（机械制造及其自动化专业论文）基于固液润滑的金属拉深件成形裂纹状态研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 本论文以提高拉深件成形质量为目标，选取金属畚斗制件为研究对象，采用 声发射技术对拉深成形中裂纹进行识别，展开了聚四氟乙烯和石墨固体润滑涂层 与液体石蜡复合润滑下的拉深成形状态研究。通过对固一液润滑基本原理分析， 结合数值模拟并经过实验，得出固一液复合润滑时能取得最佳润滑效果，克服了 早期裂纹的产生，从而达到理想的成形质量。其主要内容和结果表现在以下几个 方面： 首先，基于板料塑性成形过程中的滑动摩擦理论，详细探讨了拉深成形时的 应力分布情况，并对拉深成形中的摩擦特点展开了分析，建立了模具表面不同区 域中的摩擦模型。同时还分析了固体润滑和液体润滑的主要类型及优缺点，为固 一液润滑材料的选择提供了理论基础。 其次，由于拉深成形过程裂纹产生时声发射信号的非线性、非平稳特点，确 定了采用局域波法提取拉深件裂纹声发射信号的方案，借助m a t l a b 软件将原始 声发射信号进行局域波分解，得到自适应的本征模函数分量，再提取各i m f 的能 量值组成声发射特征参数。 再次，为了研究摩擦系数对畚斗拉深成形裂纹状态的影响，基于d y n a f o r m 有限元分析软件建立了三维有限元模型，对曲面制件畚斗的拉深过程进行数值模 拟，研究了摩擦系数对畚斗拉深成形裂纹状态的影响。同时在对聚四氟乙烯、石 墨、锡青铜材料性质和制备工艺分析的基础上，选用高压喷涂的方式喷涂在待拉 深板料的表面，制得含有固体润滑涂层的板料。 最后，为了考察固一液复合润滑对拉深成形时裂纹状态的影响，对畚斗拉深 件进行了实验研究。同时采集不同润滑组下板料拉深过程中的声发射信号，对采 集到的信号进行局域波分解生成特征值，并计算出无裂纹及明显裂纹两种状态下 的马氏距离作为标准值，通过对其他组的马氏距离与标准值进行比较，判断出制 件处于的状态，实现拉深件裂纹状态的识别。 研究结果表明：摩擦系数对拉深过程的裂纹产生影响较大，畚斗在固一液复 合润滑下成形质量比单一的固体润滑或液体润滑下的成形质量要好，尤其当聚四 i 基于固液润滑的金属拉深件成形裂纹状态研究 氟乙烯与石墨含量之比为2 5 ：1 时，能够起到最佳的润滑效果，从而克服了早 期裂纹的产生。 关键词：拉深件，声发射，固液润滑，聚四氟乙烯，石墨 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep u r p o s eo ft h i ss t u d yi st oi m p r o v et h eq u a l i t yo fd r a w i n gp a r t ，t a k et h e m e t a lb u c k e ta sr e s e a r c ho b j e c t ，s e l e c tt h ea c o u s t i ce m i s s i o nt e c h n o l o g yt oi d e n t i f yt h e c r a c ks t a t eo fd e e pd r a w i n gp a r ta n dt h ef o r m i n gs t a t eu n d e rb o n d e dp r n 砸a n d b o n d e dg r a p h i t es o l i dl u b r i c a t i n gc o a t i n gw i t hl u b r i c a t i o no fl i q u i dp a r a f f i nw e r e i n v e s t i g a t e d b a s e do nt h e b a s i c p r i n c i p l ea n a l y s i s o f s o l i d l i q u i dc o m p o u n d l u b r i c a t i o n ，c o m b i n e dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h eb e s t l u b r i c a t i n ge f f e c tc a n b eo b t a i n e du n d e rs o l i d l i q u i dc o m p o u n dl u b r i c a t i o nc o n d i t i o n s ， o v e r c o m et h ee a r l yc r a c k s ，t h u sa c h i e v et h ei d e a lf o r m i n gq u a l i t y , t h em a i nc o n t e n t s a n dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： f i r s to fa l l ，r e s e a r c h e dt h et h e o r yo fs l i d i n gf r i c t i o nw h i c