（光学工程专业论文）汽车钢板摩擦行为研究.pdf

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h a r d n e s st ot h ef r i c t i o n a l b e h a v i o ri se s s e n t i a lt ot h er e s e a r c ho ft h ea u t o m o t i v es h e e t ss t a m p i n g d e p e n d i n go nt h ed r a wb e a ds i m u l a t o r ( d b s ) ，t h ei n f l u e n c eo fl u b r i c a n t s ， m i c r o - h a r d n e s s ，d r a w i n gs p e e da n ds h e e t st h i c k n e s st ot h ec o e f f i c i e n to ff r i c t i o n ( c o f ) o ft h ea u t o m o t i v es h e e tw h e nt h e yw e r ep u l l e dt h r o u g ht h ed r a wb e a dw a s m e a s u r e d t h er e s u l ts h o w e d ： ( 1 ) d e p e n d i n go nt h ed b s ，t h er e s e a r c ho f t h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tl u b r i c a n t st ot h e c o fc a nb ep r o c e s s e d ( 2 ) a st ot h es a m ek i n ds h e e t ，t h ec o e 伍c i e n to ff r i c t i o nd e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s e o ft h ev i s c o s i t yo ft h el u b r i c a n t s ( 3 ) a st ot h ec o a t i n gs h e e t s 谢t 1 1t h es i m i l a rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n ds u r f a c e r o u g h n e s s ，t h ec o e f f i c i e n to ff r i c t i o n d e c r e a s e d 谢t l lt h ei n c r e a s eo ft h e m i c r o - h a r d n e s so fs h e e t sw h e nu s i n gt h es a m el u b r i c a n t s ( 4 ) d r a w i n gs p e e di m p o s e dw e a ki n f l u e n c eo nt h ec o e t h ec o fi n c r e a s e dw i t ht o o l o wo rt o oh i g hd r a w i n gs p e e d 0 0 8 m sw a st h eb e s ts p e e df o rt h ec o ft e s t e do n t h e d b s ( 5 ) a st ot h ec o l dr o l l e ds h e e t sw i t ht h es i m i l a rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n ds u r f a c e r o u g h n e s s ，t h ec o e f f i c i e n to ff r i c t i o nd e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h et h i c k n e s s o fs h e