鄧 亮 徐冰倩

（上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 上海 201418）

近年以來(lái)， 金屬板料熱成形工況下的接觸界面問(wèn)題引起越來(lái)越多的研究學(xué)者關(guān)注。 早在1998 年，BEYNON［1］就對(duì)金屬在高溫下的摩擦磨損、 潤(rùn)滑傳熱等問(wèn)題開展研究。 然而， 金屬熱成形過(guò)程中界面的傳熱性和摩擦學(xué)行為十分復(fù)雜， 需要結(jié)合實(shí)驗(yàn)、 計(jì)算機(jī)建模和工業(yè)驗(yàn)證等才能做出定性和定量的研究。

HARDELL 等［2-3］使用高溫銷-盤往復(fù)摩擦試驗(yàn)機(jī)（ Optimol SRV， SRV 為德語(yǔ) Schwingung Reibung Verschleiβ 首字母縮寫） 展開了對(duì)熱成形硼鋼和模具鋼氧化層和近表面轉(zhuǎn)化層的摩擦學(xué)行為研究， 結(jié)果表明當(dāng)溫度從室溫上升到400 ℃時(shí)， 硼鋼表面會(huì)形成氧化層并出現(xiàn)加工硬化效應(yīng)， 并且導(dǎo)致摩擦磨損率會(huì)大幅度降低。 表面氧化層的形成高度依賴于摩擦軌道中保留磨損碎片的能力， 這與往復(fù)摩擦的方式強(qiáng)相關(guān)。增加載荷有利于磨屑的燒結(jié)和壓實(shí)， 從而產(chǎn)生更均勻的氧化層。 接觸表面的加工硬化有利于形成氧化層或機(jī)械混合層， 從而降低磨損率。 其中， 氧化層的組成與摩擦強(qiáng)度有關(guān)， 當(dāng)氧化層中的Fe3O4濃度越高時(shí)，摩擦強(qiáng)度越低， 這與1981 年KAYABA 和IWABUCHI［4］做的研究結(jié)論相符。

SOEMANTRI 等［5］為了研究25 ～400 ℃下純銅和純鋁的磨粒磨損率對(duì)于溫度的敏感性， 研制了一款高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。 FISCHER［6］基于對(duì)金屬材料在25～750 ℃之間進(jìn)行磨損形貌和磨損機(jī)制的研究， 研制了氣氛可控的高溫摩擦試驗(yàn)機(jī)， 可以較好地控制試驗(yàn)氣體氛圍以及加熱溫度、 接觸載荷、 相對(duì)速度、 材料等實(shí)驗(yàn)參數(shù)。 實(shí)驗(yàn)表明在同樣條件下有著良好的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)重復(fù)性， 但存在著諸如缺少冷卻系統(tǒng)、 磨料難以進(jìn)入摩擦面等不足。 國(guó)內(nèi)學(xué)者武文忠等［7］對(duì)FISCHER的試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行改進(jìn)， 用以模擬和研究高溫氧化腐蝕和磨料磨損交互作用， 發(fā)現(xiàn)該試驗(yàn)機(jī)在700 ～900 ℃溫度范圍內(nèi)顯示出良好的數(shù)據(jù)可重復(fù)性。 楊學(xué)軍等［8］設(shè)計(jì)開發(fā)了一臺(tái)采用銷-盤摩擦副結(jié)構(gòu)形式的高溫摩擦試驗(yàn)機(jī)， 可以很好地模擬高溫實(shí)際工況， 并能對(duì)材料的摩擦磨損性能進(jìn)行研究和評(píng)定。 國(guó)內(nèi)外也相繼推出相關(guān)的商用實(shí)驗(yàn)設(shè)備， 如蘭州中科凱華科技開發(fā)有限公司［9-10］、 CSM 公司［11-12］等。