hi nt h ep l a s t i cf o r m i n g p r o c e s so fs h e e tm e t a l ，a n da l s od e t a i l e da n a l y z e dt h es t r e s sd i s t r i b u t i o na n dt h e f r i c t i o nc h a r a c t e r so ft h ep a r td u r i n gd e e pd r a w i n g ，a n db u i l tt h ef r i c t i o nm o d e lo f d i f f e r e n ta r e a si nt h em o u l ds u r f a c ew h i c hi nt h ef o r m i n gp r o c e s s t h e na n a l y z e dt h e m a i nt y p e so fs o l i dl u b r i c a t i n ga n dl i q u i dl u b r i c a t i n g ，a sw e l la si n t r o d u c e dt h e i r a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sr e s p e c t i v e l y , i no r d e rt op r o v i d et h eb a s e dt h e o r e t i c a lo f s o l i d l i q u i dc o m p o u n dl u b r i c a t i n gc h o o s i n g s e c o n d l y , t h ec r a c ka es i g n a l sp r o c e s s i n gs c h e m eo ft h em e t a ld e e pd r a w i n g p a r t s w a sd e t e r m i n e d ，w h i c hi sb a s e do nt h e l o c a lw a v em e t h o dd u et ot h e n o n s t a t i o n a r ya n dn o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c so fc r a c ka es i g n a l sf r o mt h em e t a ld e e p d r a w i n gp a r t s t h el o c a l w a v ed e c o m p o s i t i o no fa c o u s t i ce m i s s i o ns i g n a l sw a s a c h i e v e dt og e tt h ea d a p t i v ei n t r i n s i cm o d ef u n c t i o n sb yt h em a t l a bs o f t w a r e ，t h e n e x t r a c tt h ee n e r g yv a l u eo fe a c hi m f ( i n t r i n s i cm o d ef u n c t i o n ) a st h ei n i t i a l c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s t h i r d l y , t h r o u g ht h ee s t a b l i s h m e n to f3 df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e l ，t h ed e e p d r a w i n gp r o c e s so fc u r v e dp a r t sb u c k e tw e r es i m u l a t e dn u m e r i c a l l yb a s e do nt h e f i n i t ee l e m e n tm o d e lo fd y n a f o r m s o f t w a r e a n a l y z e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dt h es h e e tm e t a lc r a c k ，r e s e a r c h e dt h ei n f l u e n c eb e t w e e nt h e i i i 基于固液润滑的金属拉深件成形裂纹状态研究 d e e pd r a w i n gc r a c ks t a t e so ft h eb u c k e tw i t hf r i c t i o nc o e f f i c i e n t s b ya n a l y z i n g m a t e r i a ln a t u r