e t s d e p e n d i n go n an u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o rt h ed a t ao ft h et e s tc o m p a r e dw i t ht h e r e s u l to ft h et h e o r e t i c a ld a t a , t h er e s u l th a sm o r ed e p e n d a b i l i t yf o rt h er e a l i t y i i a b s t r a c t p r o d u c t i o no b v i o u s l yt h a nt h eo d i l l m o nt h e o r e t i c a ld a t a k e yw o r d s ：a u t o m o t i v es h e e t , s t a m p i n g ，c o e f f i c i e n to ff r i c t i o n ( c o f ) ，d r a wb e a d s i m u l a t o r ( d b s ) ，l u b r i c a n t , m i c r o h a r d n e s s ，d r a w i n gs p e e d ，t h i c k n e s s ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i i 目录 目录 第一章前言。1 第二章该研究领域国内外的现状2 2 1 理论研究领域的发展现状2 2 2 模拟试验领域的发展现状3 2 2 1 平板滑动试验4 2 2 2 拉弯试验6 2 2 3 探针法9 2 2 4 拉延珠模拟试验11 2 3 摩擦边界条件对仿真影响的研究现状14 2 4 本论文的目标和技术指标完成情况15 第三章论文研究方法和研究过程16 3 1 针对测试试验方法本身的试验研究16 3 1 1 基于g m 9 5 3 7 p 标准的试验方法的稳定性评估16 3 1 2 拉延速度对摩擦系数的影响。18 3 1 3 厚度对板材摩擦系数的影响20 3 2 润滑油品对摩擦系数的影响23 3 2 1 润滑油品对冷轧板摩擦系数的影响。23 3 2 2 润滑油品对电镀锌板摩擦系数的影响。25 3 2 3 润滑油品对热镀锌板摩擦系数的影响。27 3 2 4 润滑油品对热镀锌铁板摩擦系数的影响29 3 2 5 润滑油品对电镀锌预磷化板摩擦系数的影响。3o 3 2 6 试验结果讨论。32 3 3 板材表面状态对摩擦系数的影响32 3 3 1 试验材料32 3 3 2 试验结果33 3 3 3 试验结果讨论34 3 3 ，j 、结”“”3 4 第四章数值模拟验证的尝试35 4 1 分析文件建立：35 4 2 仿真结果分析44 4 3 小结46 第五章结论。4 7 i v 目录 致谢。4 8 参考文献4 9 个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果5 2 v 正文：汽车钢板摩擦行为试验研究 第一章前言 汽车工业在我国正蓬勃发展，对汽车板的需求也与日俱增。作为国内汽车板 最大供应商的宝钢必须应对国外供应商的强有力挑战。如何保证汽车板优良的成 形性己逐渐成为能否在竞争中胜出的重要砝码。 汽车板的成形性指其适应各种成形加工过程的能力，主要通过基本成形性能 和模拟成形指标考核。影响汽车板材成形的主要因素有：模具的几何参数、毛坯 的几何参数、材料性能参数以及工况参数，其中工况参数中摩擦因素的影响更是 关键。 在近年来的薄板成形研究中，广泛采用了有限元法( f e m ) 和有限差分法( f d m ) 来分析计算薄板的塑性成形过程。由于薄板成形过程中摩擦特性的研究受到成形 过程复杂和界面问题复杂的限制，这些方法的接触边界条件、摩擦边界条件的可 知性是有限的，为此其计算的精度受到一定的限制。如果不能提供准确的摩擦信 息，就失去了模拟的真实性。目前从有限元和拉胀过程的试验结果表明，摩擦直 接影响成形性和应变的分布，为此，薄板成形过程中摩擦的变化规律是亟待解决 的课题幢1 。 以较低的成本制造高质量的金属板料冲压件是汽车厂追求的目标，为此，必 须采用合理的工艺方案、先进的成形设备和模具结构。