DESSAIN 等［13］開發(fā)了一種上下模具按一定傾角布置的摩擦設(shè)備， 通過(guò)板料流入端和流出端的大小口設(shè)計(jì)， 實(shí)現(xiàn)較大壓力的摩擦過(guò)程的模擬。 同時(shí)， 較大的模具利于分析磨損黏結(jié)物的覆蓋情況。 但是該設(shè)備需要控制的過(guò)程參數(shù)較多， 大小端設(shè)計(jì)可能造成高溫下較軟的板料在摩擦過(guò)程中同時(shí)被拉伸， 其伸長(zhǎng)率和應(yīng)變率是否與熱成形工況一致還未可知。

HARDELL 等［2，14］利用往復(fù)摩擦試驗(yàn)機(jī)研究了不同模具鋼（表面處理和未處理） 與高強(qiáng)度硼鋼（涂層和未涂層） 滑動(dòng)的高溫摩擦學(xué)研究。 結(jié)果表明，Al-Si 涂層的高強(qiáng)度鋼與未處理和經(jīng)過(guò)等離子氮化表面處理的模具在干摩擦條件下的摩擦因數(shù)分別為1.1和0.9。 由于摩擦因數(shù)非常高并不能用于精確的有限元模擬仿真。 他們還測(cè)量了不同模具鋼（未處理、表面處理和涂層） 與（未涂層、 Al-Si 涂層和Al-Si涂層＋石墨） 超高強(qiáng)鋼在熱成形工況下滑移時(shí)的摩擦因數(shù)， 分別為0.65、 0.45 和0.4。 但對(duì)于熱成形工況下高強(qiáng)度硼鋼的摩擦磨損機(jī)制尚不清楚， 需要進(jìn)一步研究。

YANAGIDA 和AZUSHIMA［15］設(shè)計(jì)了滑移摩擦實(shí)驗(yàn)， 通過(guò)控制板料滑條劃過(guò)模具鋼銷時(shí)的過(guò)程參數(shù)，考察不同溫度下板料的摩擦學(xué)行為特性。 此外，AZUSHIMA 等［16］利用滑移摩擦試驗(yàn)設(shè)備測(cè)量了不同滑移距離下制備有鋁硅涂層的22MnB5 在干燥和潤(rùn)滑條件下的熱沖壓摩擦因數(shù)， 并研究了摩擦因數(shù)與模具表面粗糙度的關(guān)系。 結(jié)果表明， 在干燥條件下， 摩擦因數(shù)與模具表面粗糙度弱相關(guān)， 保持在0.55 左右；在潤(rùn)滑條件下， 摩擦因數(shù)降低， 摩擦因數(shù)在0.2 ～0.35 之間， 粗糙度影響顯著。 其中， 當(dāng)粗糙度較小時(shí)（Ra0.07 μm）， 由于表面光滑， 潤(rùn)滑劑的捕獲作用較小， 導(dǎo)致摩擦因數(shù)較高； 而粗糙度較大情況下（Ra0.2 μm、 0.5 μm）， 由于表面不均勻性較大， 粗糙表面與模具表面接觸， 也會(huì)導(dǎo)致摩擦因數(shù)較高。 潤(rùn)滑條件下， 模具和試樣之間的滑動(dòng)摩擦實(shí)際是發(fā)生在在較薄的均勻粘接鋁層和引入潤(rùn)滑劑的涂層之間的滑動(dòng)。 與之相近的研究見田曉薇［17］的工作。 但是這類實(shí)驗(yàn)中滑移距離均較短， 在嚴(yán)重黏結(jié)磨損情況下， 需要審慎地判斷接觸副中的黏結(jié)物斷裂-堆積不穩(wěn)定狀態(tài)， 與連續(xù)熱成形過(guò)程中復(fù)雜工況的一致性。 另一方面， 實(shí)驗(yàn)中的壓力均通過(guò)名義載荷計(jì)算， 實(shí)驗(yàn)所能達(dá)到的名義壓力均較低， 難以模擬熱成形中可能出現(xiàn)的較大壓力的摩擦情況。

