基于脹形試驗的4種預涂潤滑油性能對比研究

中圖分類號：TG306 文獻標志碼：B DOI：10.19710/J.cnki.1003-8817.20240323

Comparative Study on Properties of Four Kinds of Prelubricating Oil Based on Bulging Test

Yuan Baiqiang， Xu Chenglin， Wang Xueshuang， Xu Yang， Song Yue （Commercial Vehicle Development Institute，FAW Jiefang AutomobileCo.，Ltd.，Changchun 130011）

Abstract：In order to compare thelubrication propertiesof the four pre-lubricants，thispaper studies the influenceoffrictioncoeficientonthe material thinningrateinthe bulging process bynumerical simulation.The results show thatunder the same otherconditions，thesmallerthe friction coeficientis，the smallerthe sheet thinning rateis，thatistosaythebetterthelubricationefectisinthebulgingtest，thesmallertheforminglimitheightof the sheet.Based on thenumerical simulation results，four kinds of pre-lubricants are used tocarryout bulging test to compare the lubricationproperties.Theresults show that lubricating oilA has the best lubrication properties，followed bylubricatingoilDandB，andlubricating oilChasthe worst lubricationproperties.Inadition，itis found that lubricating efectoflubricatingoilBweakens with theincreaseofcoatingamount，whereas thatoflubricatingoil Cand D increases first and then decreases with the increase of coating amount.

KeyWords：Pre-lubricatingoil，Precoatedsteel plate，Bulgingtest，Numericalsimulation

1前言

出廠時所附帶的潤滑油（預涂潤滑油）可滿足板料成形過程中的潤滑需求，省去沖壓前的清洗、涂油等工序，提高生產效率、降低生產成本。

沖壓成形工藝具有生產效率高、材料利用率高和成本低的優點，是當前應用最廣泛的金屬板材成形技術。汽車零部件中沖壓件的數量占比高達 60%～70%^[1] 。實際生產中，需在沖壓成形前為板料與模具涂覆拉延油增強潤滑性，改善板料沖壓時的流動狀態，有利于提高產品合格率2。鋼板脹形試驗常用于評價板料的成形極限，而潤滑油的潤滑性能對板料的成形極限有很大影響[3]。試驗過程中，在鎖止筋的限制下，壓邊圈和凹模之間的板料無法向模具內流動，只有與凸模接觸區域的板料可以流動，而潤滑油正是通過改變板料的流動狀態進而影響板料的成形極限。因此，影響脹形試驗中板料成形極限的因素只有潤滑油。

本文進行脹形試驗并將板料成形極限作為評價指標對比4種潤滑油的潤滑性能。首先通過數值模擬研究脹形過程中不同摩擦因數對板料成形極限的影響規律，然后分別對不同種類的潤滑油進行脹形試驗，比較各組試驗的板料成形極限高度，總結不同種類潤滑油的潤滑效果以及潤滑油涂覆量對潤滑效果的影響規律。

2板料脹形性能數值模擬

2.1 有限元模型的建立

2.1.1 幾何模型

以脹形試驗使用的模具為原型，建立有限元分析模型，如圖1所示。在數值模擬過程中，為還原脹形試驗的真實場景，將壓邊力設為 300kN 并保持不變，使用鎖止筋以限制拉延筋以外的材料向內流動。成形開始前將壓邊圈頂起 60mm ，即板料的極限成形高度為 60mm ，通過比較板料的減薄率，判斷摩擦因數對脹形試驗中板料成形極限的影響。

2.1.2 材料模型

為使試驗結果貼近實際生產，本文選擇拉延工藝中常見的St16鋼板為試驗對象，板料厚度為1.0mm ，密度為 7850kg/m³ ，彈性模量為 210GPa ，泊松比為0.3。

2.1.3有限元分析方案

在數值模擬過程中將摩擦因數分別設為0.05、0.10、0.15和0.20，模擬不同種類潤滑油的潤滑效果。摩擦因數越小，則潤滑油的潤滑效果越好，反之則潤滑效果較差。

2.2 數值模擬結果分析

摩擦因數為0.15的潤滑油數值模擬分析結果如圖2所示，由圖2可知，板料脹形過程中，減薄率最大的位置在板料與凸模的接觸區，該區域在脹形過程中受到的主應力最大，最容易產生局部減薄，發生頸縮或開裂。

2.3摩擦因數對板料脹形性能的影響

圖3為摩擦因數分別為 0.05，0.10，0.15 和0.20時潤滑油的數值模擬分析結果，板料的最大減薄率與摩擦因數的關系如圖4所示。

由圖3可知，板料的最大減薄率均出現在與凸模的接觸區。在脹形至同等深度的前提下，隨著摩擦因數的增大，板料的最大減薄率逐漸減小，這是由于板料與凸模的接觸區域在脹形過程的開始階段受到的主應力最大，該區域的板料最先發生減薄，而較小的摩擦因數促使該部分板料向未與凸模接觸的區域流動，從而使此區域板料更易發生減薄，同時也最先發生開裂。

