摩擦行為在塑性成形中的處理研究*

□ 顧 勇

1.杭州師范大學 錢江學院 杭州 310036

2.上海大學 材料科學與工程學院 上海 200072

1 研究背景

在金屬塑性成形領域，數值模擬技術已經比較成熟，其精度在于正確設置相關的工藝參數。然而，在成形工藝流程中，精度通常會受到材料性能、摩擦參數、成形速度、壓力、溫度等諸多條件的影響。其中，摩擦因數是影響效果較為明顯的一個因素，在一定程度上決定著成形力，并且直接關系到金屬流動情況及能量消耗水平。此外，摩擦因子對材料產品的質量，以及包括成形精度、使用壽命等在內的多種性能指標都有較大的影響。

摩擦行為，簡言之，是指摩擦機理及其控制［1-3］。顯然，根據成形流程中的實際條件，對工件和模具的摩擦行為進行詳細客觀的描述至關重要，因此，對塑性成形過程中各種摩擦行為的處理進行研究十分重要和迫切。

2 摩擦理論模型

在對金屬材料進行成形加工時，通常在模具與工件的表面會產生相對運動，不可避免地存在摩擦。塑性成形過程中的摩擦力非常復雜，受接觸壓力、材料和速度等因素的制約。專家和相關領域的學者都積極致力于這方面的研究工作，以求得到較為明顯的數量關系或可描述的規律。

現階段，摩擦的理論研究已經形成了兩個方向，分別是經典摩擦理論和非經典摩擦理論。在經典摩擦理論的范疇內，有分子、力學和黏著理論三個方面。

在分子理論研究中，認為接觸分子之間的吸引力和排斥力相互作用會產生摩擦，而且接觸面積、壓強與摩擦力成正相關關系。

在力學理論范疇內，當兩個物體發生相對運動時，如果接觸不均勻，就會在一定程度上阻礙兩者的運動，產生阻力，摩擦也隨即出現。

黏著理論認為，如果兩個物體的表面在發生接觸時受到載荷的作用，那么一些承壓較大的接觸點就會發生黏合效應，往往這種黏合效果較為牢固，在實際相對滑動時會產生將上述黏合點剪短的力，該力通常被稱為摩擦力。

一些學者研究了切向滑動摩擦理論，從理論上描述非線性特征和局部特征的摩擦問題。但是，采用這種方法的主要缺點是不能準確獲得初始參數，導致不能被用來進行數值模擬分析。

一些學者深入探討了彈塑性摩擦理論，主要優點是完善了經典摩擦理論的不足，可以很好地使接觸點體現在宏觀微位移滑動前。

以經典摩擦理論與非經典摩擦理論為基礎，相關領域的學者創造了多種摩擦模型，較為常用的摩擦模型有以下幾種［4-5］。

（1）庫侖摩擦模型。表達式為：

式中：fs為摩擦應力；μ為摩擦因數，；σn為接觸面上的正應力。

（2）常摩擦模型。表達式為：

式中：m為摩擦因數，0≤m≤1；k為剪切屈服極限。

（3）反正切摩擦模型。雖然上述兩種摩擦模型具有不少優點，但是還存在一些不足，主要體現在速度分流點的變形問題不能被合理解決，如圓環鐓粗、軋制等。哈佛大學的Chen和Kobayashi提出的反正切摩擦模型，可以處理以上不足，全面提高性能，被廣泛應用在多個行業中，其表達式為：

式中：u0為常數，根據經驗一般可取為模具速度的10－5～10-4；us為工件與模具接觸面之間的相對滑動速度。

（4）非局部摩擦模型。在非局部摩擦模型中，人們能了解到摩擦效應的作用，它可以產生于質點中，主要由工件與模具的接觸表面不光滑所引起。

從非局部摩擦效應層面來看，國內很多專家認為在接觸表面上普遍存在的微凸結構能夠幫助我們將摩擦模型建立在更為準確的細觀尺度上。其中，較為成功的是南昌大學扶名福［6］等根據主應力法相關內容，參照非局部摩擦定律，經過長期研究，設計出部分塑性成形工藝的力平衡方程，這一力平衡方程也包含了非局部潤滑模型［7-8］。

（5）非線性摩擦模型。產生切向力主要是由于在兩個接觸面之間發生的相對滑動不在同一個級別，通過參考經典庫倫摩擦定律的相關內容，學者研究出了非線性摩擦模型，其表達式為［9］：

