视图中的虚线部分）放在材料实验机上进行压缩，根据摩擦因子的不同，试样产生不同程度的变形。如果摩擦因子小，则压缩后圆环（视图中的实线部分）内孔内径增加，如图5所示；如果摩擦因子大，如则压缩后圆孔内径减小，如图6所示。测量圆孔内径的变化量，将该测量值与图7所示的理论校正摩擦因子曲线进行对照，即可确定出此种情况下的摩擦因子大小。

德国A.Messner等人利用圆环压缩实验研究了试样外径尺寸分别为8mm、4mm、2mm 和1mm 的圆环镦粗过程的微摩擦现象，结果显示随着试样尺寸减小，摩擦系数增大(A.Messner，U.Engel，R.Kals，F.Vollertsen.Size effect in the FE-simulation of micro-forming process.Journal of Materials Processing Technology.1994，45(1-4) ：371-376)。尽管圆柱/ 圆环压缩实验法简单易操作，但是由于变形路径简单，相对新表面膨胀率低，仅能达到20％，在微成形摩擦测试方面准确度难以保证。

根据传统的塑性成形理论，摩擦因子是一定的，与试样尺寸无关，该理论对于大尺度的式样是适用的。而上文的研究结果证明了在塑性微成形条件下，随着试样尺寸减小，摩擦的尺度效应越趋明显，摩擦因子会产生显著变化。因此，为了准确得到微成形条件下的摩擦因子，对每种特定条件均需进行测定。但是在目前，对微成形条件下摩擦因子的确定，仍以圆环压缩为主，显然，对于尺寸微小的试样，对其微小圆环内径的测定误差大，严重影响摩擦因子的准确性。

发明内容

为此，本发明为了解决传统摩擦因子测量方法对微小尺寸试样测量存在非常大的误差、塑性微成形摩擦系数测量通常采用的圆环压缩实验方法在圆环内径尺寸测量上的不足，提出一种塑性微成形的摩擦因子测量方法及其装置。

为解决上述技术问题，本发明通过如下方式实现：

一种测量塑性微成形的摩擦因子的装置，包括由上而下依次设置的压头、圆柱状的试样、模具和固定环，所述压头可上下运动；所述模具被限位放置在所述固定环上，所述模具的中心处设置有竖向贯穿所述模具的圆柱形模孔；所述模孔直径小于所述试样的直径，所述模孔的上开口处设置有倒角。

所述装置还包括定位环，所述定位环呈倒置的杯状，所述定位环套扣在模具上，所述定位环的中央设置有与试样直径相一致的定位孔。

所述试样的高径比为0.5-1，所述模孔的直径为0.3-0.5倍试样的直径，所述倒角尺寸为0.1-0.2倍试样直径。

所述模具由两块分瓣模具贴合组成，所述定位环由两块分瓣定位环贴合组成。

一种塑性微成形的摩擦因子测量方法，通过镦挤的方式来测定摩擦因子，包括：

a、把待测试的材料制作成符合尺寸要求的试样，把试样放置在模具上，用定位环把试样限位在模孔口处，启动压头下行直到把试样压紧后停止，取走定位环，启动压头继续往下挤压，直至达到设定行程后压头停止；

b、取出被挤压变形后的试样，测量试样底部成型出的杆件长度， 用测量出的杆件长度与校正摩擦因子曲线进行比较，即可确定此种情形下的摩擦因子大小。

校正摩擦因子曲线的获得方法，包括：

a、把与试样相同材料制造的测试用圆柱体在材料试验机上进行单向镦压，获得该材料的材料参数；

b、在Deform软件中建立与塑性微成形的摩擦因子测量方法中所用装置相同的几何模型，把获得的材料参数导入几何模型中的试样模型中，对镦挤成型过程进行模拟，测量不同变形量条件下挤出杆件的长度，获得校正摩擦因子曲线。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点，本方案提出了一种通过镦挤来测量塑性微成形摩擦因子的新方法，具体是将一定尺寸的圆柱试样放在中心带模孔的模具上进行压缩，根据摩擦因子的不同，试样产生不同程度的变形。如果摩擦因子小，试样向两边流动的多，向孔内流动的少，成形出的杆件尺寸短；如果摩擦因子大，试样向两边流动的少，向孔内流动的多，成形出的杆件尺寸长。测量杆件的长度，与校正摩擦因子曲线进行比较，即可确定出此种情况下的摩擦因子大小。由于该方法是通过测量镦挤实验挤出杆长度即可确定摩擦因子。该方法实验装置简单，精度高。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1  是本发明一个实施例的一种测量塑性微成形的摩擦因子的装置的结构示意图；

图2  是本发明一个实施例的一种塑性微成形的摩擦因子测量方法的镦挤后的试样的结构示意图；

图3  是本发明一个实施例的一种塑性微成形的摩擦因子测量方法的Deform几何模型的示意图；

图4  是本发明一个实施例的一种塑性微成形的摩擦因子测量方法的校正摩擦因子曲线图；

图5-7是背景技术附图。

图中附图标记表示为：1-压头；2-试样；3-定位环；4-模具；41-模孔；42-倒角；5-固定环；6-杆件。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本实施例的塑性微成形的摩擦因子测量方法所用的测量装置是由压头1、试样2、定位环3、模具4、固定环5等部分组成，它们的组合顺序是由上而下依次设置压头1、试样2、定位环3、模具4和固定环5。压头1可上下运动。