同时在冲压成形中采取必 要的润滑措施也是提高产品质量、延长模具寿命、获取经济效益的一个重要方面。 迄今为止，已对各种工艺方案、设备、模具等方面进行了大量的研究工作并取得 了可喜的成果，然而对汽车板在冲压加工中的摩擦行为及润滑的研究工作还没有 给予足够的重视，从而影响了生长的发展。 摩擦行为是冲压过程中板料和模具之间相互作用的综合体现，直接影响冲压 质量的优劣。评定诸如板材表面形貌，润滑条件等对板材摩擦行为的影响于汽车 板冲压而言有指导意义。 正文：汽车钢板摩擦行为试验研究 第二章该研究领域国内外的现状 汽车板材成形的成功与否，很大程度上取决于摩擦因素、板料的机械性能和 压边力等工艺参数的合理选取和综合作用。而摩擦系数的波动与材料性能和工艺 参数的波动相比较，对汽车板材成形过程的影响要大得多。这是因为：( 1 ) 与其 他因素相比，迄今为止，摩擦对薄板成形过程的影响是所知最少的，只能用简单 的c o u l u m b 摩擦定律简化描述摩擦的影响；( 2 ) 在薄板成形过程中，润滑条件的 波动较大且较频繁，如润滑剂的成分及其涂层厚度的波动，以及因压边力等工艺 条件的改变导致摩擦面内润滑剂挤出量的波动等等，( 1 ) 有关这方面的报道也还 很少。 目前，对板材成形摩擦研究主要包括：板材成形摩擦模型研究和板材成形摩 擦试验测定。在板材成形摩擦模型研究方面，由于对摩擦过程机理尚有许多不明 之处，加之动态摩擦过程十分复杂，近年来进展不大，主要仍采用c o u l u m b 摩擦 定律表述摩擦力与压边力问的关系，摩擦系数多按常数处理。 目前，在进行板料成形过程接触摩擦的数值模拟中，主要应用的是经典库仑 摩擦定律和修正的库仑摩擦定律嘲。 2 1 理论研究领域的发展现状 1 、经典库仑摩擦定律 经典库仑摩擦定律模型为： ，r2 一，一 ( 2 1 ) 式中，以为切向摩擦力；，一位法向接触力；为摩擦系数。 式( 2 1 ) 满足经典库仑摩擦定律，即摩擦力的大小只与接触面间的法向载荷 成正比，且摩擦力的方向总是与接触表面间的相对滑动速度相反。这一模型与常 用的胡克定律相符合，但是它没有考虑其他因素的影响，由此计算摩擦力并不十 分准确。 2 、修正库仑摩擦模型 常用的修正库仑摩擦模型为： z 呻小_ 万2a r c t a n l _ 习v 2 ( 2 2 ) 正文：汽车钢板摩擦行为试验研究 式中，y 为接触点处板料节点与模型面之间的相对滑动速度；d 为一个不大 的正数。 在此摩擦模型中引入了一个修正系数( 如光顺函数) ，由于光顺函数考虑了 相对滑动速度的影响，所以，它相对来说要准确得多。 3 、考虑粗糙度的摩擦模型 2 0 0 2 年，l e ebn 等人提出了一个新的摩擦模型，考虑了润滑剂和表面粗糙 度的影响，即： 2 3 2 2 1 0 4 再芦 ( 2 3 ) 5 + l ，o 椰门孙 式中，为摩擦系数；y 为粘度。 同理，摩擦系数还与表面粗糙度有关： 20 2 4 , 之2 0 2 4 6 彳, + 0 2 5 2 ( 2 4 ) 式中，五为表面粗糙度。 通过实验数据，进行拟和，摩擦系数与润滑剂粘度及表面粗糙度的关系函数 就得到如下： 2 鼎- 0 5 3 x 1 0 - 6 ( y 一5 6 6 ) 2 + 0 2 4 ( 2 一。7 6 ) 2 一。1 1 2 ( 2 5 ) 还有考虑其他因素影响的摩擦模型，尽管目前已有的摩擦模型较多，但至今 还没有一个完整的摩擦模型可以充分说明各因素对摩擦力的影响。 2 2 模拟试验领域的发展现状 在已有的板成形摩擦模拟试验装置中，由于板成形过程变形的复杂性，要考 虑摩擦力在整体变形区域的变化是很困难的，因此，还没有一个摩擦试验可以通 用于所有的板成形过程。现有测定板料拉深成形过程中摩擦状况的试验方法主要 有三种： ( 1 ) 平板滑动摩擦试验方法3 。这种方法可在一定程度上模拟法兰处压边力 作用下的摩擦条件，但它有一个致命点：即没有考虑拉深弯曲作用下的实际摩擦 变形条件； ( 2 ) 拉弯摩擦试验n 劬。这种方式主要用于单纯模拟拉深成形中凹模压边圈处、 圆角处或冲头角处的摩擦条件； 3 正文：汽车钢板摩擦行为试验研究 ( 3 ) 拉延成形摩擦试验n 射。这种方式则可以模拟更接近于实际拉延成形条件 下并伴有拉深弯曲成形状态下的成形摩擦过程。 