基于有限元與環(huán)壓試驗(yàn)的高分子潤滑劑摩擦行為研究

0 引言

社會發(fā)展不僅需要金屬成形工藝的創(chuàng)新，還需要與環(huán)境協(xié)調(diào)的創(chuàng)新。在模具行業(yè)，摩擦系數(shù)對工件成形質(zhì)量影響較大，不同溫度、變形量及潤滑劑都會影響塑性成形過程

。潤滑劑不僅可以保證擠壓成形性，還能保證模具零件工作表面具有良好的潤滑性能。近年來，與金屬塑性成形中的摩擦和磨損問題相關(guān)的研究工作已經(jīng)進(jìn)行，許多學(xué)者研究了金屬溫?cái)D壓過程中的摩擦和磨損，并開發(fā)了各種用于塑性成形的潤滑劑。隨著精密塑料成形向高效、高質(zhì)量、低成本、易清潔的方向發(fā)展以及新材料的出現(xiàn)，開發(fā)新型、環(huán)保的擠出成形高分子潤滑劑一直是活躍的研究領(lǐng)域

。

摩擦對金屬成形工藝有重要的影響，但由于塑性變形、機(jī)械載荷及各種模具零件表面處理產(chǎn)生的摩擦行為等因素的影響，金屬成形時(shí)邊界條件難以恒定

，環(huán)壓縮、T形壓縮及桶壓縮等測試方法被用來模擬金屬成形過程的摩擦行為

。

環(huán)壓試驗(yàn)是一種簡單、快速且成本低的方法，確定摩擦條件只需要測量其環(huán)內(nèi)徑，因此被廣泛應(yīng)用于大塊金屬成形過程的摩擦分析

。工具體與工件之間的接觸表面摩擦系數(shù)分布不均，在環(huán)壓試驗(yàn)過程中，模具零件會隨著界面處高度和位置的變化而變化。為了提高冷鍛過程數(shù)值模擬的可靠性，在進(jìn)行有限元模擬時(shí)應(yīng)該輸入更精準(zhǔn)的工具體與工件界面的摩擦系數(shù)

。由于摩擦模型能提高冷鍛數(shù)值模擬過程的可靠性，大多數(shù)研究者利用有限元方法和試驗(yàn)結(jié)果評估幾何缺陷的影響

。

利用DeForm軟件對不同材料的不同變形狀態(tài)進(jìn)行模擬分析，得到相對準(zhǔn)確的摩擦校準(zhǔn)曲線進(jìn)行優(yōu)化。沈文濤等進(jìn)行高溫摩擦系數(shù)試驗(yàn)測試，利用圓環(huán)鐓粗法得出對7050鋁合金影響最大的因素，并對其潤滑條件進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)

。李治華等將有限元方法與環(huán)壓試驗(yàn)相結(jié)合，利用有限單元法得到試驗(yàn)過程的理論校準(zhǔn)曲線，確定TC4鈦合金的高溫變形摩擦系數(shù)

。

現(xiàn)采用一種新研制的高分子潤滑劑對工件進(jìn)行涂覆，使用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)與掃描電鏡表征其摩擦特性，利用DeForm-3D軟件確定圓環(huán)鐓粗過程的理論校準(zhǔn)曲線，與實(shí)際圓環(huán)鐓粗試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，以期更好地指導(dǎo)實(shí)踐生產(chǎn)。

1 研究內(nèi)容

1.1 潤滑劑制備

摩擦系數(shù)是金屬成形過程中潤滑效果的重要指標(biāo)。基于庫侖定律，使用高溫摩擦磨損儀HT-1000測試，通過摩擦副的相對運(yùn)動，即接觸面上的法向力和摩擦力，得到材料相應(yīng)的摩擦系數(shù)

，球盤摩擦磨損儀如圖1所示。

聚四氟乙烯作為重要的塑料材料，因具有低摩擦系數(shù)、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐高溫性而備受關(guān)注

