□ 顧 勇

1.杭州師范大學(xué) 錢(qián)江學(xué)院 杭州 310036

2.上海大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 上海 200072

1 研究背景

在金屬塑性成形領(lǐng)域，數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)比較成熟，其精度在于正確設(shè)置相關(guān)的工藝參數(shù)。然而，在成形工藝流程中，精度通常會(huì)受到材料性能、摩擦參數(shù)、成形速度、壓力、溫度等諸多條件的影響。其中，摩擦因數(shù)是影響效果較為明顯的一個(gè)因素，在一定程度上決定著成形力，并且直接關(guān)系到金屬流動(dòng)情況及能量消耗水平。此外，摩擦因子對(duì)材料產(chǎn)品的質(zhì)量，以及包括成形精度、使用壽命等在內(nèi)的多種性能指標(biāo)都有較大的影響。

摩擦行為，簡(jiǎn)言之，是指摩擦機(jī)理及其控制［1-3］。顯然，根據(jù)成形流程中的實(shí)際條件，對(duì)工件和模具的摩擦行為進(jìn)行詳細(xì)客觀的描述至關(guān)重要，因此，對(duì)塑性成形過(guò)程中各種摩擦行為的處理進(jìn)行研究十分重要和迫切。

2 摩擦理論模型

在對(duì)金屬材料進(jìn)行成形加工時(shí)，通常在模具與工件的表面會(huì)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，不可避免地存在摩擦。塑性成形過(guò)程中的摩擦力非常復(fù)雜，受接觸壓力、材料和速度等因素的制約。專(zhuān)家和相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)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(shù)量關(guān)系或可描述的規(guī)律。

現(xiàn)階段，摩擦的理論研究已經(jīng)形成了兩個(gè)方向，分別是經(jīng)典摩擦理論和非經(jīng)典摩擦理論。在經(jīng)典摩擦理論的范疇內(nèi)，有分子、力學(xué)和黏著理論三個(gè)方面。

在分子理論研究中，認(rèn)為接觸分子之間的吸引力和排斥力相互作用會(huì)產(chǎn)生摩擦，而且接觸面積、壓強(qiáng)與摩擦力成正相關(guān)關(guān)系。

在力學(xué)理論范疇內(nèi)，當(dāng)兩個(gè)物體發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果接觸不均勻，就會(huì)在一定程度上阻礙兩者的運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生阻力，摩擦也隨即出現(xiàn)。

黏著理論認(rèn)為，如果兩個(gè)物體的表面在發(fā)生接觸時(shí)受到載荷的作用，那么一些承壓較大的接觸點(diǎn)就會(huì)發(fā)生黏合效應(yīng)，往往這種黏合效果較為牢固，在實(shí)際相對(duì)滑動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生將上述黏合點(diǎn)剪短的力，該力通常被稱(chēng)為摩擦力。

一些學(xué)者研究了切向滑動(dòng)摩擦理論，從理論上描述非線性特征和局部特征的摩擦問(wèn)題。但是，采用這種方法的主要缺點(diǎn)是不能準(zhǔn)確獲得初始參數(shù)，導(dǎo)致不能被用來(lái)進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

一些學(xué)者深入探討了彈塑性摩擦理論，主要優(yōu)點(diǎn)是完善了經(jīng)典摩擦理論的不足，可以很好地使接觸點(diǎn)體現(xiàn)在宏觀微位移滑動(dòng)前。

以經(jīng)典摩擦理論與非經(jīng)典摩擦理論為基礎(chǔ)，相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者創(chuàng)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(kù)侖摩擦模型。表達(dá)式為：

式中：fs為摩擦應(yīng)力；μ為摩擦因數(shù)，；σn為接觸面上的正應(yīng)力。

（2）常摩擦模型。表達(dá)式為：

式中：m為摩擦因數(shù)，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(yōu)點(diǎn)，但是還存在一些不足，主要體現(xiàn)在速度分流點(diǎn)的變形問(wèn)題不能被合理解決，如圓環(huán)鐓粗、軋制等。哈佛大學(xué)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(yīng)用在多個(gè)行業(yè)中，其表達(dá)式為：