eu s e di nt h ee x p e r i m e n t sa n dp r e p a r a t i o nt e c h n o l o g yo fp t f e g r a p h i t e a n db r o n z e ，t h eb o n d e dl u b r i c a t i n gc o a t i n g sb yh i g hp r e s s u r es p r a y f i n a l l y ，i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c eo ft h ec r a c ko fd r a w i n gp a r t su n d e r t h es o l i d o i lc o m p o s i t el u b r i c a t i o n ，t h ei d e n t i f i c a t i o nt e s to ft h ef o r m i n gc r a c kt ot h e b u c k e tp a r t sw a sd o n e e x t r a c tt h ea es i g n a l sf r o mt h ed r a w i n gp a r tu n d e rd i f f e r e n t l u b r i c a t i o nc o n d i t i o n s ，a n dt h ec o l l e c t e ds i g n a l sw e r ep r o c e s s e db yl o c a lw a v e d e c o m p o s i t i o nt oe x t r a c tc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s t h ee x p e r i m e n t a ld a t ab e t w e e nt h e n o r m a lc o n d i t i o na n dt h ea p p a r e n tc r a c ks t a t ew a sc o m p u t e da st h es t a n d a r dr e f e r e n c e v a l u eb yt h es i m p l em a h a l a n o b i sd i s t a n c em e t h o d ，t h e nc o m p a r et h em a t h a l a n o b i s d i s t a n c ew i t ht h es t a n d a r dr e f e r e n c ev a l u e ，j u d g et h es t a t eb yt h er e s u l ta n da c h i e v e t h em o l d i n gq u a l i t ys t a t er e c o g n i t i o no ft h em e t a ld r a w i n g p a n s t h er e s u l t ss h o wt h a t ：t h ec o e f f i c i e n t so ff r i c t i o nh a v eo b v i o u si m p a c to nc r a c k s d u r i n gt h ed e e pd r a w i n gp r o c e s s ，t h eb u c k e th a st h eb e t t e rq u a l i t yu n d e rs o l i d l i q u i d c o m p o u n dl u b r i c a t i o nc o n d i t i o n st h a ns i n g l es o l i do rl i q u i dl u b r i c a t i o nf r o mt h er e s u l t o ft h em o l d i n gq u a l i t ys t a t er e c o g n i t i o no ft h em e t a ld r a w i n gp a r t s ，a n dt h eb e s t l u b r i c a t i n ge f f e c tc a nb eo b t a i n e de s p e c i a l l yw h e nt h er a t i ob e t w e e nt h ep t f e a n dt h e g r a p h i t ei s2 5 ：1 ，a n do v e r c o m et h ee a r l yc r a c k s k e y w o r d s ：d e e pd r a w i n gp a n s ，a c o u s t i ce m i s s i o n ，s o l i d - l i q u i dc o m p o u n dl u b r i c a t i n g , p t f e ，g r a p h i t e i v 江苏大学硕士学位论文 1 1前言 第一章绪论 摩擦学是- f - j 研究表面摩擦行为的技术科学，属于一门很边缘的学科。