。現(xiàn)選取聚四氟乙烯、六方氮化硼、氧化鎂、羧甲基纖維素鈉作為原材料，結(jié)合增粘劑、乳化劑、防銹劑和消泡劑制備高分子潤滑劑。使用酒精和去離子水對打磨的45鋼基體進(jìn)行預(yù)處理后，將潤滑劑涂覆于基體表面，通過球-盤摩擦磨損試驗(yàn)對高分子潤滑劑的摩擦系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到最佳配方。

1.2 環(huán)壓試驗(yàn)

向量的下標(biāo)和上標(biāo)分別表示向量的某個(gè)元素和該向量在某次迭代時(shí)的值,如xi和x(j)分別向量x的第i個(gè)元素和向量x在第j次迭代時(shí)的值.矩陣的下標(biāo)和上標(biāo)分別表示矩陣的行向量和列向量,如Ai和Aj分別表示矩陣A的第i個(gè)行向量和第j個(gè)列向量,而Aij則表示矩陣A的第i行第j列元素.向量x和矩陣A的轉(zhuǎn)置分別表示為xT和AT.向量x∈Rn的l2范數(shù)記為矩陣A∈Rm×n的Frobenius范數(shù)記為核范數(shù)記為其中r為矩陣A的秩,σi為其第i個(gè)奇異值.

其中，“互聯(lián)互通”是指產(chǎn)品要在智能化的基礎(chǔ)上，根據(jù)用戶的個(gè)性化需求實(shí)現(xiàn)真正的互聯(lián)互通；“全流程”是指“成套”不僅是產(chǎn)品本身，更要將范疇擴(kuò)展到服務(wù)、創(chuàng)新迭代等全套流程；“大生態(tài)”則是強(qiáng)調(diào)加速產(chǎn)品及服務(wù)方案迭代的同時(shí)，連接更多資源方，為用戶提供更加全面、個(gè)性化的解決方案。

式(2)中：ec為人均生態(tài)承載力(hm2/人)，Ai為人均實(shí)際的某類生態(tài)生產(chǎn)性土地面積(hm2/人)，yi為產(chǎn)量因子，i、j與Wj所代表的含義與其公式(1)中的含義相同。在計(jì)算生態(tài)承載力時(shí)，由于各地區(qū)各種生物生產(chǎn)面積產(chǎn)出存在差異，需要引進(jìn)一個(gè)產(chǎn)量因子來實(shí)現(xiàn)生物生產(chǎn)面積的轉(zhuǎn)化，并扣除12%的生物多樣性保護(hù)面積，即為可利用的人均生態(tài)承載面積。產(chǎn)量因子采用我國目前常用的取值[13]，即耕地、建筑用地、林地、草地、水域和化石原料用地的產(chǎn)量因子分別取值為1.66、1.66、0.91、0.19、1.0、0。

圓環(huán)鐓粗試驗(yàn)（RCT）又稱環(huán)壓試驗(yàn)，是金屬塑性成形測定摩擦系數(shù)認(rèn)可度最高且最常用的方法，選用內(nèi)凸臺圓環(huán)進(jìn)行有限元模擬并研究其壓縮行為（RCT-IB），一定程度上可以規(guī)避常規(guī)環(huán)壓試驗(yàn)產(chǎn)生的膨脹效應(yīng)，避免導(dǎo)致尺寸難以精確測量的問題。

2 結(jié)果與分析

2.1 摩擦磨損分析

將制備的潤滑劑涂覆于45鋼圓片試樣表面，并用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦試驗(yàn)，多次試驗(yàn)取平均值，3種不同潤滑條件下的平均摩擦系數(shù)如圖4所示。從圖4可以看出，干摩擦的平均摩擦系數(shù)約0.45，磷皂化潤滑劑與高分子潤滑劑平均摩擦系數(shù)平穩(wěn)，其中高分子潤滑劑的平均摩擦系數(shù)最小，比干摩擦低73.3%，比磷皂化潤滑劑低52%，由此可見，自制的高分子潤滑劑具有更好的潤滑性。