因此， 模擬熱成形工況的高溫滑移摩擦試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)， 首先要能夠模擬模具鋼與熱成形板料組成的接觸副在長(zhǎng)距離滑移過(guò)程中的摩擦過(guò)程； 其次要能實(shí)現(xiàn)單向滑移摩擦的工況； 再者， 要考慮實(shí)際熱成形生產(chǎn)中板料從加熱爐轉(zhuǎn)移到工位期間溫度下降情況。 基于上述要求， 本文作者提出一種模擬熱成形工況的高溫滑移摩擦試驗(yàn)機(jī)方案， 并將試驗(yàn)機(jī)的初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果與銷-盤摩擦試驗(yàn)機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比， 分析2 種試驗(yàn)機(jī)的特點(diǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 高溫滑移摩擦試驗(yàn)機(jī)

提出的高溫單向滑移摩擦實(shí)驗(yàn)裝置， 如圖1 所示。 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中， 通過(guò)拉拽高溫板料滑條劃過(guò)固定的上下模具鋼銷的方式， 模擬熱成形過(guò)程中板料劃過(guò)模具的過(guò)程。 每次板料僅單向摩擦一次就用新的板料替換， 實(shí)驗(yàn)采用累積疊加滑移距離的方式模擬連續(xù)沖壓的摩擦過(guò)程。

圖1 高溫滑移摩擦試驗(yàn)機(jī)Fig.1 High-temperature tribometer： （a） structural schematic； （b） experimental setup

高溫單向滑移摩擦試驗(yàn)機(jī)主要由加熱爐、 模具鋼、 壓頭、 牽引裝置（磁鐵）、 伺服電機(jī)、 滾珠絲杠、 板料、 應(yīng)變片、 紅外測(cè)溫傳感器9 個(gè)部分組成。實(shí)驗(yàn)基本原理如下： 板料在加熱爐設(shè)定的溫度中加熱并保溫一段時(shí)間后， 啟動(dòng)交流電機(jī)和滾珠絲杠以及牽引裝置， 使得板料進(jìn)行勻速直線單向運(yùn)動(dòng)并與模具鋼進(jìn)行面面接觸。 此過(guò)程中通過(guò)應(yīng)變片測(cè)量拉力， 經(jīng)過(guò)NI ENET-9237 DAQ 數(shù)據(jù)采集器獲取拉力值Fd， 通過(guò)紅外線測(cè)溫傳感器測(cè)得滑條進(jìn)入摩擦工位前的溫度，并將采集的拉力和溫度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到PLC-LabVIEW 控制系統(tǒng)中。 紅外線測(cè)溫?cái)?shù)值通過(guò)實(shí)驗(yàn)前在滑條上焊接熱電偶進(jìn)行標(biāo)定。 實(shí)驗(yàn)采用固定質(zhì)量的壓頭， 因此認(rèn)為法向載荷Fn保持不變， 可根據(jù)公式（1） 計(jì)算摩擦因數(shù)μ。

用于實(shí)驗(yàn)的高溫滑條選用22MnB5 硼鋼板料（規(guī)格2 mm×20 mm×600 mm） 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)， 規(guī)格10 mm×10 mm×20 mm 的立方體模具鋼銷同樣由Toolox44 熱作鋼制成， 接觸表面為半徑為50 mm 的圓弧面， 這樣的設(shè)計(jì)是為了通過(guò)點(diǎn)接觸達(dá)到較大的壓力。 摩擦過(guò)程結(jié)束后， 取下已磨損的滑條， 更換新滑條， 重新置于加熱爐內(nèi)加熱至設(shè)定溫度并保溫一定時(shí)間， 由牽引裝置拽動(dòng)滑條開始新的摩擦過(guò)程。 這是為了確保模具鋼銷上的累積磨損始終是由“新鮮” 高溫板料所造成。實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表1 所示。 實(shí)驗(yàn)進(jìn)行2 次， 相關(guān)結(jié)果取2 次實(shí)驗(yàn)的平均值， 以保證可重復(fù)性。

表1 高溫摩擦實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)設(shè)定Table 1 Test parameters used in the high temperature tribological tests

1.2 銷-盤摩擦實(shí)驗(yàn)