实际冲压成形过程主要包括拉胀和拉深两类成形方式嘲，拉胀成形过程的位 移小，厚度方向变形较大，且变形时产生弯曲，为此，拉胀成形摩擦实验通常用 来研究模具圆角、冲头圆角处的摩擦系数变化；拉深成形是大位移小变形，厚度 方向变化很小的平面应变状态，拉深成形摩擦实验用来模拟研究冲头圆角、模具 圆角和压边处的摩擦系数变化。到目前为止，板料成形过程摩擦测试模拟试验法 主要是以简单的板料弯曲和反弯曲变形模拟复杂的板料成形过程，用一些模拟试 验装置来代替板料成形模具，并测量出板料在弯曲反弯曲过程的摩擦力或摩擦系 数。下面介绍一些目前国内外的关于模拟试验研究领域的主要发展状况。 2 2 1 平板滑动试验 此类试验的特点是板料在两块模具中相对滑动，塑性变形量很小，通常只限 制在微凸体上的变形。这种试验模拟了平压边筋处的条件，有利于研究润滑剂的 特性。不足之处在于该装置不能较好的模拟实际冲压状况。 1 、板带拉拔试验 把板材置于两个比较宽的模具之间进行拉拔( 图2 1 a ) 口1 ，测定其正压力p 和拉拔力f ，通过公式i l - - f 2 p 来计算摩擦系数。如用二个圆柱体模具取代平面 模具，此时接触压力变高，流体动压便比较明显( 图2 1 b ) h 1 ，也可以用一个圆 柱模具和一个平面模具进行拉拔，这样就得到了介于上述二种方法之间的条件 ( 图2 1 c ) 。 图2 1 板带拉拔试验示意图 为了能方便的考察模具硬度及表面光洁度对摩擦的影响，可用一个易于更改 4 正文：汽车钢板摩擦行为试验研究 的金属块进行试验( 图2 1 d ) 嘲。在这些试验中，通常采用逐渐增加压力p 的方 法来研究模具的临界压力。 2 、粘一滑试验 由于摩擦失稳通常和粘着有关，因此，t a n n e r t 等人设计了一种对粘着一滑 动特性很敏感的试验3 。平板试件放在两个辊组成的传送带上，其中一个辊带有 一个平衡摆锤。( 图2 2 ) 图中两个被拖动的圆柱体代表模具，在正压力p 和拉 拔力f 的作用下沿板材表面滑动，由于摩擦皮带运动，并带动两个辊转动，进而 导致摆锤偏转一定的角度，摆锤的偏转角就表示该系统测定的摩擦力值。 图2 2 粘一滑试验机示意图 3 、法国雷诺公司的钢板润滑实验 法国雷诺公司的试验过程是：将一块两面涂油的钢板，用一平面模具和一 半圆形金属土层的模具通过压紧力压紧，重复摩擦，用液压式或电机式拉力实验 机测量拉应力。原理图如图2 3 所示，模具尺寸如图2 4 所示。 5 5 m m 摩擦带 书笔 试件 一 i 裂 够1 图2 3 雷诺公式实验原理图 图2 4 雷诺公司实验模具尺寸图 试件的摩擦系数由下式计算得到： 5 正文：汽车钢板摩擦行为试验研究 ：皂 z 卜 ( 2 6 ) 式中，乃为试件在5 0 咖摩擦长度之后的拉力，单位n ；只为试件在模具之 间通过后，5 0 r a m 摩擦长度上测得的压应力，单位n 。 该实验旨在鉴定冲压钢板与模具之间的接触性能，一方面用来评估钢板表面 的润滑状态，另一方面用来判断润滑油的质量。 2 2 2 拉弯试验 此类试验的特点是板材在拉伸的同时弯曲，主要用于模拟拉深成形中凸压边 圈处，凹模圆角处和冲头圆角处的摩擦条件。 l 、9 0 0 扇形模具拉弯试验 板材在凹模圆角处经受弯曲变形的同时还伴随着滑动。l i t t l e w o o d 和 w a l l a c e 设计的试验装置是在9 0 0 的扇形模具上对带有后张力b 的板材施加拉力 p ( 图2 5 a ) 口】，使之可以在不同的界面压力下进行试验。为了提高试验对粘着 与磨损现象的敏感性，w o s k a 在板材上施加压边力( 图2 5 b ) 。d o e g e 和w i t l h u s e r 用辊代替扇形模具( 图2 5 c ) ，板材在自由转动的辊上拉伸时，可以测得拉伸力 p l ，则弯曲力p b 为：p b = p 1 一b ，然后把辊锁住，拉伸力变为p 2 ，则摩擦力f = p 2 一b p b 。 j ? 。霉? ? ；? 童瓮”撼羹冀雾 。 。 ￥7 0：。一，“”o 1、 一一一一 。t -一 囊聂。 纛纛曼镰菇嘤囊囊蠢蠢 图2 5 凹模圆角摩擦试验装置示意图 2 、模拟胀形模拟试验 为了考察拉胀变形时冲头圆角处的摩擦特性，d u n c a n 和x j w a n g 设计了一 种模拟试验装置( 图2 6 ) 嘲。试验可在拉伸试验机的模拟装置上进行，摩擦系 数可以根据公式( 2 7 ) ，由试验数据计算得出： 6 正文：汽车钢板摩擦行为试验研究 i i = i n ( p 1 p 2 ) 图2 6 拉伸一弯曲( b b t ) 摩擦试验装置示意图 ( 2 7 ) 这种试验的特点是在摩擦滑动过程中全壁厚方向上发生塑性变形，这与实际 情况现符合，接触压力可以通过改变辊径来调整。