式中：u0為常數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(duì)滑動(dòng)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(yīng)的作用，它可以產(chǎn)生于質(zhì)點(diǎn)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(yīng)層面來(lái)看，國(guó)內(nèi)很多專(zhuān)家認(rèn)為在接觸表面上普遍存在的微凸結(jié)構(gòu)能夠幫助我們將摩擦模型建立在更為準(zhǔn)確的細(xì)觀尺度上。其中，較為成功的是南昌大學(xué)扶名福［6］等根據(jù)主應(yīng)力法相關(guān)內(nèi)容，參照非局部摩擦定律，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究，設(shè)計(jì)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(rùn)滑模型［7-8］。

（5）非線性摩擦模型。產(chǎn)生切向力主要是由于在兩個(gè)接觸面之間發(fā)生的相對(duì)滑動(dòng)不在同一個(gè)級(jí)別，通過(guò)參考經(jīng)典庫(kù)倫摩擦定律的相關(guān)內(nèi)容，學(xué)者研究出了非線性摩擦模型，其表達(dá)式為［9］：

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

在金屬塑性成形領(lǐng)域，特別是鍛造領(lǐng)域，常摩擦模型常常應(yīng)用于數(shù)值的模擬分析。在非常摩擦模型方面，業(yè)內(nèi)的研究成果相對(duì)較少。庫(kù)倫摩擦模型及其修正模型已被廣泛應(yīng)用于板料的冷成形領(lǐng)域，此外，該領(lǐng)域還較多地使用了非局部摩擦模型。利用上述模型進(jìn)行計(jì)算，所得的結(jié)果精度和準(zhǔn)確度較高，和實(shí)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(guò)摩擦的作用來(lái)實(shí)現(xiàn)。人們?cè)谶M(jìn)行軋制和輥鍛的過(guò)程中，離不開(kāi)相對(duì)應(yīng)部件的摩擦作用來(lái)實(shí)現(xiàn)坯料的咬入。對(duì)塑性成形的摩擦問(wèn)題展開(kāi)多方面研究，其根本目的是準(zhǔn)確控制摩擦，發(fā)揮摩擦的功能。但是，在塑性成形過(guò)程中，摩擦力弊大于利，弊端具體包括以下幾個(gè)方面［10］：① 摩擦作用縮短了模具的使用壽命；② 摩擦作用會(huì)進(jìn)一步提高坯料的變形抗力，使坯料產(chǎn)生裂紋，進(jìn)而降低產(chǎn)品的性能；③摩擦作用會(huì)使變形不均勻。因此，人們通過(guò)各種途徑來(lái)控制摩擦，以提高零件的生產(chǎn)質(zhì)量。

3.1 表面潤(rùn)滑

摩擦力的大小主要取決于兩個(gè)因素，一是模具接觸面的狀態(tài)，二是工件接觸面的狀態(tài)。為了減小摩擦力，需要通過(guò)改變這兩個(gè)因素的作用來(lái)實(shí)現(xiàn)?？梢岳昧姿猁}來(lái)對(duì)鋼材料的冷擠壓過(guò)程進(jìn)行處理。此外，對(duì)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(guò)程結(jié)束后，工件的表面由于上述試劑的作用會(huì)形成一層多孔性薄膜。這層薄膜塑性較好，且金屬變形強(qiáng)，主要是灰色片狀結(jié)晶組織，摩擦因數(shù)一般為0.06～0.10。為了更好地起到潤(rùn)滑作用，需要在多孔性薄膜內(nèi)注入一定數(shù)量的潤(rùn)滑劑，如碳鋼用皂化液，它與晶體表面形成鋅皂，鋅皂的潤(rùn)滑效果十分出色。潤(rùn)滑劑在工件與模具之間構(gòu)成非金屬隔離層，潤(rùn)滑作用就是通過(guò)這一隔離層實(shí)現(xiàn)的［11-12］。