為了對(duì)比高溫滑移摩擦試驗(yàn)結(jié)果， 同時(shí)進(jìn)行了銷-盤摩擦試驗(yàn)。 研究中采用的Optimol SRV 高溫往復(fù)摩擦試驗(yàn)機(jī)是一種典型的銷-盤式摩擦試驗(yàn)機(jī)， 它能加熱試樣至900 ℃。 如圖2 所示， 電磁驅(qū)動(dòng)使上部試樣（銷） 在固定的下部試樣（盤） 上往復(fù)摩擦。 上部試樣通過(guò)彈簧偏轉(zhuǎn)加載裝置加載在下部試樣上。 摩擦力是使用一對(duì)壓電傳感器測(cè)量的。 試驗(yàn)期間， 使用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)控制、 監(jiān)測(cè)和測(cè)量不同參數(shù)。

圖2 SRV 摩擦試驗(yàn)機(jī)Fig.2 SRV friction test machine

在實(shí)驗(yàn)中， 試樣盤由硼鋼（22MnB5） 制成， 處于未涂層狀態(tài)， 厚度為8 mm。 試樣銷由SSAB 公司提供的模具鋼Toolox44 制成， 其為直徑2 mm 的圓柱體， 材料參數(shù)見表2。 實(shí)驗(yàn)中試樣盤通過(guò)電阻加熱方式加溫至200～800 ℃。 基于開爾文電橋方式在摩擦盤的接觸表面邊緣安裝k 型熱電偶， 由NI 9219 數(shù)據(jù)采集卡記錄數(shù)據(jù)。 試驗(yàn)前后， 試樣均被置于正庚烷和乙醇中進(jìn)行超聲波清洗， 實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表3。 每一組實(shí)驗(yàn)均進(jìn)行2 次， 摩擦因數(shù)及磨損量取兩次實(shí)驗(yàn)平均值， 以保證可重復(fù)性。

表2 合金成分（余量成分是Fe）、初始硬度及表面粗糙度Table 2 Alloying composition （Fe makes up the balance），initial hardness and surface roughness

表3 銷-盤高溫摩擦實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)設(shè)定Table 3 Test parameters used in high temperature tribological tests

2 結(jié)果與分析

2.1 高溫滑移摩擦實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3 所示為實(shí)驗(yàn)中滑條在進(jìn)入摩擦工位前的實(shí)時(shí)溫度曲線， 通過(guò)紅外傳感器測(cè)量實(shí)際溫度為750 ℃，與表1 中實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定的滑條溫度保持一致。 圖3 中的實(shí)時(shí)溫度曲線前段和后段溫度略低于設(shè)定溫度， 這是由于加熱爐前后端有開口， 因此導(dǎo)致其中加熱的滑條前后段溫度略低。

圖3 紅外線測(cè)量傳感器測(cè)量所得滑條在進(jìn)入摩擦工位前的實(shí)時(shí)溫度Fig.3 Real-time temperature of the slide strip measured by infrared sensor before it enters the friction station

根據(jù)Hertz 接觸理論［18］， 圓弧接觸面得到的點(diǎn)接觸方式可以達(dá)到較大的接觸面積。 文中實(shí)驗(yàn)載荷為50 N， 由公式（2） 計(jì)算得到接觸壓力為160 MPa，基本達(dá)到熱成形過(guò)程中最大壓力區(qū)間。 但是在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)， 第一次滑條試驗(yàn)后， 點(diǎn)接觸迅速演化成面接觸， 在連續(xù)更換滑條進(jìn)行累積摩擦實(shí)驗(yàn)中， 接觸面積較為穩(wěn)定地保持在3.14 mm2， 如圖4 所示， 至此壓力降為16 MPa。

圖4 高溫摩擦滑移60 cm 后試樣盤SEM形貌（磨痕中深色部分為氧化物）Fig.4 SEM morphology of the sample disk after 60 cm of sliding distance under high temperature friction （the dark part of the wear marks is oxide）

