文／李治華，趙興東·中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司曾衛(wèi)東·西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院

GH4169合金高溫塑性變形摩擦系數(shù)的測(cè)定

文／李治華，趙興東·中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司曾衛(wèi)東·西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院

本文利用圓環(huán)鐓粗與有限元相結(jié)合的方法測(cè)定了GH4169合金高溫變形時(shí)的摩擦系數(shù)。通過(guò)有限元模擬方法得到了摩擦系數(shù)的理論校準(zhǔn)曲線(xiàn)，并根據(jù)圓環(huán)鐓粗試驗(yàn)內(nèi)徑與高度變化的關(guān)系，將圓環(huán)鐓粗后的內(nèi)徑和高度的變化百分比與模擬得到的摩擦系數(shù)理論校準(zhǔn)曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比，得出GH4169合金在潤(rùn)滑和干摩擦條件下的摩擦系數(shù)。

工件與模具之間摩擦的存在會(huì)影響零件成形的變形載荷、產(chǎn)品的表面質(zhì)量以及模具的磨損等，在金屬塑性成形過(guò)程中摩擦起著十分重要的作用。因此研究金屬塑性成形過(guò)程接觸面之間的摩擦系數(shù)對(duì)鍛件的質(zhì)量具有重要的意義。塑性成形過(guò)程摩擦系數(shù)的測(cè)定方法主要有圓環(huán)鐓粗法、錐形壓頭鐓粗法、夾鉗-軋制法等，圓環(huán)鐓粗法是目前國(guó)內(nèi)外廣泛用來(lái)研究金屬塑性成形過(guò)程中潤(rùn)滑效果的一種簡(jiǎn)單可靠的方法，它可以在接近工況的條件下定量地測(cè)定摩擦系數(shù)。圓環(huán)鐓粗變形時(shí)，坯料與模具之間的摩擦系數(shù)會(huì)影響金屬的流動(dòng)，造成圓環(huán)的內(nèi)徑尺寸變化，將圓環(huán)鐓粗得到的內(nèi)徑變化率與工件和模具之間摩擦系數(shù)的理論校準(zhǔn)曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比，從而確定摩擦系數(shù)。

本文選用航空常用GH4169合金材料為研究對(duì)象測(cè)定其在高溫變形時(shí)的摩擦系數(shù)。利用DEFORM-3D有限元模擬軟件對(duì)圓環(huán)的鐓粗變形過(guò)程進(jìn)行模擬，建立不同摩擦系數(shù)的理論校準(zhǔn)曲線(xiàn)，同時(shí)選用玻璃潤(rùn)滑和干摩擦條件進(jìn)行實(shí)際圓環(huán)鐓粗試驗(yàn)，將試驗(yàn)測(cè)量的內(nèi)徑和高度的變化與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，確定GH4169合金在高溫變形時(shí)的摩擦系數(shù)。

圓環(huán)鐓粗法測(cè)定摩擦系數(shù)的原理

圓環(huán)鐓粗法是把外徑、內(nèi)徑和高度成一定比例的扁平圓環(huán)置于平模間鐓粗（圖1a所示）。鐓粗變形時(shí)金屬向外或向內(nèi)流動(dòng)，根據(jù)接觸面摩擦系數(shù)的不同，圓環(huán)的內(nèi)徑尺寸會(huì)呈現(xiàn)出不同的變化。當(dāng)接觸面摩擦系數(shù)等于或接近于零時(shí)，圓環(huán)上的每一質(zhì)點(diǎn)均作徑向的向外流動(dòng)（圖1b所示），變形后內(nèi)外徑都增加；當(dāng)摩擦系數(shù)增加時(shí)，金屬質(zhì)點(diǎn)的外流速度下降，與前一種情況比較，在同一壓下速率下，內(nèi)外徑增量均較?。蝗艚佑|面摩擦系數(shù)超過(guò)某一臨界值時(shí)，則圓環(huán)中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)分流面，該面以外金屬向外流動(dòng)，以?xún)?nèi)金屬向中心流動(dòng)；變形后圓環(huán)外徑增大，內(nèi)徑縮?。▓D1c所示）。理論和實(shí)驗(yàn)研究表明：分流面的半徑值隨摩擦系數(shù)的增大而增大。因此，可根據(jù)分流面位置確定摩擦系數(shù)。雖然分流面的半徑值無(wú)法直接測(cè)定，但鐓粗后的圓環(huán)內(nèi)徑變化與分流面的位置有關(guān)，所以可用測(cè)量?jī)?nèi)徑的減小情況來(lái)確定摩擦系數(shù)。