模具4和定位环3都是采用分瓣设计，模具4由两块分瓣模具贴合组成，定位环3由两块分瓣定位环贴合组成。分瓣设计的模具4是为了便于取出零件，而分瓣设计的定位环3是为了在压头压紧试样后便于把定位环3取出。

试样2呈圆柱状，两瓣贴合后的定位环3呈倒置的杯状，定位环3套扣在模具4上，定位环3的中央设置有与试样2直径相一致的定位孔31，试样2被限位在定位孔31内。

把两块分瓣的模具4贴合后限位固定在固定环5中，模具4的中心处设置有竖向贯穿模具4的圆柱形模孔41，模孔41直径小于试样2的直径，模孔41的上开口处设置有倒角42。

测量装置的尺寸要求包括：试样2的高径比为0.5-1，模孔41的直径为0.3-0.5倍试样2的直径，倒角42尺寸为0.1-0.2倍试样直径。

塑性微成形的摩擦因子测量方法需要用到上述测量装置，测量装置的基础是材料试验机，测量流程如下：将两块分瓣模具4贴合后放入固定环5中，将试样2平稳放在模孔41中心，并将定位环3从两侧把试样2夹紧，使试样2固定在中间的位置。将模具4与试样2一同放置于材料试验机上，启动试验机，完成联机操作后，将实验机的测力传感器清零，控制试验机压头1，使其缓慢接近试样2，待最后测力传感器开始有微小读数时停机。取出定位环3，启动实验机，压头1下行，直至达到设定行程后停止。待程序结束后取出压缩变形后的试样2，如图2中实的线图形所示（图2中虚线图形为镦挤前的试样2），测量镦挤后试样2的杆件6尺寸，与图4进行比较，得到该条件下的摩擦因子。而测量的杆件6的尺寸应该是杆件6的底部到试样2底部的距离。

校正摩擦因子曲线的获得：

Deform软件是专用金属塑性成形有限元模拟软件,在2D/3D金属成形和热处理工艺的有限元分析方面得到了广泛应用。利用Deform软件对镦挤过程进行模拟，获得校正摩擦因子曲线。由于试样和边界条件均是轴对称的，所以选择一个截面进行模拟，建立的几何模型如图3所示。

利用郭斌等人发表的《Flow stress and tribology size effects in scaled down cylinder compression》（GUO Bin(郭斌), GONG Feng(龚峰), WANG Chun-ju(王春举), SHAN De-bin(单德彬). Trans.Nonferrous Met.Soc.China 19(2009)s516-s520）论文中记载的方法，把与试样2相同材料制造的测试用圆柱体在材料试验机上进行单向镦压，获得该材料的材料参数：真实应力-应变曲线。将该材料参数导入Deform软件几何模型中的试样2模型中，选择不同的摩擦因子，对镦挤成型过程进行模拟，测量不同变形量条件下挤出杆件的长度，获得校正摩擦因子曲线。如图4所示。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种测量塑性微成形的摩擦因子的装置，其特征在于，所述装置包括由上而下依次设置的压头（1）、圆柱状的试样（2）、模具（4）和固定环（5），所述压头（1）可上下移动；所述模具（4）被限位放置在所述固定环（5）上，所述模具（4）的中心处设置有竖向贯穿所述模具（4）的圆柱形模孔（41）；所述模孔（41）直径小于所述试样（2）的直径，所述模孔（41）的上开口处设置有倒角（42）。

2.根据权利要求1所述的测量塑性微成形的摩擦因子的装置，其特征在于，所述装置还包括定位环（3），所述定位环（3）呈倒置的杯状，所述定位环（3）套扣在模具（4）上，所述定位环（3）的中央设置有与试样（2）直径相一致的定位孔（31）。

3.根据权利要求1所述的测量塑性微成形的摩擦因子的装置，其特征在于所述试样（2）的高径比为0.5-1，所述模孔（41）的直径为0.3-0.5倍试样（2）的直径，所述倒角（42）尺寸为0.1-0.2倍试样直径。

4.根据权利要求1或2所述的测量塑性微成形的摩擦因子的装置，其特征在于，所述模具（3）由两块分瓣模具贴合组成，所述定位环（3）由两块分瓣定位环贴合组成。

5.一种塑性微成形的摩擦因子测量方法，其特征在于，通过镦挤的方式来测定摩擦因子，包括：

a、把待测试的材料制作成符合尺寸要求的试样（2），把试样（2）放置在模具（4）上，用定位环（3）把试样（2）限位在模孔（41）口处，启动压头（1）下行直到把试样（2）压紧后停止，取走定位环（3），启动压头（1）继续往下挤压，直至达到设定行程后压头（1）停止；

b、取出被挤压变形后的试样（2），测量试样（2）底部成型出的杆件（6）长度， 用测量出的杆件（6）长度与校正摩擦因子曲线进行比较，即可确定此种情形下的摩擦因子大小。

6.根据权利要求5所述的塑性微成形的摩擦因子测量方法，其特征在于，所述校正摩擦因子曲线的获得方法，包括：

a、把与试样（2）相同材料制造的测试用圆柱体在材料试验机上进行单向镦压，获得该材料的材料参数；

b、在Deform软件中建立与塑性微成形的摩擦因子测量方法中所用装置相同的几何模型，把获得的材料参数导入几何模型中的试样（2）模型中，对镦挤成型过程进行模拟，测量不同变形量条件下挤出杆件的长度，获得校正摩擦因子曲线。