摩擦行为在塑性成形中的处理研究*

□ 顾 勇

1.杭州师范大学 钱江学院 杭州 310036

2.上海大学 材料科学与工程学院 上海 200072

1 研究背景

在金属塑性成形领域，数值模拟技术已经比较成熟，其精度在于正确设置相关的工艺参数。然而，在成形工艺流程中，精度通常会受到材料性能、摩擦参数、成形速度、压力、温度等诸多条件的影响。其中，摩擦因数是影响效果较为明显的一个因素，在一定程度上决定着成形力，并且直接关系到金属流动情况及能量消耗水平。此外，摩擦因子对材料产品的质量，以及包括成形精度、使用寿命等在内的多种性能指标都有较大的影响。

摩擦行为，简言之，是指摩擦机理及其控制［1-3］。显然，根据成形流程中的实际条件，对工件和模具的摩擦行为进行详细客观的描述至关重要，因此，对塑性成形过程中各种摩擦行为的处理进行研究十分重要和迫切。

2 摩擦理论模型

在对金属材料进行成形加工时，通常在模具与工件的表面会产生相对运动，不可避免地存在摩擦。塑性成形过程中的摩擦力非常复杂，受接触压力、材料和速度等因素的制约。专家和相关领域的学者都积极致力于这方面的研究工作，以求得到较为明显的数量关系或可描述的规律。

现阶段，摩擦的理论研究已经形成了两个方向，分别是经典摩擦理论和非经典摩擦理论。在经典摩擦理论的范畴内，有分子、力学和黏着理论三个方面。

在分子理论研究中，认为接触分子之间的吸引力和排斥力相互作用会产生摩擦，而且接触面积、压强与摩擦力成正相关关系。

在力学理论范畴内，当两个物体发生相对运动时，如果接触不均匀，就会在一定程度上阻碍两者的运动，产生阻力，摩擦也随即出现。

黏着理论认为，如果两个物体的表面在发生接触时受到载荷的作用，那么一些承压较大的接触点就会发生黏合效应，往往这种黏合效果较为牢固，在实际相对滑动时会产生将上述黏合点剪短的力，该力通常被称为摩擦力。

一些学者研究了切向滑动摩擦理论，从理论上描述非线性特征和局部特征的摩擦问题。但是，采用这种方法的主要缺点是不能准确获得初始参数，导致不能被用来进行数值模拟分析。

一些学者深入探讨了弹塑性摩擦理论，主要优点是完善了经典摩擦理论的不足，可以很好地使接触点体现在宏观微位移滑动前。

以经典摩擦理论与非经典摩擦理论为基础，相关领域的学者创造了多种摩擦模型，较为常用的摩擦模型有以下几种［4-5］。

（1）库仑摩擦模型。表达式为：

式中：fs为摩擦应力；μ为摩擦因数，；σn为接触面上的正应力。

（2）常摩擦模型。表达式为：

式中：m为摩擦因数，0≤m≤1；k为剪切屈服极限。

（3）反正切摩擦模型。虽然上述两种摩擦模型具有不少优点，但是还存在一些不足，主要体现在速度分流点的变形问题不能被合理解决，如圆环镦粗、轧制等。哈佛大学的Chen和Kobayashi提出的反正切摩擦模型，可以处理以上不足，全面提高性能，被广泛应用在多个行业中，其表达式为：

式中：u0为常数，根据经验一般可取为模具速度的10－5～10-4；us为工件与模具接触面之间的相对滑动速度。

（4）非局部摩擦模型。在非局部摩擦模型中，人们能了解到摩擦效应的作用，它可以产生于质点中，主要由工件与模具的接触表面不光滑所引起。

从非局部摩擦效应层面来看，国内很多专家认为在接触表面上普遍存在的微凸结构能够帮助我们将摩擦模型建立在更为准确的细观尺度上。其中，较为成功的是南昌大学扶名福［6］等根据主应力法相关内容，参照非局部摩擦定律，经过长期研究，设计出部分塑性成形工艺的力平衡方程，这一力平衡方程也包含了非局部润滑模型［7-8］。

（5）非线性摩擦模型。产生切向力主要是由于在两个接触面之间发生的相对滑动不在同一个级别，通过参考经典库伦摩擦定律的相关内容，学者研究出了非线性摩擦模型，其表达式为［9］：