圖5 所示是連續(xù)進(jìn)行3 次滑移摩擦試驗(yàn)所得的摩擦因數(shù)， 摩擦因數(shù)呈現(xiàn)了較好的連貫性。 第一次滑移過(guò)程中出現(xiàn)摩擦因數(shù)明顯上升又回落的磨合現(xiàn)象， 這是因?yàn)楣鉂嵞＞咪撲N表面發(fā)生材料轉(zhuǎn)移形成了磨損顆粒， 造成摩擦阻力瞬間上升， 在隨后的滑移過(guò)程中被逐漸壓平， 造成摩擦因數(shù)回落。 在第二和第三次滑移的初始階段， 摩擦因數(shù)呈現(xiàn)由低上升， 這是由于更換了新的滑條， 粘結(jié)在模具鋼銷上的磨損顆粒已經(jīng)被基本壓平， 重新在光潔的滑條上摩擦， 呈現(xiàn)較低的摩擦因數(shù)。 隨著材料轉(zhuǎn)移的發(fā)生， 越來(lái)越多的磨損顆粒形成， 進(jìn)而摩擦因數(shù)快速上升， 當(dāng)重新形成一個(gè)磨屑層破裂剝離和磨損顆粒被壓平形成新的磨屑層的平衡階段， 摩擦因數(shù)表現(xiàn)為一個(gè)穩(wěn)定區(qū)間內(nèi)波動(dòng)。

圖5 高溫滑移摩擦實(shí)驗(yàn)所得的摩擦因數(shù)Fig.5 Friction coefficient obtained from high temperature slip friction experiment

2.2 銷-盤摩擦實(shí)驗(yàn)在800 ℃溫度下的結(jié)果

圖6 所示為實(shí)驗(yàn)溫度設(shè)為200 ℃時(shí)摩擦盤上表面邊緣的實(shí)時(shí)測(cè)量溫度。 通過(guò)熱電偶的方式測(cè)量實(shí)驗(yàn)中硼鋼試樣的實(shí)際溫度， 實(shí)際摩擦實(shí)驗(yàn)在加熱300 s 后進(jìn)行， 以確保試樣與實(shí)際板料加熱時(shí)間一致。 當(dāng)摩擦盤溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)， 摩擦實(shí)驗(yàn)開始進(jìn)行。 在實(shí)驗(yàn)起始階段， 摩擦盤經(jīng)歷快速升溫， 直至略高于設(shè)定溫度。 在電控系統(tǒng)控制下， 大約100 s 后摩擦盤溫度趨于穩(wěn)定， 略低于設(shè)定溫度， 這可能是由于電偶片安裝在試樣邊緣部位所致。 值得注意的是， 圖6 中持續(xù)400 s 的記錄中， 并未發(fā)現(xiàn)加熱模塊和摩擦過(guò)程中的摩擦生熱對(duì)試樣溫度產(chǎn)生顯著的“溫度沖擊”， 這表明SRV 試驗(yàn)機(jī)的加熱模塊在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)有較好的一致性。

圖6 實(shí)驗(yàn)溫度為200 ℃時(shí)摩擦盤上表面邊緣的實(shí)時(shí)溫度Fig.6 Real-time temperature of the upper surface edge of the friction disk under the experimental temperature of 200 ℃