圖1 圓環(huán)鐓粗過(guò)程中內(nèi)徑的變化

圓環(huán)鐓粗試驗(yàn)及有限元模擬

圓環(huán)鐓粗試驗(yàn)

GH4169合金圓環(huán)鐓粗試驗(yàn)在1000噸電動(dòng)螺旋壓力機(jī)上進(jìn)行，利用模具的上下兩個(gè)平行平面進(jìn)行鐓粗。圓環(huán)尺寸比例為20∶10∶7，尺寸分別為：外徑40mm、內(nèi)徑20mm、高14mm。分別使用兩種玻璃潤(rùn)滑劑和干摩擦條件進(jìn)行圓環(huán)鐓粗試驗(yàn)，玻璃潤(rùn)滑劑涂覆在整個(gè)試樣表面，圓環(huán)變形溫度取GH4169合金常用的鍛造溫度1020℃，模具預(yù)熱溫度為100℃～200℃。試驗(yàn)條件見(jiàn)表1。為了保證試驗(yàn)的可重復(fù)性和準(zhǔn)確性，圓環(huán)鐓粗時(shí)每一種條件重復(fù)3個(gè)試樣。圓環(huán)鐓粗試驗(yàn)后用游標(biāo)卡尺測(cè)量圓環(huán)的高度、內(nèi)徑和外徑，內(nèi)徑和外徑在每個(gè)試樣的赤道面上沿圓周方向每隔45°測(cè)量，共測(cè)量4個(gè)值，高度沿圓周方向在R/2處每隔90°測(cè)量，同樣測(cè)量4個(gè)值，然后取其平均值。每一個(gè)條件下圓環(huán)的平均值作為摩擦系數(shù)測(cè)定的依據(jù)。

有限元模擬條件

摩擦系數(shù)測(cè)定的理論校準(zhǔn)曲線(xiàn)采用Deform-3D有限元模擬軟件進(jìn)行計(jì)算。有限元模擬的初始條件如下：圓環(huán)鐓粗溫度1020℃，壓下速度150mm/s，模具預(yù)熱溫度為150℃。工件、模具與空氣的熱對(duì)流系數(shù)為0.02N/( s·mm·℃），工件與模具接觸面之間的熱交換系數(shù)為31N/(s·mm·℃），有限元網(wǎng)格數(shù)8萬(wàn)，工件與模具接觸面之間采用剪切摩擦，摩擦系數(shù)分別取m=0，0.04，0.1，0.2，0.3，0.4，0.45，0.5，0.7，1.0。為了觀察圓環(huán)內(nèi)徑隨摩擦系數(shù)的變化及壓下量增加的變化情況，采用二分之一圓環(huán)進(jìn)行模擬。

表1 圓環(huán)鐓粗測(cè)定摩擦系數(shù)試驗(yàn)條件

試驗(yàn)結(jié)果與討論

圓環(huán)鐓粗試驗(yàn)結(jié)果

GH4169合金圓環(huán)在不同的潤(rùn)滑和變形條件下鐓粗變形后的宏觀照片見(jiàn)圖2和圖3。從圖中可以看出，在同一潤(rùn)滑和變形條件下鐓粗的圓環(huán)形狀和尺寸都具有高度的一致性，表明試驗(yàn)結(jié)果具有可重復(fù)性。無(wú)論是干摩擦還是玻璃潤(rùn)滑條件下，隨變形量增大，外徑都增大，內(nèi)徑都減小，但在不同潤(rùn)滑條件相同壓下量時(shí)，圓環(huán)內(nèi)徑相差較小。

每一個(gè)條件下每一個(gè)試樣的內(nèi)徑和外徑以及3個(gè)試樣的平均值列于表2中，利用高度和內(nèi)徑的測(cè)量值，根據(jù)理論校準(zhǔn)曲線(xiàn)就可以求出各個(gè)條件下的摩擦系數(shù)值。