式中：Ef为与工件和模具接触表面粗糙度相关的参量；ε为接触面物理化学特性；Us为接触面之间的相对滑移；p为压力。

在金属塑性成形领域，特别是锻造领域，常摩擦模型常常应用于数值的模拟分析。在非常摩擦模型方面，业内的研究成果相对较少。库伦摩擦模型及其修正模型已被广泛应用于板料的冷成形领域，此外，该领域还较多地使用了非局部摩擦模型。利用上述模型进行计算，所得的结果精度和准确度较高，和实际吻合。

3 改善摩擦条件的途径

金属塑性成形工艺是一种成熟的工艺，但是需要通过摩擦的作用来实现。人们在进行轧制和辊锻的过程中，离不开相对应部件的摩擦作用来实现坯料的咬入。对塑性成形的摩擦问题展开多方面研究，其根本目的是准确控制摩擦，发挥摩擦的功能。但是，在塑性成形过程中，摩擦力弊大于利，弊端具体包括以下几个方面［10］：① 摩擦作用缩短了模具的使用寿命；② 摩擦作用会进一步提高坯料的变形抗力，使坯料产生裂纹，进而降低产品的性能；③摩擦作用会使变形不均匀。因此，人们通过各种途径来控制摩擦，以提高零件的生产质量。

3.1 表面润滑

摩擦力的大小主要取决于两个因素，一是模具接触面的状态，二是工件接触面的状态。为了减小摩擦力，需要通过改变这两个因素的作用来实现。可以利用磷酸盐来对钢材料的冷挤压过程进行处理。此外，对不锈钢材料的处理，通常选择草酸盐作为处理试剂。在处理过程结束后，工件的表面由于上述试剂的作用会形成一层多孔性薄膜。这层薄膜塑性较好，且金属变形强，主要是灰色片状结晶组织，摩擦因数一般为0.06～0.10。为了更好地起到润滑作用，需要在多孔性薄膜内注入一定数量的润滑剂，如碳钢用皂化液，它与晶体表面形成锌皂，锌皂的润滑效果十分出色。润滑剂在工件与模具之间构成非金属隔离层，润滑作用就是通过这一隔离层实现的［11-12］。

3.2 包套处理

为了减小材料热变形时的摩擦力，通常在零件外层包裹一层其它金属。如进行高温合金叶片锻造时，人们在开始工作之前先要进行镀铜，再用化学方法将表层的铜清除。这样做的主要作用有：①减小摩擦力；②进一步提高变形均匀性；③能制造出达到标准的均匀晶粒度。可见，包套处理工艺相比减小变形力方法，效果要好得多［13］。

3.3 液体润滑

在金属塑性成形领域，使用液体润滑剂通常基于坯料与模具之间全部或部分不直接接触，这样在两者之间将会一直有一层液体薄膜，从而将摩擦力转换为液体的流动黏性力，并在一定程度上减少摩擦。这种液体润滑的做法在挤压与拉拔工艺中得到了较为广泛的使用。

液体润滑分为流体动力润滑与液体静力润滑。流体动力润滑一般情况下在工件运动速度较快的状态中完成［14］。流体动力润滑的主要作用体现在大幅度减小摩擦力，并能有效延长模具寿命。

当液体压力较高时，为了更好地分离工件与模具，可以通过液体静力润滑来实现。图1所示为静液挤压原理。利用高压液体将毛坯包裹其中，同时外界环境同样是高压环境，在这种情况下，工件和工具一直被浸泡在流体润滑的状态中，起到润滑的作用。

▲图1 静液挤压原理

3.4 辅助振动

辅助振动金属塑性成形工艺是一种先进的技术。拉拔模具会受到超声振动，无论是振动方向还是拉拔方向都是一致的，所以，在该过程中棒料与模具的接触面可以得到更为彻底的分离。采用这一工作原理，能帮助润滑剂进入变形区，从而降低摩擦因数。辅助振动拉拔原理如图2所示。