圖7 所示為4 次銷-盤摩擦實(shí)驗(yàn)所得的摩擦因數(shù)曲線。 銷-盤實(shí)驗(yàn)中， 隨著實(shí)驗(yàn)溫度升高， 氧化物覆蓋層逐漸覆蓋摩擦軌道， 磨損機(jī)制從三體磨粒磨損逐漸過(guò)渡到黏著磨損， 如圖8 所示可以清晰地看到氧化物覆蓋層越來(lái)越大。 文中選取實(shí)驗(yàn)溫度接近實(shí)際熱成形接觸副的溫度（800 ℃） 下的結(jié)果進(jìn)行分析。 當(dāng)控制硼鋼試樣盤的溫度到達(dá)800 ℃時(shí)， 高溫工況下表面的金屬合金氧化速率會(huì)提高［19］， 在第一、 第二次實(shí)驗(yàn)初始階段產(chǎn)生較多磨屑， 且高溫下硼鋼試樣較軟，試樣銷陷入摩擦軌道內(nèi)遇到較大阻力， 因而摩擦因數(shù)驟升超過(guò)2.5， 激發(fā)了設(shè)備保護(hù)機(jī)制， 導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)停止（如圖7 所示）。 第三、 第四次實(shí)驗(yàn)并未出現(xiàn)摩擦因數(shù)驟升的現(xiàn)象， 但是較多的氧化物和磨屑在摩擦過(guò)程中被反復(fù)壓實(shí)在摩擦軌道內(nèi)， 形成了磨屑層， 如圖8所示。 根據(jù)BENAVIDES［20］研究結(jié)果， 在嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)條件一致性之下， 摩擦實(shí)驗(yàn)所得摩擦因數(shù)的差異仍能達(dá)到20%左右。 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的高溫造成了較多的氧化物， 其混合著磨屑在摩擦軌道內(nèi)實(shí)質(zhì)性地影響了摩擦學(xué)行為特征， 應(yīng)引起研究者注意。 隨著摩擦過(guò)程的進(jìn)行， 堆積的磨屑造成摩擦因數(shù)持續(xù)升高， 同時(shí)在磨屑層表面出現(xiàn)了明顯的劃痕， 表明磨屑層顯著地阻礙了模具鋼銷和硼鋼盤試樣的直接接觸。 在模具鋼銷和硼鋼盤上均發(fā)現(xiàn)了大面積覆蓋的磨屑層和磨屑層上的劃痕， 一定程度上解釋了摩擦過(guò)程中摩擦因數(shù)回落的現(xiàn)象。 這是因?yàn)槟バ紝颖环磸?fù)壓實(shí)之后， 相互接觸中的摩擦阻力較低， 當(dāng)磨屑層堆積到某個(gè)厚度閾值，磨屑層破裂， 使得銷、 盤直接接觸， 摩擦因數(shù)再次升高， 造成摩擦因數(shù)起伏不定。 同時(shí)， 在第三、 第四次實(shí)驗(yàn)中未觸發(fā)設(shè)備保護(hù)機(jī)制， 摩擦因數(shù)整體是逐漸升高的， 這是歸結(jié)于硼鋼盤在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中由于熱效應(yīng)變軟， 銷更容易陷入摩擦軌道， 造成了更大的摩擦阻力。

圖7 4 次銷-盤摩擦實(shí)驗(yàn)所得的摩擦因數(shù)曲線Fig.7 Friction coefficient curves obtained from four pin-disc friction experiments

圖8 試樣盤不同溫度下試驗(yàn)后SEM 形貌Fig.8 SEM morphology of sample disc after test at different temperature： （a） room temperature；（b） 400 ℃； （c） 800 ℃