3.2 包套處理

為了減小材料熱變形時(shí)的摩擦力，通常在零件外層包裹一層其它金屬。如進(jìn)行高溫合金葉片鍛造時(shí)，人們?cè)陂_(kāi)始工作之前先要進(jìn)行鍍銅，再用化學(xué)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(jìn)一步提高變形均勻性；③能制造出達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的均勻晶粒度。可見(jiàn)，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(rùn)滑

在金屬塑性成形領(lǐng)域，使用液體潤(rùn)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(huì)一直有一層液體薄膜，從而將摩擦力轉(zhuǎn)換為液體的流動(dòng)黏性力，并在一定程度上減少摩擦。這種液體潤(rùn)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(rùn)滑分為流體動(dòng)力潤(rùn)滑與液體靜力潤(rùn)滑。流體動(dòng)力潤(rùn)滑一般情況下在工件運(yùn)動(dòng)速度較快的狀態(tài)中完成［14］。流體動(dòng)力潤(rùn)滑的主要作用體現(xiàn)在大幅度減小摩擦力，并能有效延長(zhǎng)模具壽命。

當(dāng)液體壓力較高時(shí)，為了更好地分離工件與模具，可以通過(guò)液體靜力潤(rùn)滑來(lái)實(shí)現(xiàn)。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(shí)外界環(huán)境同樣是高壓環(huán)境，在這種情況下，工件和工具一直被浸泡在流體潤(rùn)滑的狀態(tài)中，起到潤(rùn)滑的作用。

▲圖1 靜液擠壓原理

3.4 輔助振動(dòng)

輔助振動(dòng)金屬塑性成形工藝是一種先進(jìn)的技術(shù)。拉拔模具會(huì)受到超聲振動(dòng)，無(wú)論是振動(dòng)方向還是拉拔方向都是一致的，所以，在該過(guò)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(rùn)滑劑進(jìn)入變形區(qū)，從而降低摩擦因數(shù)。輔助振動(dòng)拉拔原理如圖2所示。

▲圖2 輔助振動(dòng)拉拔原理

實(shí)踐證明，振動(dòng)在許多新成形工藝中都發(fā)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(lái)對(duì)管材進(jìn)行內(nèi)高壓成形處理。在這一過(guò)程中，管材逐漸脹形，內(nèi)部壓力隨著脹形而增大［15］。與此同時(shí)，由于較高的內(nèi)壓力作用，管材和模具的接觸壓強(qiáng)也會(huì)不斷增大。由于潤(rùn)滑劑的進(jìn)入，使這種接觸壓強(qiáng)得到了一定程度的緩解，保證金屬能夠順利流動(dòng)，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(shù)值建模與求解的過(guò)程中，應(yīng)用最多的是有限元技術(shù)［16］。有限元技術(shù)在工程數(shù)值計(jì)算領(lǐng)域有著卓越的地位，尤其以塑性成形最為常見(jiàn)。目前，科研人員投入了大量精力，對(duì)接觸摩擦過(guò)程中的有限元數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行研究，研究熱度最高的是接觸表面滑動(dòng)約束以及接觸應(yīng)力、應(yīng)變等方面，同時(shí)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(zhǔn)曲線，這一曲線能夠準(zhǔn)確校準(zhǔn)并反映傳熱系數(shù)與剪切摩擦因數(shù)之間的相互關(guān)系。Behrens等［18］利用有限元法的相關(guān)思想和手段，得到了接觸面的真實(shí)接觸狀態(tài)及相關(guān)的摩擦因數(shù)，并對(duì)整個(gè)求解過(guò)程進(jìn)行歸納總結(jié)，形成了一個(gè)含有局部摩擦因數(shù)的有限元計(jì)算模型。Behrens等同時(shí)［19］設(shè)想并嘗試將模具與工件接觸面的滑移速度場(chǎng)設(shè)置為影響因子，并引入上述有限元模型進(jìn)行計(jì)算，從而求得摩擦因數(shù)。