其研 究范围广泛，涉及多种学科领域，如物理、化学、工程力学、冶金学、机械工程、 材料科学、石油化工等。如果能够严格控制摩擦损耗，防止或转变危害性磨损， 将已有摩擦学知识运用于生产，无疑会获得惊人的经济效益。许多先进工业国家 都很重视摩擦学的研究、发展和应用。据统计，摩擦约消耗了全世界3 0 以上的 一次性能源，磨损已造成了约6 0 的机械材料损耗晗1 。随着科学技术的发展，很 多机械设备工作条件日益苛刻，要求零件必须有耐摩擦、耐高温等性能。实践证 明采用先进润滑材料和润滑技术，不仅可以使机械设备在苛刻工况条件下能持久 稳定地工作，而且可以降低摩擦磨损，减少维护及停工损耗，大幅度提高机械设 备的工作效率，在节约能源和减少材料消耗，延长使用寿命，提高综合经济效益 方面具有极大潜力口1 。 在金属塑性成形中，板料拉深成形是现代工业中一种非常重要的加工方法， 它广泛应用于航空航天、机械电子仪器仪表、汽车工业、钢铁工业等领域h 1 。在 金属板料加工过程中，将不可避免地产生摩擦，如拉深、轧制、冷弯、锻压等相 互接触的坯料与工具之间均存在摩擦瞄1 。由于摩擦的作用，一方面摩擦会引起金 属变形不均阳3 ，影响产品的外观甚至产品的质量与性能；另一方面，工具会受到 摩擦磨损从而缩短使用寿命，进而影响工件的表面质量。如果说摩擦能引起能量 的转换，那么磨损则会导致表面损坏和材料损耗，而润滑则是降低摩擦和减少磨 损的最有效措施。因此，润滑设计对于节约能源和原材料，延长机械设备使用寿 命和提高工作可靠性具有重要意义。 1 2 课题来源及研究的目的意义 据统计，全世界大约有4 0 的能源是由于摩擦而被消耗的，所用的能源中约 3 0 5 0 消耗于机械零部件间的摩擦，而机械零件8 0 失效也是由于摩擦盯一1 。 基于固液润滑的金属拉深件成形裂纹状态研究 在中国工程院咨询项目摩擦学科学及工程应用现状与发展战略研究的调查结 果揭示：我国在2 0 0 6 年因摩擦、磨损而造成的损失约高达9 5 0 0 亿元，而通过运 用摩擦学知识和研究成果至少可节约3 2 7 0 多亿元悖1 。摩擦引起能量消耗；磨损 导致机械零件表面损伤，进而使得机械设备失效；而润滑则是降低摩擦、控制磨 损最有效的措施。因此，选择合理的润滑方法对节约能源，延长机械设备使用寿 命和提高工作可靠性具有重要意义。 金属拉深成形是一种高效、节能、高材料利用率的工艺加工方法，常用来加 工筒形、阶梯形、锥形等不规则形状的薄壁制件。拉深通常与其他) j n t 冲压成形 工艺组合，制造出形状复杂的零部件。在金属塑性加工过程中，如拉深、轧制、 冷弯、锻压等相互接触的坯料与工具之间均存在摩擦，其中的摩擦既不同于传动 过程中的流体摩擦机理，也不同于普通物理学中广泛采用的库仑摩擦机理，而是 处于两者之间的“混合摩擦 或“边界摩擦机理。并且这种摩擦状态与板料表 面及模具表面的接触压力、表面摩擦系数、温度、材料、以及板料的变形程度等 许多因素有关，是一种非常复杂的摩擦机理n 们。摩擦给金属板料成形带来了很大 的影响：改变了金属的流动范围；改变了金属的变形方式；改变了应力应变分布； 影响了金属的变形温度；影响金属成形极限和零件质量；使载荷和能耗增大；造 成工具磨损失效；改变滑移速度n 。拉深成形过程中，板料产生塑性变形，材料 被转移和重新分布，表面上冲压成形过程看似简单，但实际上，它是一个非常复 杂的、多重非线性交叉的力学过程，此时的内部应力和应变十分复杂，板料与模 具之间、金属板料内部各部分之间都不可避免地要产生摩擦，由于拉深过程时没 有得到很好的润滑，许多拉深件的关键部位出现裂纹，在生产过程中可能会产生 成批的废品，给企业带来了巨大经济损失的实例非常之多。 润滑技术通过在相互接触的摩擦表面之间添加润滑材料，在表面形成润滑油 膜以避免两摩擦表面的直接接触，通过润滑油膜建立有较高法向承载能力和较低 切向阻力的润滑涂层，从而达到减少摩擦磨损的目的。同时，润滑油膜还兼有减 振、降噪、除锈和散热等作用n 羽。在很多实际生产中，为了提高板料的拉深成形 性能以及保证制件较好的表面光洁度，很多产品在塑性成形过程中均采取了润滑 措施。尤其对于一些复杂的制件或者板料较薄、塑性较差的材料进行拉深时，应 尽可能地提高板料的拉深性能，合理提高润滑效果，使原本易出现缺陷的拉深制 江苏大学硕士学位论文 件现在能顺利成形并获得良好的成形质量n 。由于在拉深过程中，内部的应力和 应变十分复杂，导致对板料拉深成形时的裂纹状态研究变得更加复杂。因此，积 极开展基于固液复合润滑状态下的金属板料拉深裂纹状态研究有着极为深远的 意义。 针对上述情况，本课题选用畚斗拉深件为研究对象，以聚四氟乙烯和石墨组 合成的粘结型固体润滑涂层为固体润滑材料，液体石蜡为液体润滑材料，研究了 固液复合润滑相对于单一固体润滑或液体润滑在板料拉深中的优越性，并通过 拉深结果对比得出粘结型润滑涂层中聚四氟乙烯与石墨含量的最佳配比。为了考 察摩擦系数对拉深件裂纹情况的影响，运用d y n a f o r m 软件对畚斗拉深成形 过程进行了模拟。