2.3 2 種摩擦實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較和討論

2 種實(shí)驗(yàn)方案在運(yùn)動(dòng)方式上最大的區(qū)別是銷-盤實(shí)驗(yàn)的摩擦副在實(shí)驗(yàn)中是不更換的， 模具鋼銷在較短的摩擦軌道內(nèi)往復(fù)摩擦， 導(dǎo)致磨損顆粒持續(xù)累積。 而高溫滑移摩擦實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)中通過(guò)更換滑條， 使模具鋼銷始終在“新鮮” 的硼鋼滑條上摩擦， 這一點(diǎn)更加符合熱成形的實(shí)際工況。 不一樣的試驗(yàn)機(jī)運(yùn)動(dòng)方式直接導(dǎo)致了2 種實(shí)驗(yàn)所得摩擦因數(shù)有較大差異。 比較圖5 和圖7 可看出， 銷-盤摩擦實(shí)驗(yàn)所得摩擦因數(shù)在1以上， 而高溫滑移摩擦實(shí)驗(yàn)所得摩擦因數(shù)在0.85 左右。 但是， 即便是由高溫滑移摩擦實(shí)驗(yàn)所得的較低摩擦因數(shù)， 仍然高于普遍認(rèn)為的熱成形摩擦因數(shù)（為0.3～0.6， 取決于接觸副中是否存在涂層）。 文獻(xiàn)［21］在熱成形過(guò)程的有限元工藝分析中， 采用了摩擦因數(shù)為0.2 的較低摩擦因數(shù)模型。 這往往是因?yàn)橛邢拊Ｐ驮诮佑|轉(zhuǎn)角處單元較小， 造成局部接觸剛度較高， 較低的摩擦因數(shù)能避免模型對(duì)板料破裂的誤判。 再者， 在熱成形過(guò)程中板料與模具實(shí)際接觸的空間和時(shí)間均不連續(xù)， 而在實(shí)驗(yàn)中保持了固定的壓力和接觸面積， 形成了更多的黏結(jié)摩擦， 所以摩擦阻力更大。 在銷-盤摩擦試驗(yàn)機(jī)中采用較高壓力（如10 MPa及以上）， 常溫下較硬的模具鋼銷容易嵌入高溫下相對(duì)較軟的對(duì)摩材料， 導(dǎo)致試驗(yàn)機(jī)保護(hù)性停車， 如圖7中曲線1 和2 所示。 高溫滑移摩擦試驗(yàn)機(jī)中相對(duì)較大的模具鋼銷接觸面， 可以通過(guò)制備成圓弧接觸面的方式， 通過(guò)點(diǎn)接觸達(dá)到較大的接觸壓力。 但是， 隨著點(diǎn)接觸在摩擦過(guò)程中被磨損至面接觸， 在較大載荷下，高溫滑條會(huì)被拉斷。 這涉及到接觸副中的名義壓力和局部實(shí)際壓力， 將在后續(xù)論文中詳細(xì)討論。

銷-盤摩擦實(shí)驗(yàn)中有較多的磨屑堆積在摩擦軌道內(nèi)， 使得摩擦過(guò)程實(shí)際發(fā)生在銷、 盤各自表面的磨屑層之間， 在往復(fù)滑動(dòng)過(guò)程中磨屑剝落并逐漸被壓實(shí)導(dǎo)致無(wú)法脫離摩擦軌道， 而且高溫下的氧化物生成較快，在實(shí)驗(yàn)中基于質(zhì)量損失計(jì)算的磨損量分析中， 銷-盤摩擦實(shí)驗(yàn)所得的硼鋼盤磨損量為負(fù)數(shù)， 即質(zhì)量增長(zhǎng)， 模具鋼銷磨損量也較小。 在高溫滑移摩擦實(shí)驗(yàn)中， 雖然部分磨損黏結(jié)物聚集在摩擦副內(nèi)， 但是測(cè)量所得磨損量為正數(shù)， 即質(zhì)量損失。 模具鋼在銷-盤摩擦實(shí)驗(yàn)和高溫滑移摩擦實(shí)驗(yàn)中的磨損率k（mm3／（N·m））， 如公式（3） 所示。

式中：V為模具鋼銷磨損體積（mm3）；Fn為實(shí)驗(yàn)正壓力（N）；S為摩擦距離（m）。

由式（3） 計(jì)算得到， 銷-盤摩擦實(shí)驗(yàn)?zāi)p率為-3.13×10-5mm3／（N·m）， 高溫滑移摩擦實(shí)驗(yàn)測(cè)量所得磨損率為4.53×10-4mm3／（N·m）。