Coppieters等［20］采用多種先進(jìn)的方法，求解模具和堆疊圓形標(biāo)本的摩擦因數(shù)。Joun等［21］為了更好地研究庫(kù)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(lái)深入探討兩者的差異性。

路平等［22］基于剛、黏塑性流動(dòng)理論范疇內(nèi)的相關(guān)原理與思想，進(jìn)一步歸納設(shè)計(jì)，形成了一套針對(duì)剛、黏塑性無(wú)網(wǎng)絡(luò)的伽遼金分析程序，并隨機(jī)針對(duì)典型圓環(huán)件的鐓粗過(guò)程進(jìn)行較為具體和準(zhǔn)確的數(shù)值模擬，從而將摩擦因數(shù)對(duì)工件的影響作用，如等效應(yīng)變和金屬流動(dòng)規(guī)律等定性定量地描述出來(lái)，同時(shí)還闡述了鼓形和分流面出現(xiàn)的原因。根據(jù)無(wú)網(wǎng)格再生核質(zhì)點(diǎn)法的相關(guān)內(nèi)容，肖宏等［23］分析了在摩擦因數(shù)影響下的圓柱鐓粗過(guò)程，準(zhǔn)確地解讀了鼓肚與接觸表面上各種參數(shù)的定量關(guān)系。朱艷春等［24］利用有限元法的思想，較為具體且全面地對(duì)圓環(huán)鐓粗試驗(yàn)進(jìn)行分析，并且針對(duì)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(shù)。根據(jù)精鍛過(guò)程三維熱力耦合有限元模型，汪宇等［25］進(jìn)行了多種不同的物理模擬試驗(yàn)，得到不同摩擦因數(shù)對(duì)TC4葉片溫度分布、最大載荷等的影響。李鵬等［26］借助圓環(huán)鐓粗試驗(yàn)，分別在磷皂化潤(rùn)滑與無(wú)潤(rùn)滑條件下，探討模具與工件的表面粗糙度對(duì)冷鍛摩擦的影響規(guī)律。趙祥等［27］分析了摩擦效應(yīng)對(duì)高純鎂等通道微擠壓變形過(guò)程的影響。鮮小紅［28］以Dynaform模擬軟件為平臺(tái)，研究了凹模與坯料間，以及凸模與坯料間摩擦因數(shù)對(duì)沖壓拉深過(guò)程中零件壁厚分布的影響。馮蘇樂(lè)等［29］利用液壓復(fù)合成形技術(shù)，對(duì)數(shù)控銑削加工三通件進(jìn)行工藝改進(jìn)，針對(duì)充液拉深和內(nèi)高壓脹形階段建立了力學(xué)模型，分析摩擦因數(shù)對(duì)零件成形的影響。潘小浪等［30］在對(duì)微楔橫軋的理論研究過(guò)程中，通過(guò)分析摩擦因數(shù)等參數(shù)的影響，得到成形質(zhì)量比較好的零件。

5 未來(lái)展望

多年來(lái)，通過(guò)研究摩擦阻力對(duì)金屬成形參數(shù)的影響，得出了較為全面和系統(tǒng)的分析結(jié)果。21世紀(jì)以來(lái)，科學(xué)技術(shù)獲得了前所未有的發(fā)展，人們積極運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)，獲得了不錯(cuò)的效果。

改善摩擦條件與模擬試驗(yàn)這兩大技術(shù)的綜合應(yīng)用，可以合理地研究典型成形工藝和潤(rùn)滑材料，進(jìn)而設(shè)計(jì)出一種科學(xué)的關(guān)系模型，有助于對(duì)不同工況下金屬塑性成形過(guò)程中的摩擦阻力進(jìn)行分析。兩大技術(shù)的綜合應(yīng)用，是特種金屬在不同工況條件下獲得塑性成形技術(shù)突破的根本途徑。

此外，人工智能專(zhuān)家系統(tǒng)將逐漸進(jìn)入工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域和環(huán)節(jié)。在這一領(lǐng)域，兩大技術(shù)的綜合應(yīng)用將成為人工智能專(zhuān)家系統(tǒng)發(fā)揮作用的主要方向。