同时，为了研究板料成形裂纹状态与声发射信号之间的联系， 先对拉深过程采集得到的信号进行局域波分解，取其能量值作为特征参数，选择 马氏距离判别法对不同润滑状态下拉深件的裂纹状态进行判别。通过对固一液润 滑基本原理分析，结合数值模拟并经过实验，得出固一液复合润滑时能取得最佳 润滑效果，克服了早期裂纹的产生，从而达到理想的成形状态。因此，本课题的 研究不但对金属拉深润滑工艺方面具有重要意义，而且对板料拉深成形裂纹状态 的研究也具有重要意义。 1 3 本课题的国内外研究现状 1 3 1 固液润滑理论研究 兰州大学化学化工学院的杨瑞杰等人n 踟为了探讨不同滑移速度和载荷下聚 酰亚胺粘结聚四氟乙烯( p t f e ) 基固体润滑涂层在于摩擦和油润滑时的摩擦磨损 性能，对制备出的粘结固体润滑涂层进行摩擦磨损实验。研究发现当随载荷、滑 移速度变化时，粘结固体润滑涂层干摩擦和油润滑下的摩擦系数均变化不大，而 油润滑下涂层的摩擦系数明显小于干摩擦下的摩擦系数。在载荷较低、滑动速度 慢的情况下，润滑油使固体润滑涂层表现出很好的摩擦磨损性能，但在载荷较高、 滑动速度快下润滑油反而会使涂层的摩擦磨损性能降低。 赵晓琴等人n 町为了对比液体石蜡对纳米涂层与微米涂层的润滑效果，分别制 备了两种陶瓷涂层。考察了纳米和微米结构a 乞0 3 t i 0 2 这两种陶瓷涂层在液体 石蜡的润滑下与不锈钢球摩擦副的摩擦性能，通过实验结果分析与磨损机理的探 3 基于固液润滑的金属拉深件成形裂纹状态研究 讨，得出液体石蜡能有效降低纳米a 厶0 3 r i o , 涂层与不锈钢球摩擦副的摩擦系 数和磨损率，而液体石蜡对微米涂层的润滑效果并不明显。通过含有涂层的不锈 钢摩擦副对偶磨斑直径对比得知，微米涂层的摩擦系数是纳米涂层的三倍，而磨 损率增加了7 0 倍以上。通过分析得出纳米涂层的磨损机制在低载荷下是轻微的 黏着磨损，高载荷下是摩擦抛光，而微米涂层的磨损机制是晶粒脆性断裂。 中国地质大学的刘沅东等人n 劫以提高g c r l 5 钢的耐磨性和承载能力为目标， 采用低温离子渗硫技术在g c r l 5 钢的表面制备一层f e s 固体润滑薄膜，在基础油 与2 种含硫极压抗磨添加剂润滑条件下g c r l 5 钢渗硫前后进行摩擦学性能对比 研究。并在自制g w l 一1 0 0 0 型球一盘试验机上进行摩擦磨损实验，选择循环滴油 方式进行润滑，利用s e m 对磨损表面的形貌进行观察，选用x p s 对摩擦表面的润 滑膜化合物的价态及元素随深度变化进行了分析。通过对比研究发现，相对于基 础圆盘，渗硫层与添加剂的复合润滑并没有提高轴承钢的承载能力。表面的硫化 层阻碍了润滑油中的添加剂与基体之间的作用，只有当硫化层破坏程度较小时， 硫化层与添加剂复合润滑的效果较为明显。 胡春华等人n 6 1 将纳米润滑、油润滑与固体润滑技术进行复合，在f e s 固体润 滑复合层制备工艺研究的基础上，探讨了纳米s f d 液体石蜡润滑下f e s 固体润滑 复合层的摩擦学性能。实验结果得出，f e s 固体润滑涂层表面的微纳米级的硫化 物颗粒与空隙分布均匀，在纳米研以液体石蜡的润滑下，固体润滑涂层与纳米 s f q 添加剂产生协同作用，在摩擦表面形成硫化物、硫酸盐、氮化物等组成的化 学反应膜，从而使得f e s 固体润滑涂层的体积磨损量最小，摩擦系数最低。 上海交通大学的胡斌等人7 3 为了探讨纤维取向在润滑下的复合材料的摩擦 磨损行为影响，制备出短纤维增强镁基复合材料。通过短纤维增强镁基复合材料 与s a e s w 一3 0 润滑油复合润滑下的摩擦磨损实验，得出滑动方向垂直于纤维排列 方向时复合材料的磨痕深度小于平行方向，但相对应的钢球的磨损量则高于平行 方向。当滑动方向垂直于纤维排列方向时，复合材料的磨损机制主要表现为纤维 破碎和基体的磨粒磨损，当滑动方向平行于纤维排列方向时，复合材料的磨损机 制主要包括纤维剥落和磨粒磨损。 中国科学院的王月梅等人n 踟为了研究含m o s ：、石墨和s 吃0 3 的水性环氧粘结 固体润滑涂层摩擦性能，先对制备好的润滑涂层进行耐冲击性能和柔韧性的测 江苏大学硕士学位论文 试。采用扫描电子显微镜对球磨后二硫化钼的表面形貌观察，并选择往复摩擦磨 损试验仪对涂层的摩擦磨损性能进行评价。通过x 射线衍射仪对球磨前后m o s ： 晶体结构的测定，得出该涂层具有优异的理化性能和摩擦学性能。 北京航空航天大学材料科学与工程学院的王宇等人n 町以粘结剂的成分为输 入参数，室温剪切强度为输出参数，对样本组进行训练以得到较好的神经网络。 通过神经网络方法评估单一成分对粘结性能的影响，并结合遗传算法对最佳配方 进行预测，从而得出某一性能范围内对应配方或工艺参数的分布域。 合肥工业大学的尹延国等人啪3 以金属钢板为承载基体，考察了环氧树脂 e 5 4 、e 4 4 按不同比例配置的混合型粘结剂的热力学性能，并在此基础上考察了 添加石墨、m o s ，的不同粘结型固体润滑涂层在规律变载下的耐温性、减磨耐磨 性及承载能力。通过实验结果对比得出，粘结剂中e 4 4 的含量过高或过低都不利 于涂层承载能力的提高，当粘结剂中e 4 4 与e 5 4 的比例为3 ：2 时，粘结涂层表 现出良好的摩擦学特性和最高的承载能力。 