式中：Ef為與工件和模具接觸表面粗糙度相關的參量；ε為接觸面物理化學特性；Us為接觸面之間的相對滑移；p為壓力。

在金屬塑性成形領域，特別是鍛造領域，常摩擦模型常常應用于數值的模擬分析。在非常摩擦模型方面，業內的研究成果相對較少。庫倫摩擦模型及其修正模型已被廣泛應用于板料的冷成形領域，此外，該領域還較多地使用了非局部摩擦模型。利用上述模型進行計算，所得的結果精度和準確度較高，和實際吻合。

3 改善摩擦條件的途徑

金屬塑性成形工藝是一種成熟的工藝，但是需要通過摩擦的作用來實現。人們在進行軋制和輥鍛的過程中，離不開相對應部件的摩擦作用來實現坯料的咬入。對塑性成形的摩擦問題展開多方面研究，其根本目的是準確控制摩擦，發揮摩擦的功能。但是，在塑性成形過程中，摩擦力弊大于利，弊端具體包括以下幾個方面［10］：① 摩擦作用縮短了模具的使用壽命；② 摩擦作用會進一步提高坯料的變形抗力，使坯料產生裂紋，進而降低產品的性能；③摩擦作用會使變形不均勻。因此，人們通過各種途徑來控制摩擦，以提高零件的生產質量。

3.1 表面潤滑

摩擦力的大小主要取決于兩個因素，一是模具接觸面的狀態，二是工件接觸面的狀態。為了減小摩擦力，需要通過改變這兩個因素的作用來實現。可以利用磷酸鹽來對鋼材料的冷擠壓過程進行處理。此外，對不銹鋼材料的處理，通常選擇草酸鹽作為處理試劑。在處理過程結束后，工件的表面由于上述試劑的作用會形成一層多孔性薄膜。這層薄膜塑性較好，且金屬變形強，主要是灰色片狀結晶組織，摩擦因數一般為0.06～0.10。為了更好地起到潤滑作用，需要在多孔性薄膜內注入一定數量的潤滑劑，如碳鋼用皂化液，它與晶體表面形成鋅皂，鋅皂的潤滑效果十分出色。潤滑劑在工件與模具之間構成非金屬隔離層，潤滑作用就是通過這一隔離層實現的［11-12］。

3.2 包套處理

為了減小材料熱變形時的摩擦力，通常在零件外層包裹一層其它金屬。如進行高溫合金葉片鍛造時，人們在開始工作之前先要進行鍍銅，再用化學方法將表層的銅清除。這樣做的主要作用有：①減小摩擦力；②進一步提高變形均勻性；③能制造出達到標準的均勻晶粒度。可見，包套處理工藝相比減小變形力方法，效果要好得多［13］。

3.3 液體潤滑

在金屬塑性成形領域，使用液體潤滑劑通常基于坯料與模具之間全部或部分不直接接觸，這樣在兩者之間將會一直有一層液體薄膜，從而將摩擦力轉換為液體的流動黏性力，并在一定程度上減少摩擦。這種液體潤滑的做法在擠壓與拉拔工藝中得到了較為廣泛的使用。

液體潤滑分為流體動力潤滑與液體靜力潤滑。流體動力潤滑一般情況下在工件運動速度較快的狀態中完成［14］。流體動力潤滑的主要作用體現在大幅度減小摩擦力，并能有效延長模具壽命。

當液體壓力較高時，為了更好地分離工件與模具，可以通過液體靜力潤滑來實現。圖1所示為靜液擠壓原理。利用高壓液體將毛坯包裹其中，同時外界環境同樣是高壓環境，在這種情況下，工件和工具一直被浸泡在流體潤滑的狀態中，起到潤滑的作用。

▲圖1 靜液擠壓原理

3.4 輔助振動

輔助振動金屬塑性成形工藝是一種先進的技術。拉拔模具會受到超聲振動，無論是振動方向還是拉拔方向都是一致的，所以，在該過程中棒料與模具的接觸面可以得到更為徹底的分離。采用這一工作原理，能幫助潤滑劑進入變形區，從而降低摩擦因數。輔助振動拉拔原理如圖2所示。