湖北省各個(gè)地區(qū)的自然地理?xiàng)l件并不相同，每個(gè)地區(qū)發(fā)展農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的方式應(yīng)該根據(jù)各自的地理位置、經(jīng)濟(jì)情況、以及自身獨(dú)特的發(fā)展優(yōu)勢來進(jìn)行。結(jié)合前面分析得出的相關(guān)結(jié)論，提出以下發(fā)展湖北省農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的建議：

利用NX與DeForm-3D軟件建立有限元模型，環(huán)壓試驗(yàn)樣品如圖2所示，圓環(huán)鐓粗材料選用45鋼，溫度設(shè)置為20℃，凹模下壓速度為150 mm/s，模具零件與工件之間采用剪切摩擦模型，環(huán)壓試驗(yàn)有限元模型如圖3所示。

2.2 有限元模擬

在環(huán)壓試驗(yàn)前，先對試樣進(jìn)行退火處理以提高其冷鍛性能，用砂紙對其打磨，并用去離子水和酒精對試樣進(jìn)行清洗和烘干。分別使用磷皂化與高分子潤滑對試樣進(jìn)行處理，與無潤滑條件的鐓粗試樣進(jìn)行對比，使用高速壓力機(jī)進(jìn)行RCT-IB測試，重復(fù)試驗(yàn)取平均值。高速壓力機(jī)如圖8所示。

根據(jù)試樣表面的金屬流動速度分布可知，試樣最外圈邊緣處的材料流動最明顯；從等效應(yīng)變云圖可以看出，圓環(huán)試樣中部產(chǎn)生最大應(yīng)變，依次向外減小，即試樣底部與頂部附近的應(yīng)變量最小。無潤滑條件下干摩擦試樣模擬結(jié)果變形量最大，高分子潤滑條件下試樣模擬結(jié)果變形量最小，磷皂化潤滑條件下模擬結(jié)果變形量介于兩者之間。

2.3 實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果分析

考慮材料的特性和成形條件，壓縮量小于0.5 mm時(shí)，試樣材料沒有產(chǎn)生明顯的屈服，屬于剛性接觸；當(dāng)試樣繼續(xù)被壓縮時(shí)，達(dá)到材料屈服極限，產(chǎn)生塑性變形。壓縮量達(dá)到50%時(shí)，添加磷皂化和高分子潤滑劑的試樣與無潤滑的試樣模擬結(jié)果對比如圖5～圖7所示。

(1)To assign the learning task to the students according to the interest of the student

圖9所示為壓縮量50%下的不同涂覆試樣鐓粗后的表面形貌。無潤滑條件下，試樣表面有較多寬窄、方向不一的劃痕，且試樣表面涂層裂紋與圓環(huán)邊緣距離最長，如圖9（a）所示，這是由于高速摩擦導(dǎo)致材料出現(xiàn)表面軟化，金屬流動方向出現(xiàn)材料撕裂現(xiàn)象，導(dǎo)致表面裂紋的產(chǎn)生并伴隨磨粒磨損；在磷皂化潤滑劑的涂覆下，材料表面沒有明顯的劃痕，如圖9（b）所示，這是由于表面潤滑劑滲透到基體表面內(nèi)部，接觸牢固緊密，屬于化學(xué)吸附，潤滑劑沒有發(fā)生明顯的剝離與脫落；高分子潤滑劑涂覆鐓粗的結(jié)果如圖9（c）所示，相比直接進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，試樣表面在壓縮過程產(chǎn)生一定的黏著磨損現(xiàn)象，潤滑劑在基體表面發(fā)生堆積，在壓力機(jī)高速工作條件下，材料表面產(chǎn)生摩擦熱導(dǎo)致潤滑劑與模具基體發(fā)生強(qiáng)烈的黏合現(xiàn)象，主要以物理吸附為主。由于表面高分子潤滑劑的保護(hù)，有效減少了模具零件與試樣之間的摩擦磨損，延長了模具使用壽命。