美国伊利诺大学的n i c h o l a o s 等人口妇通过模拟空气压缩机的工作环境中，尤 其是二氧化碳环境，在活塞式压缩机及斜板式压缩机条件下进行摩擦实验，一组 为含p t f e 润滑涂层，而另一组为类金刚石涂层。通过对这两种条件下进行对比 实验研究，得出含p t f e 润滑涂层受环境影响不大，比类金刚石涂层具有更低的 摩擦因数和更高的承载能力。含p t f e 润滑涂层在较高的载荷下磨损量急剧增大， 但随着磨损的增大，产生的碎屑却起到了第三体润滑作用，从而提升了润滑性能。 芬兰的p a n d e r s s o n 教授等人口2 1 为了探讨激光毛化对板料表面抗摩擦磨损 性能的影响，将已做激光毛化处理的板料与普通润滑处理后的板料进行摩擦实验 对比，通过分析板料表面的微观组织形貌，得出激光毛化形貌在润滑减摩方面的 显著作用。 日本九州大学工程学院的y u j iy a m a m o t o 等人1 为了探讨玻璃纤维与碳纤维 对聚醚醚酮与聚苯硫醚的摩擦学性能影响，以液体水为液体润滑材料，纤维增强 型聚醚醚酮和聚苯硫醚混合物作为固体润滑材料。通过碳纤维与玻璃纤维增强型 聚醚醚酮滑动实验的对比，得出聚醚醚酮在玻璃纤维的辅助下摩擦性能几乎没有 提高，而添加碳纤维的聚醚醚酮表现出优异的润滑性能，并得出无论是添加玻璃 纤维还是碳纤维的聚苯硫醚，摩擦性能都有所提高。 5 基于固液润滑的金属拉深件成形裂纹状态研究 1 3 2 声发射采集处理研究 鉴于本课题是采用声发射技术对固一液润滑下拉深件成形裂纹状态的研究， 因此对声发射技术在裂纹识别方面的研究现状进行了广泛查阅，以下为声发射技 术在裂纹信号采集处理方面的国内外研究现状： 内蒙古工业大学的高宏等人口射选择声发射技术对拉深过程中的润滑情况进 行了监测，通过对干摩擦下和润滑脂润滑下的拉深实验，分别采集并分析了这两 种状态下的声发射信号能量、振铃计数、信号幅值等参数的变化情况。拉深实验 结果表明，声发射信号与拉深过程的润滑状态有着紧密的联系，声发射信号能有 效判断出拉深过程中的摩擦状况，从而能实现对拉深过程的摩擦状态进行在线监 测的功能。 江苏大学骆志高等人乜副将声发射技术应用到模具当中，根据冲压模具失效产 生的信号特点来确定信号的特征参数。选择小波包分析方法对冲压模中的信号进 行提取，采用遗传算法对得出的能量特征向量进行优化生成优化后的特征参数， 最后通过模糊数学可能性理论计算特征参数的隶属度函数，从而实现对冲压模具 工作状态的评定。 河北工业大学的张志强等人啪1 为了探讨裂纹与声发射信号之间的关系，在 4 5 号钢基体上制备了合金涂层，先在球盘式接触疲劳试验机上进行磨损实验， 考察疲劳磨损行为，同时采用声发射技术对润滑涂层的疲劳磨损整个过程进行了 实时监测，使用扫描电镜对涂层不同疲劳磨损阶段的表面形貌进行了表征。通过 声发射幅值与绝对能量值反应出涂层的整个疲劳磨损过程，得出疲劳寿命长短时 间主要受裂纹稳定存在时间影响。 广西大学成建国乜7 为了实现金属裂纹信号特征参数的提取，采集水轮机转轮 裂纹的声发射信号，并进行软件和硬件滤波，通过神经网络的方法，对声发射信 号特征进行提取，提取出能表现出a e 信号本质的特征参数，并选择可分离性判 据的方法对效果最显著的特征参数进行提取，最后通过d s 证据理论进一步融 合其识别结果，提高特征参数提取方法的准确性。经实验进行验证，对实验中提 取的五组声发射特征参数进行识别，成功实现特征参数对金属裂纹状态的评判。 大连理工大学的林丽等人啪3 对声发射信号特点及监测系统做了分析，基于局 域波的基本原理，提出了一个新的时频分析方法，即局域波分解特征量的特征提 6 江苏大学硕士学位论文 取技术。通过局域波分解方法，考察了裂纹状态与希尔伯特频谱中能量之间的关 系，确定了局域波法能自适应地提取固有模态函数中的频率特征。并以钢管的裂 纹为识别对象，验证了局域波分解法在裂纹识别的有效性。 美国康涅狄格大学的m o o r e 乜引等人为了研究简单金属支撑板在自由振动下 的裂纹情况，通过马尔可夫链蒙特卡罗贝叶斯规则对早期的裂纹参数进行监测并 观察裂纹的分布。通过数值模拟的方法进行仿真实验，成功实现了对裂纹的识别， 并通过实验验证了上述方法对裂纹的各种尺寸、取向及裂纹分布检测的可行性。 韩国釜山国立大学的y u ，c h a n gh o 等啪1 人为了研究挖掘机在过载情况下出 现早期裂纹的信号特点，选择时间序列分析方法对早期声发射信号进行研究，得 出金属断裂早期裂纹声发射信号具有时间短暂，突发性等特点。通过不同类型的 声发射传感器，选择不同的相关函数，以判断和预测挖掘机是否会因为超载而产 生断裂。 美国圣地亚哥大学的n k r u m a h ，f 等人为了研究金属复合材料中的故障模 式，先对复合涂层下的裂纹声发射信号进行特征提取，再选择小波分析方法对复 合材料中裂纹信号进行处理，通过实验测试表面，小波分析方法不仅可以对多余 的噪音信号进行过滤，而且还可以对简单的故障模式进行识别，从而达到裂纹状 态识别作用。 综上所述，国内外对固一液复合润滑的研究主要有以下几点： l 、采用复合润滑材料技术，制作自润滑复合固体润滑涂层，在金属基材上 采用喷涂、粉刷很薄的高分子涂层。但由于高分子涂层很薄，在使用过程中极易 消耗，这就缩短了固体润滑涂层的润滑效果。 