▲圖2 輔助振動拉拔原理

實踐證明，振動在許多新成形工藝中都發揮著重要的作用，較為典型的是利用脈沖加載成形的方法來對管材進行內高壓成形處理。在這一過程中，管材逐漸脹形，內部壓力隨著脹形而增大［15］。與此同時，由于較高的內壓力作用，管材和模具的接觸壓強也會不斷增大。由于潤滑劑的進入，使這種接觸壓強得到了一定程度的緩解，保證金屬能夠順利流動，使最終加工出的工件壁厚分布均勻，改善成形效果。

4 摩擦行為在有限元中的處理

在數值建模與求解的過程中，應用最多的是有限元技術［16］。有限元技術在工程數值計算領域有著卓越的地位，尤其以塑性成形最為常見。目前，科研人員投入了大量精力，對接觸摩擦過程中的有限元數值模擬技術進行研究，研究熱度最高的是接觸表面滑動約束以及接觸應力、應變等方面，同時圍繞有限元模型加以研究。

為了分析熱鍛工藝下的傳熱和摩擦耦合行為，Burte［17］建立了一種嶄新的校準曲線，這一曲線能夠準確校準并反映傳熱系數與剪切摩擦因數之間的相互關系。Behrens等［18］利用有限元法的相關思想和手段，得到了接觸面的真實接觸狀態及相關的摩擦因數，并對整個求解過程進行歸納總結，形成了一個含有局部摩擦因數的有限元計算模型。Behrens等同時［19］設想并嘗試將模具與工件接觸面的滑移速度場設置為影響因子，并引入上述有限元模型進行計算，從而求得摩擦因數。

Coppieters等［20］采用多種先進的方法，求解模具和堆疊圓形標本的摩擦因數。Joun等［21］為了更好地研究庫倫摩擦模型與常剪切摩擦模型，采用了剛塑性有限元模型來深入探討兩者的差異性。

路平等［22］基于剛、黏塑性流動理論范疇內的相關原理與思想，進一步歸納設計，形成了一套針對剛、黏塑性無網絡的伽遼金分析程序，并隨機針對典型圓環件的鐓粗過程進行較為具體和準確的數值模擬，從而將摩擦因數對工件的影響作用，如等效應變和金屬流動規律等定性定量地描述出來，同時還闡述了鼓形和分流面出現的原因。根據無網格再生核質點法的相關內容，肖宏等［23］分析了在摩擦因數影響下的圓柱鐓粗過程，準確地解讀了鼓肚與接觸表面上各種參數的定量關系。朱艷春等［24］利用有限元法的思想，較為具體且全面地對圓環鐓粗試驗進行分析，并且針對高溫下的Ti-6Al-4V鈦合金，深入探討其摩擦行為，獲得所需要的摩擦因數。根據精鍛過程三維熱力耦合有限元模型，汪宇等［25］進行了多種不同的物理模擬試驗，得到不同摩擦因數對TC4葉片溫度分布、最大載荷等的影響。李鵬等［26］借助圓環鐓粗試驗，分別在磷皂化潤滑與無潤滑條件下，探討模具與工件的表面粗糙度對冷鍛摩擦的影響規律。趙祥等［27］分析了摩擦效應對高純鎂等通道微擠壓變形過程的影響。鮮小紅［28］以Dynaform模擬軟件為平臺，研究了凹模與坯料間，以及凸模與坯料間摩擦因數對沖壓拉深過程中零件壁厚分布的影響。馮蘇樂等［29］利用液壓復合成形技術，對數控銑削加工三通件進行工藝改進，針對充液拉深和內高壓脹形階段建立了力學模型，分析摩擦因數對零件成形的影響。潘小浪等［30］在對微楔橫軋的理論研究過程中，通過分析摩擦因數等參數的影響，得到成形質量比較好的零件。

5 未來展望

多年來，通過研究摩擦阻力對金屬成形參數的影響，得出了較為全面和系統的分析結果。21世紀以來，科學技術獲得了前所未有的發展，人們積極運用數值模擬技術，獲得了不錯的效果。

改善摩擦條件與模擬試驗這兩大技術的綜合應用，可以合理地研究典型成形工藝和潤滑材料，進而設計出一種科學的關系模型，有助于對不同工況下金屬塑性成形過程中的摩擦阻力進行分析。兩大技術的綜合應用，是特種金屬在不同工況條件下獲得塑性成形技術突破的根本途徑。

此外，人工智能專家系統將逐漸進入工業生產的各個領域和環節。在這一領域，兩大技術的綜合應用將成為人工智能專家系統發揮作用的主要方向。