從磨痕形貌、 摩擦因數(shù)和磨損率3 個(gè)方面來(lái)看，高溫滑移摩擦實(shí)驗(yàn)相較于銷-盤摩擦實(shí)驗(yàn)更準(zhǔn)確地模擬了熱成形過(guò)程中模具持續(xù)在“新鮮” 高溫板料上的摩擦行為， 更加有利于對(duì)熱成形工況下的摩擦學(xué)行為展開特征分析和磨損的定量分析。 其次， 它通過(guò)更換滑條實(shí)現(xiàn)模具鋼銷長(zhǎng)距離的摩擦過(guò)程， 可以很好地模擬連續(xù)沖壓過(guò)程中模具鋼的累積磨損行為， 其磨屑在接觸副內(nèi)的運(yùn)動(dòng)也呈現(xiàn)出堆積-壓平-斷裂的“動(dòng)態(tài)” 過(guò)程。 但是， 銷-盤摩擦實(shí)驗(yàn)仍然是目前被用來(lái)研究工藝參數(shù)對(duì)摩擦學(xué)特性影響的重要手段［16，22］。相對(duì)于高溫滑移實(shí)驗(yàn)所得磨屑行為的動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程，銷-盤摩擦實(shí)驗(yàn)接觸副之間的磨屑行為較為“穩(wěn)定”，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中磨屑層會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)至某個(gè)穩(wěn)定閾值再剝離， 便于做截面觀測(cè)和定性分析。 近年來(lái)， 它被用來(lái)研究鋁合金熱成形過(guò)程中的涂層和磨屑層之間的作用機(jī)制［23］， 因?yàn)殇X合金板料在熱成形工況下黏結(jié)磨損發(fā)展較快， 在較短時(shí)間內(nèi)就會(huì)形成可測(cè)量的磨損堆積物。

高溫滑移摩擦實(shí)驗(yàn)需要控制參數(shù)較多， 首先， 模具鋼銷的接觸面形狀直接決定名義接觸面積和壓力，文中實(shí)驗(yàn)采用圓弧接觸面， 形成點(diǎn)接觸以期到達(dá)較大的壓力， 但是其在首次滑移過(guò)程中就迅速演化成面接觸， 導(dǎo)致壓力顯著降低， 較難保證實(shí)驗(yàn)參數(shù)穩(wěn)定。 而采用平面模具銷， 容易在邊緣區(qū)域引起幾何應(yīng)力集中， 在大載荷的測(cè)試中導(dǎo)致高溫滑條拉斷。 其次， 在對(duì)板料加熱過(guò)程中， 滑條端部始終被室溫的夾具裝夾， 需要用點(diǎn)紅外測(cè)溫設(shè)備確保摩擦過(guò)程前滑條整體達(dá)到均衡的實(shí)驗(yàn)溫度。 再者， 通過(guò)更換板料滑條的方式實(shí)現(xiàn)模具鋼表面累積磨損的方式需要重新裝夾滑條， 加上嚴(yán)格的滑條和銷對(duì)中性要求， 會(huì)導(dǎo)致磨損過(guò)程的加速效率較低。 最后， 目前實(shí)驗(yàn)設(shè)備無(wú)法開展板料在一定應(yīng)變率下的摩擦學(xué)行為研究。

3 結(jié)論

針對(duì)熱成形的過(guò)程中的摩擦行為展開了研究， 通過(guò)開展銷-盤摩擦實(shí)驗(yàn)和高溫滑移摩擦實(shí)驗(yàn)， 對(duì)兩種實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)和所得結(jié)果與實(shí)際熱成形工況進(jìn)行了探討。 總結(jié)及展望如下：

（1） 銷-盤摩擦實(shí)驗(yàn)中磨屑被反復(fù)壓實(shí)在摩擦軌道內(nèi)， 在黏結(jié)磨損為主的情況下導(dǎo)致摩擦過(guò)程實(shí)際發(fā)生在銷、 盤表面的磨屑層之間。

（2） 高溫滑移摩擦實(shí)驗(yàn)中通過(guò)更換板料滑條的方式， 使得模具鋼銷始終在“新鮮” 的板料上摩擦，符合實(shí)際的熱成形工況。

（3） 雖然從實(shí)驗(yàn)所得的摩擦因數(shù)和磨損量來(lái)看，銷-盤摩擦實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與熱成形實(shí)際有差異， 但是其摩擦軌道內(nèi)磨屑持續(xù)壓實(shí)-剝落的行為利于展開對(duì)黏結(jié)磨損行為的定量分析。

（4） 熱成形摩擦過(guò)程因素較多， 高溫滑移摩擦實(shí)驗(yàn)今后會(huì)考慮板料在沖壓中的變形因素及開展接觸副形貌變化規(guī)律的研究。