▲图2 辅助振动拉拔原理

实践证明，振动在许多新成形工艺中都发挥着重要的作用，较为典型的是利用脉冲加载成形的方法来对管材进行内高压成形处理。在这一过程中，管材逐渐胀形，内部压力随着胀形而增大［15］。与此同时，由于较高的内压力作用，管材和模具的接触压强也会不断增大。由于润滑剂的进入，使这种接触压强得到了一定程度的缓解，保证金属能够顺利流动，使最终加工出的工件壁厚分布均匀，改善成形效果。

4 摩擦行为在有限元中的处理

在数值建模与求解的过程中，应用最多的是有限元技术［16］。有限元技术在工程数值计算领域有着卓越的地位，尤其以塑性成形最为常见。目前，科研人员投入了大量精力，对接触摩擦过程中的有限元数值模拟技术进行研究，研究热度最高的是接触表面滑动约束以及接触应力、应变等方面，同时围绕有限元模型加以研究。

为了分析热锻工艺下的传热和摩擦耦合行为，Burte［17］建立了一种崭新的校准曲线，这一曲线能够准确校准并反映传热系数与剪切摩擦因数之间的相互关系。Behrens等［18］利用有限元法的相关思想和手段，得到了接触面的真实接触状态及相关的摩擦因数，并对整个求解过程进行归纳总结，形成了一个含有局部摩擦因数的有限元计算模型。Behrens等同时［19］设想并尝试将模具与工件接触面的滑移速度场设置为影响因子，并引入上述有限元模型进行计算，从而求得摩擦因数。

Coppieters等［20］采用多种先进的方法，求解模具和堆叠圆形标本的摩擦因数。Joun等［21］为了更好地研究库伦摩擦模型与常剪切摩擦模型，采用了刚塑性有限元模型来深入探讨两者的差异性。

路平等［22］基于刚、黏塑性流动理论范畴内的相关原理与思想，进一步归纳设计，形成了一套针对刚、黏塑性无网络的伽辽金分析程序，并随机针对典型圆环件的镦粗过程进行较为具体和准确的数值模拟，从而将摩擦因数对工件的影响作用，如等效应变和金属流动规律等定性定量地描述出来，同时还阐述了鼓形和分流面出现的原因。根据无网格再生核质点法的相关内容，肖宏等［23］分析了在摩擦因数影响下的圆柱镦粗过程，准确地解读了鼓肚与接触表面上各种参数的定量关系。朱艳春等［24］利用有限元法的思想，较为具体且全面地对圆环镦粗试验进行分析，并且针对高温下的Ti-6Al-4V钛合金，深入探讨其摩擦行为，获得所需要的摩擦因数。根据精锻过程三维热力耦合有限元模型，汪宇等［25］进行了多种不同的物理模拟试验，得到不同摩擦因数对TC4叶片温度分布、最大载荷等的影响。李鹏等［26］借助圆环镦粗试验，分别在磷皂化润滑与无润滑条件下，探讨模具与工件的表面粗糙度对冷锻摩擦的影响规律。赵祥等［27］分析了摩擦效应对高纯镁等通道微挤压变形过程的影响。鲜小红［28］以Dynaform模拟软件为平台，研究了凹模与坯料间，以及凸模与坯料间摩擦因数对冲压拉深过程中零件壁厚分布的影响。冯苏乐等［29］利用液压复合成形技术，对数控铣削加工三通件进行工艺改进，针对充液拉深和内高压胀形阶段建立了力学模型，分析摩擦因数对零件成形的影响。潘小浪等［30］在对微楔横轧的理论研究过程中，通过分析摩擦因数等参数的影响，得到成形质量比较好的零件。

5 未来展望

多年来，通过研究摩擦阻力对金属成形参数的影响，得出了较为全面和系统的分析结果。21世纪以来，科学技术获得了前所未有的发展，人们积极运用数值模拟技术，获得了不错的效果。

改善摩擦条件与模拟试验这两大技术的综合应用，可以合理地研究典型成形工艺和润滑材料，进而设计出一种科学的关系模型，有助于对不同工况下金属塑性成形过程中的摩擦阻力进行分析。两大技术的综合应用，是特种金属在不同工况条件下获得塑性成形技术突破的根本途径。

此外，人工智能专家系统将逐渐进入工业生产的各个领域和环节。在这一领域，两大技术的综合应用将成为人工智能专家系统发挥作用的主要方向。