圖2 不同潤(rùn)滑和變形條件下圓環(huán)鐓粗后的宏觀照片

圖3 不同潤(rùn)滑和變形條件下圓環(huán)鐓粗后的宏觀照片

表2 圓環(huán)在不同潤(rùn)滑和變形條件下鐓粗后尺寸

有限元模擬結(jié)果

⑴圓環(huán)鐓粗過(guò)程中金屬的流動(dòng)。

圖4和圖5分別為圓環(huán)在摩擦系數(shù)為0.04和0.7時(shí)鐓粗過(guò)程中內(nèi)外徑隨變形量變化的情況。

當(dāng)摩擦系數(shù)小時(shí)，由于摩擦阻力小金屬全部向外側(cè)流動(dòng)，圓環(huán)的內(nèi)外徑均增大，變形量較大時(shí)出現(xiàn)了外凸和內(nèi)凸的鼓肚（見(jiàn)圖4）。主要是因?yàn)榕髁仙舷露嗣媾c溫度較低的模具接觸導(dǎo)致溫度下降，靠近模具的金屬流動(dòng)性下降，增大了摩擦的效果。當(dāng)摩擦系數(shù)較大時(shí)，由于摩擦阻力的存在圓環(huán)截面的內(nèi)外側(cè)均出現(xiàn)了明顯的鼓肚，外徑不斷增大內(nèi)徑逐步縮小，與實(shí)際變形吻合（見(jiàn)圖5）。

⑵摩擦系數(shù)理論校準(zhǔn)曲線(xiàn)。

利用DEFORM軟件進(jìn)行不同摩擦系數(shù)下圓環(huán)鐓粗的有限元模擬，選用0～1.0之間的不同摩擦系數(shù)對(duì)GH4169合金圓環(huán)鐓粗過(guò)程進(jìn)行模擬，并測(cè)量變形量為10%，20%，30%，40%，50%的內(nèi)徑變化率，繪制的GH4169合金高溫變形過(guò)程中的各變量之間的關(guān)系圖如圖6所示。

⑶摩擦系數(shù)的確定。

根據(jù)表2中GH4169合金圓環(huán)鐓粗的試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，按照?qǐng)D6繪制的理論校準(zhǔn)曲線(xiàn)，確定的GH4169合金圓環(huán)在不同摩擦和變形量的條件下的摩擦系數(shù)見(jiàn)表3。

從測(cè)量的結(jié)果可以看出，GH4169合金在GDS-17及FR-35潤(rùn)滑條件下，測(cè)定的摩擦系數(shù)偏大，可能與高溫下潤(rùn)滑劑失效有關(guān)。從圖2和圖3中可以看出：隨著壓下量從30%增加至50%，工件與模具的接觸面積增大，摩擦系數(shù)也越來(lái)越大，最終導(dǎo)致潤(rùn)滑效果接近于干摩擦條件。

圖4 摩擦系數(shù)為0.04時(shí)不同壓下量圓環(huán)的變形情況

圖5 摩擦系數(shù)為0.7時(shí)不同壓下量圓環(huán)的變形情況

圖6 FEM方法建立的圓環(huán)鐓粗測(cè)摩擦系數(shù)理論校準(zhǔn)曲線(xiàn)

表3 GH4169合金摩擦系數(shù)的確定

結(jié)論

⑴采用圓環(huán)鐓粗試驗(yàn)和有限元模擬相結(jié)合的方法來(lái)測(cè)定熱變形過(guò)程中的摩擦系數(shù)，可以克服傳統(tǒng)理論解析無(wú)法考慮的材料特性、溫度和應(yīng)變速率變化的影響的缺點(diǎn)，是一種有效、可行的方法。

⑵建立了尺寸比例為20∶10∶7的GH4169合金1020℃變形的摩擦系數(shù)測(cè)定理論校準(zhǔn)曲線(xiàn)，測(cè)定其干摩擦條件下的摩擦系數(shù)為0.61，玻璃潤(rùn)滑條件下的摩擦系數(shù)為0.495。

⑶在高溫條件下變形，隨著壓下量的增大，工件與模具的接觸面積增大，摩擦系數(shù)也越來(lái)越大，最終導(dǎo)致潤(rùn)滑效果接近于干摩擦條件。