2 、通过改变表面固体润滑颗粒的大小，选择液体进行辅助润滑，从而观察 油润滑对固体润滑涂层的摩擦磨损性能有无改善。但此方法更侧向于颗粒大小对 润滑条件的研究，研究对象相对单一。 3 、对复合润滑条件金属表面质量的研究，多侧向于用磨损试验机对板料进 行磨损，在对板料表面的进行观察分析，属于事后研究，难以在具体的工况下进 行在线监测与分析，导致产品在真实的拉深过程出现微裂纹甚至裂纹。 4 、上述固液复合润滑技术的研究主要集中在整体固体润滑材料与油介质复 合润滑之间的研究，而作为固体润滑材料主要类型之一的粘结型固体润滑膜与其 7 基于固液润滑的金属拉深件成形裂纹状态研究 他液体介质复合润滑下的研究报道还很少，有待进一步的研究。 国内外对金属裂纹a e 信号处理方面的研究主要有以下几点： 1 、在声发射信号处理方法上仍主要以波形特征参数分析法为主，以幅值、 能量计数、振铃技术等参数来判断声发射源的一些信息。但声发射在不同材料中 的传递速度相差很大，波形特征参数难以建立统一的评价体系。 2 、采用小波分析结合遗传算法能有效提取裂纹的声发射信号特征参数，但 由于小波分析在实际算法中大多数只能处理线性非平稳信号，在一定程度上限制 了小波分析方法的使用范围。 3 、局域波法能有效识别裂纹产生时的声发射信号，并在钢管裂纹识别等方 面得到了验证，但是将局域波法运用在拉深成形过程中的裂纹识别研究仍相对较 少，有待进一步开展。 综上所述，对基于固一液复合润滑状态下的金属板料拉深裂纹状态研究显得 越来越重要。 1 4 论文主要研究内容、创新点及技术路线 1 4 1 主要研究内容 本文以减少板料拉深裂纹为目标，在考察不同润滑条件下的声发射信号与拉 深件裂纹之间的联系下，以金属畚斗制件为研究对象，展开了聚四氟乙烯和石墨 固体润滑涂层分别与液体石蜡和普通润滑机油润滑下的拉深成形状态研究。本文 的主要研究内容如下： 1 、基于滑动摩擦理论，结合拉深成形时的应力与摩擦特点，探讨拉深过程 中的滑动摩擦机理及磨损类型，建立了三种润滑状态下的板料拉深成形时的摩擦 模型，并对固体润滑和液体润滑的优缺点进行了详细探讨。 2 、研究了声发射信号的产生机制，分析了声发射信号的类型、来源及其特 点。基于拉深裂纹产生时声发射信号非线性非平稳特点，确定了采用局域波法提 取裂纹信号特征参数的方案。 3 、基于d y n a f o r m 有限元分析软件对曲面制件畚斗的拉深过程进行模拟， 根据制件成形极限图及板料厚度变化云图分析了摩擦系数与板料裂纹之间的联 系，研究了摩擦系数对拉深件裂纹产生的影响。 8 江苏大学硕士学位论文 4 、在对选用的聚四氟乙烯、石墨等材料性质和制备工艺分析的基础上，结 合所选用润滑材料自身优缺点，确定了复合润滑条件下固体及液体润滑材料的成 分构成及用量，以及粘结型固体润滑涂层的制备工艺方案。 5 、构建固液复合润滑下的拉深实验，结合声发射信号对裂纹的识别结果， 探讨不同润滑条件以及润滑组分对拉深成形质量的影响，验证固液复合润滑相 对于单一固体或液体润滑的优越性，并得出固体润滑涂层中聚四氟乙烯与石墨的 最佳配比。 1 4 2 创新点 本文为了探讨固液复合润滑对拉深成形效果的影响，选择了声发射技术对 拉深成形状态进行识别，是对常规润滑方法及其润滑效果研究方法的拓展与创 新，主要创新如下： 1 、首次将聚四氟乙烯、石墨与锡青铜作为固体润滑涂层，液体石蜡作为液 体润滑材料，通过对固液复合润滑状态下的拉深结果对比分析，固液复合润滑 状态下的成形质量好，尤其在板料较薄、拉深系数较小、压边力较大的情况下， 固液复合润滑表现出明显的优势。通过相关理论分析，并经过实验验证，已将 这一创新申请了国家发明专利( 申请号：2 0 1 2 1 0 1 1 8 3 7 7 8 ) 。 2 、本文采用声发射技术去探讨声发射信号与金属裂纹之间的联系与规律。 旨在从一个新的角度对成形裂纹情况进行分析，先对拉深成形的声发射信号进行 采集，选择局域波法对声发射信号进行特征提取，选取能量值作为特征参数，再 利用马氏距离判别法对不同状态下的特征参数进行比较，最后通过马氏距离的判 别结果与实际加工出的制件状态进行对比，验证了局域波法结合马氏距离判别法 在拉深成形裂纹状态识别的可行性。 9 基于固液润滑的金属拉深件成形裂纹状态研究 1 4 3 技术路线 粉料烘干 改变成分配比 匮氩j ；回i 圃； 添加粘结组元il 全星堡盟整整 _ _ 士二一广皇二一无水乙醇稀释li 查亘煎丝堡 高压喷涂卜一_ 叫常温| 司化 减磨组元润滑性能研究 成分及含量确定 液体石蜡 1 0 江苏大学硕士学位论文 第二章固液复合润滑基础理论研究 润滑是摩擦学研究的最重要内容之一，通过改善摩擦副的摩擦状态以降低摩 擦阻力是减缓磨损的主要技术措施。充分利用现代的润滑技术不仅能显著提高机 器的使用性能和寿命，而且还能减少能源消耗。 2 1 板料拉深成形过程的摩擦基本理论 板料拉深成形是一种常见且重要的加工方法，但影响板料拉深质量的因素有 很多，其中主要有材料性能、板料与模具间的摩擦条件、压边力大小、凸模圆角 半径等口2 | 。由于整个拉深过程中，板料与模具之间会不断地接触，接触必然产生 摩擦。而整个拉深过程中，接触力将随着接触面积的变化而变化，造成摩擦力也 随之变化。