理論校準(zhǔn)曲線是一種測量摩擦系數(shù)的實(shí)用性方法，環(huán)壓試驗(yàn)的校準(zhǔn)曲線可用有限元法繪制，壓縮過程金屬圓環(huán)試樣的高度和內(nèi)徑變化可以通過數(shù)值模擬來預(yù)測，實(shí)際環(huán)壓試驗(yàn)測量曲線與理論校準(zhǔn)曲線對比如圖10所示。從圖10可以看出，由于應(yīng)變硬化導(dǎo)致材料變形抗力的增加，流動性降低，因此摩擦系數(shù)不是固定值，會隨著試樣壓縮量的增加而增大。無潤滑條件下模具零件的摩擦系數(shù)約為0.4～0.45，磷皂化與高分子潤滑條件下摩擦系數(shù)結(jié)果相差不大，且高分子潤滑結(jié)果略低。

3 結(jié)束語

以聚四氟乙烯為主要原材料制備了高分子潤滑劑，利用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測得干摩擦系數(shù)最大，高分子潤滑劑摩擦系數(shù)最小，具有良好的潤滑性能。

利用DeForm軟件進(jìn)行有限元模擬，通過RCTIB試驗(yàn)確定理論校準(zhǔn)曲線，與實(shí)際環(huán)壓試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)高分子潤滑劑由于其良好的自潤滑性減少磨粒磨損，數(shù)值模擬在一定程度上能更好地指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

[1]王 丹,楊 合,李 恒.塑性成形中摩擦的研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢[J].中國有色金屬學(xué)報(bào)(英文版),2014(24):1263-1272.

[2]方泉水,辛選榮,劉 汀.高分子潤滑劑在擠壓中的應(yīng)用[J].鍛壓技術(shù),2006,31(6):66-68.

[3]DOHDA K,BOHER C,REZAI-ARIA F,et al.Tribology in metal forming at elevated temperatures[J].Friction,2015,3(1):1-27.

[4]ZHANG D W,YANG H.Numerical study of the friction effects on the metal flow under local loading way[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2013,68(5-8):1339-1350.

[5]錢 勇,龔紅英,姜天亮,等.利用環(huán)壓試驗(yàn)研究低碳鋼塑性成形過程中石墨烯涂層的摩擦磨損特性[J].鍛壓技術(shù),2019,44(12):120-127.

[6]KATOCH S,SEHGAL R,SINGH V.Optimization of friction and wear characteristics of varied cryogenically treated hot die steel grade AISI-H13 under dry condition[J].Friction,2017,5(1):66-86.

[7]林治平.在鍛壓生產(chǎn)條件下測定塑性變形摩擦系數(shù)——關(guān)于圓環(huán)鐓粗法應(yīng)用的研究[J].南昌大學(xué)學(xué)報(bào)(工科版),1979(6):53-67.

[8]GROCHE P,MüLLER C,STAHLMANN J,et al.Mechanical conditions in bulk metal forming tribometers—Part one[J].Tribology International,2013,62:223-231.

[9]朱燈林,呂 炎.杯—杯復(fù)合擠壓中摩擦系數(shù)對凹模內(nèi)側(cè)表面接觸應(yīng)力的影響[J].模具工業(yè),1996,22(5):15-17.

[10]AZUSHIMA A,YONEYAMA S,UTSUNOMIYA H.Coefficient of friction at interface of lubricated upsetting process[J].Wear,2012,286-287:3-7.

[11]沈文濤,張 鵬,趙 彤,等.利用圓環(huán)鐓粗法測定7050鋁合金高溫變形摩擦系數(shù)[J].大型鑄鍛件,2016(5):32-35.

[12]李治華,牛昌安,佗勁紅,等.利用圓環(huán)鐓粗與有限元法測定TC4鈦合金高溫變形的摩擦系數(shù)[J].精密成形工程,2013,5(2):11-15,65.

[13]高 貴,龔 俊,李瑞紅,等.表面織構(gòu)對PTFE復(fù)合材料摩擦磨損行為的影響[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào),2020,40(6):14-23.

[14]趙 軍,李?yuàn)^強(qiáng),郭 晗.工藝參數(shù)對齒輪滾軋成形過程的影響研究[J].模具工業(yè),2020,46(9):18-21.