3 脹形試驗

3.1試驗方案

如圖5所示，采用BCS-1000A板材成形試驗機，按照GB/T15825.8—2008《金屬薄板成形性能與試驗方法第8部分：成形極限圖（FLD）測定指南》進行脹形試驗，試驗使用的模具尺寸與數值模擬建立的幾何模型相同，所使用的板料與數值模擬保持一致，即厚度為 1.0mm 的St16鋼板，初始板料尺寸為 180mm×180mm ，同樣采用鎖正筋限制拉延筋以外的材料向內流動，試驗過程中將壓邊力設置為 300kN 。

試驗件開裂位置為與凸模接觸的區域，與數值模擬結果相同。

試驗結束后，可獲得試驗力最大值對應的位移，其數值為板料脹形的極限高度。在脹形過程中，潤滑油的潤滑性能越好，與凸模接觸區域的材料更易向未接觸區流動，從而發生減薄，越早地出現頸縮和開裂，板料脹形的極限高度越小。

為比較不同種類潤滑油的潤滑效果，試驗開始前分別將 A，B，C，D4 種潤滑油均勻涂覆于各試驗鋼板表面的指定區域，涂油量均為 25g/m² ，比較各種潤滑油的潤滑性能。此外，為比較不同潤滑油不同涂覆量對潤滑效果的影響，將 B，C，D3 種潤滑油分別按照 5g/m²，25g/m² 和 55g/m² 的涂覆量涂覆于各鋼板表面進行試驗。以上每種試驗設置3組，取平均值，試驗方案如表1所示。

3.2 試驗結果

3.2.1 4種潤滑油潤滑性能對比

試驗開始前，將潤滑油均勻涂覆于板料與凸模發生接觸的區域，之后將涂有潤滑油的板料對中放置于壓邊圈上，啟動試驗程序后凹?？焖傧滦信c板料接觸并與壓邊圈一同將板料鎖死后，以5mm/min 的速度帶動板料向下勻速運動。在與凸模接觸后，板料局部區域開始減薄，最終出現頸縮直至開裂。當試驗機檢測到成形力突然下降時，自動停止運動，試驗結束，得到的試驗件如圖6所示。

對比不涂覆潤滑油與分別涂覆A＼～D4種不同種類潤滑油且涂油量均為 25g/m² 的5組脹形試驗，總結出成形極限高度與有無潤滑油涂覆以及潤滑油種類之間的關系，如圖7所示。由圖7可知，與不涂覆潤滑油相比，涂油后的成形極限均有所提升。其中，涂覆潤滑油A的板料成形極限高度最小，為 155.6mm ，表明潤滑油A的潤滑的效果最好，潤滑油D次之，其板料成形極限高度為 155.8mm ，潤滑油C的潤滑效果最差，極限高度為 156.6mm ○

3.2.2潤滑油涂覆量對潤滑性能的影響

圖8為 B，C，D3 種潤滑油的不同涂覆量與板料成形極限高度的關系。由圖8可知，潤滑油B的涂覆量與板料成形極限高度呈線性關系，當涂覆量為 5.0g/m² 時，潤滑油B的成形極限高度最小，為155.84mm ，仍大于潤滑油A的成形極限高度。而涂覆潤滑油C和潤滑油D時，板料的成形極限高度均隨著涂覆量的增加呈先上升后下降的趨勢，試驗中，潤滑油D的成形極限高度均小于潤滑油C，當潤滑油D的涂覆量達到 55g/m² 時，其板料成形極限高度達到最低，為 155.43mm ，但過高的涂覆量會提高生產成本。

4結論

a.本文通過數值模擬的方式研究了脹形過程中摩擦因數對板料減薄率的影響。結果表明，在其他條件相同的前提下，隨著摩擦因數的增大，板料的最大減薄率逐漸減小，說明潤滑油的潤滑效果越好，脹形試驗中板料的成形極限高度越小。

b.通過脹形試驗對比4種潤滑油的潤滑性能，結果表明，在涂覆量相同的前提下，潤滑油A的潤滑效果最好，其次是潤滑油D、潤滑油B，潤滑油C的潤滑效果最差。

c.通過脹形試驗對比了潤滑油涂覆量對潤滑效果的影響。結果表明，在其他條件均相同的前提下，潤滑油B的潤滑效果隨涂覆量的增加而降低，潤滑油C和潤滑油D的潤滑效果均隨著涂覆量的增加呈先上升后下降的趨勢，當涂覆量相同時，潤滑油D的潤滑性能均優于潤滑油C。

參考文獻：

[1]褚勇，李全偉，祝林.汽車輕量化用鋁合金板沖壓成形性研究[J].模具技術，2014（5）：9-12+18.

[2]趙子銳，王承學.水基潤滑油混合體系黏度的廣義預測模型[J].潤滑與密封，2021，46（5）：94-98.

[3]宣守強，鄧沛然，王蘇靜.DP1180高強度鋼脹形性能研究[J].模具工業，2021，47（5）：39-42.