这样的一个变化属于典型的非线性问题，若想准确的去描述拉深过程 中的摩擦状态是极其困难的，在板料拉深数值模拟中采用库伦摩擦定律建立模 型，会使得模拟结果与实际拉深结果有偏差。在实际生产中，为了提高生产质量， 改善拉深过程中的摩擦情况，均会对模具实施一定的润滑措施。为了提高板料拉 深过程有限元模拟分析的准确度，需要进一步分析板料与模具之间的摩擦行为， 通过了解拉深成形过程中的摩擦机理进一步分析其成形性能及控制成形状态。 2 1 1 滑动摩擦理论 两个物体表面在外力作用下发生相互接触并做相对运动( 或运动趋势) 时， 在接触面之间将产生阻止其发生相对运动( 或运动趋势) 的作用力称为摩擦力， 这种现象就是摩擦船驯。影响摩擦的因素主要有：外载荷、表面形貌、环境条件( 如 温度、湿度等) 、以及板料与模具间的润滑状态等等。产生摩擦和摩擦阻力的主 要原因是：接触点的粘结作用、表面微凸体间啮合的机械作用、接触表面之间的 边界膜剪切作用、以及接触表面之间流体的剪切作用和滚动接触中的弹性迟后作 用等。多年来，科学工作者通过科学研究对观察到的摩擦现象做出合理的科学解 释，进而形成了各种关于摩擦的理论和学说，在摩擦理论方面主要有经典摩擦理 论( 如库伦摩擦定律) 和非经典摩擦理论之分，其中经典摩擦理论主要包括泓3 引： 1 ) 机械咬合理论( 又称机械互锁学说) ： 基于固液润滑的金属拉深件成形裂纹状态研究 机械咬合理论是由早期摩擦研究学者阿蒙顿等人提出，认为摩擦是由对偶表 面上的凸凹不平，产生机械互锁的作用引起的，即当两个固体表面发生接触时， 由于表面的凹凸不平的相互啮合，相互嵌入，而产生了阻碍两固体流动的阻力。 该学说得出摩擦因数： = 器= 扣删 汜， 式中f 摩擦力5 法向载荷； 0 接触微凸体的倾斜角 根据此学说能够解释表面愈粗糙，摩擦系数z 越大，降低表面粗糙度，可以 降低摩擦系数等现象。但该学说对经过超精加工的摩擦副对偶表面因表面粗糙度 值小，其摩擦因数反而较大这种现象却很难解释。 2 ) 分子吸引理论： 英国物理学家德萨古利埃( j t d e s a g u l i e r s ) 在1 7 3 4 年提出截然不同的分 子学说，后被汤林生( t o m i s o n ) 等人论证。他们认为摩擦是由分子间的吸力和 排斥力而引起的，并且摩擦系数与接触面积成正比，与载荷的立方根成反比，而 捷里亚金则把外载荷和分子力加起来作为摩擦表面的作用力，从而得出摩擦力 e = g ( n + a r p ) ( 2 2 ) 式中a 实际接触面积； p 单位实际接触面积上的分子力。 该理论解释了机械咬合理论所不能解释的问题，但根据此学说，则解释不通 两接触摩擦表面越粗糙其摩擦因数就越大这一现象。 3 ) 机械分子理论( 摩擦二项式定律) ： 摩擦理论无论是机械咬合理论还是分子吸引理论，均是很不完善。直n 2 0 世纪3 0 年代末期，人们才开始从机械与分子复合作用的观点出发，发展了较完整 地固体摩擦理论。1 9 3 9 年苏联科学家克拉盖尔斯基提出机械分子理论。此学说 强调摩擦的双重本质，认为两接触表面作相对运动时，即要克服机械变形的阻力， 又要克服分子相互作用产生的阻力；摩擦力就是接触面分子和机械作用所产生的 1 2 江苏大学硕士学位论文 阻力之和，用摩擦二项式定律表示摩擦因数为 = 等+ 式中口、分别为摩擦表面的物理和机械性质决定的系数； ( 2 3 ) a ，实际接触面积； 法向载荷。 由此式得出摩擦因数是一个变量，随生n 的比值变化。当摩擦副材料由塑 性材料构成时，表面处于弹性接触状态，实际接触面积a ，与法向载荷呈线性 关系，摩擦因数与载荷大小无关；但当摩擦副表面为弹性变形状态时，实际接 触面积与法向载荷的2 3 成正比，摩擦因数随载荷的增大而减小。 摩擦二项式定律已经实验证实不仅适用于边界润滑，对某些实际接触面积较 大的干摩擦问题也适用。 4 ) 粘着磨损理论： 1 9 4 5 年b o w d e n 和t a b o r 经过系统的实验研究，建立了较完整的粘着摩擦理 论，该学说认为，在载荷的作用下，某些接触点的单位压力很大，这些点将牢固 的粘着，使两表面粘结在一体，产生粘着现象。此时，若一表面相对另一面滑动 时，粘结点则被剪断，这些剪断连接点的力称为摩擦力驯。当两接触表面的硬 度不同时，硬的微凸体还会对软表面产生犁沟，因而摩擦阻力为剪切力及犁沟作 用力之和。根据此理论可得材料摩擦因数 “：一f ：a r t b + s o s ：玉+ 2 c o t o ( 2 4 ) n a r o r s o s氤 式中，a ，粘着面积即实际接触面积； 话一为粘着结点的剪切强度： s 犁沟面积； 矾- 粘着结点的屈服强度； 口接触微凸体的倾斜角。 由于犁沟阻力在摩擦力中所占的比例很小，因此上式可简化为 1 3 基于固液润滑的金属拉深件成形裂纹状态研究 ：立 ( 2 5 ) 仃s 式中，软材料剪切强度极限； 吼软材料受压屈服极限。 然而，简单粘着理论与其他摩擦理论相似，过分地简化了摩擦中的复杂现象， 因而还有一些不完善之处。例如实际的摩擦表面相接触处于弹塑性变形状态，因 而摩擦因数随法向载荷变化。 b o w d e n 等认为，简单粘着理论对静摩擦状态是合理的，但对于滑动摩擦，由 于存在切向力，实际接触面积和接触点的变形条件均取决于法向载荷所产生的压 应力和切