但这种试验装置也有自身的不 足。试样在试验前必须进行弯曲变形，从而导致材料内部产生加工硬化，会对拉 伸力产生影响；同时摩擦系数的计算未排除弯曲力的影响。 针对以上不足，1 9 8 9 一1 9 9 0 年，王先进和r h w a g o n e r 啮确1 开发了测量应 变的摩擦测试系统( 如图2 7 所示) ，该装置考虑了润滑的影响，能模拟真实的 变形过程和接触条件。实验中板料的变薄和弯曲同时进行，同时板料与凸模的包 角在变形过程中可以变化。通过采用旋转圆棒消除弯曲变形对测试的影响，能直 接控制和测量出载荷大小和加载行程，并计算出摩擦系数： 2 古h 1 鲁 亿8 ， 该装置可以做到弯曲和拉伸同时进行，变形过程中接触角逐渐增大。1 9 9 2 1 9 9 5 年，王先进等人又将上面的测量装置的应变测量改为力测量，夹紧方式 为机械夹紧的摩擦测试系统。 7 正文：汽车钢板摩擦行为试验研究 图2 7 模拟拉胀成形摩擦测试实验装置示意图 1 9 9 5 m 1 9 9 7 年王先进等人又为a l c o a 铝业公司将上述装置改造成手动液压 夹紧，且同时测量拉胀和拉深两个过程的实验装置，由于该装置既能测量拉胀变 形又能测量拉深变形，他们把这种装置称为万能摩擦测试系统。1 9 9 8 年徐树成、 王先进又开发了采用液压伺服调节控制压边力夹紧的万能摩擦测试系统髓7 1 ( 如图 2 8 所示) ，通过该万能摩擦测试装置能够准确的测量拉深和拉胀两个过程的摩 擦变化情况。 图2 8 万能摩擦测试装置图2 9 冲头圆角处力学关系简图 根据采集的数据可以计算出各摩擦系数分别为： m 2 嘉 叫) 。 膨2 吉1 1 l 鲁 亿9 2 ， 鸬2 糖 渊， 只：，_ 式中，。2 s i n p ； 正文：汽车钢板摩擦行为试验研究 只= q 3 + 譬t 一t a l l 引 丑= ( c o t f l s i l l ) + q lt a n o 。 其中，肛、鸬、鸬分别为压边圈、凹模和凸模处的摩擦系数。其余几何参 数如图2 8 所示。 2 2 3 探针法 探针法属于直接测量法，就是通过在实际成形的模具上安装探针式传感器， 测量所需的参数。优点在于：能够对真实的而不是模拟的塑性成形过程的摩擦进 行测试；不依赖于特定的成形方法和工件变形特征，对包括体积成形和板料成形 在内的各种塑性成形过程都适用：不需要假设整个接触面上的摩擦系数相同，能 测量单个接触点的摩擦；该方法具有实时性和动态性，能够实现在线测量。其缺 点则是：必须在模具表面开设测力计或探针安装孔，有可能改变模具和工件表面 的接触状态；由于受尺寸的限制，实际上只能测量有限个点的摩擦。 1 、轧制和拉拔成形的摩擦测量 最早提出直接测量法的是r t 万乐仁，b a 巴柯芬。他们用该方法 最早得到了轧制和拉拔时摩擦力沿接触面分布的实验数据啪1 。具体做法是：在变 形工具中安装2 个或3 个销钉式测力计，一个垂直于表面，另外一个或两个倾斜 一定的角度，如图2 1 0 和2 1 l 所示。 图2 1 0 轧制传感器示意图图2 1 l 轧制传感器工作示意图 2 、上海交大的试验机及传感器 近年来上海交通大学国家模具c a d 工程研究中心提出了一种新的测定摩擦 系数的试验方法：探针法。采用探针法测定板材拉深过程中的摩擦系数是一种直 接测量法。 9 正文：汽车钢板摩擦行为试验研究 上海交通大学的朱伟、张质良等通过在拉深凹模表面上某几个特征点处伸出 的探针式组合传感器测量计算出的实时摩擦系数大小来间接表征及评价，这个数 值也即代表了板坯上所测量点处的实时真实摩擦系数大小。摩擦系数大小可以通 过同时测量出板坯上测量点处所受到的实时垂向正向压力和径向切向拉力( 也即 摩擦力) 的途径，实验测量系统示意图如图2 1 2 所示，传感器结构如图2 1 3 所 示，探针结构如图2 1 4 所示。 探针 切向力 悬臂梁 弹性体 滚珠 预紧螺钉 l 上垫板2 拉伸力传感罄3 凸袭定位装置 i 凸囊5 位移传番嚣田6 压边朋7 板辩 暑凸奠g 蠢性支架l o 压机工作台l l 探针传感器 图2 1 2 摩擦测量系统示意图 图2 1 3 悬臂式探针传感器结构示意图图2 1 4 探针结构示意图 要测量出实时的摩擦因数，可以通过同时测量出板坯上某点处的正向力f 和 切向力尸( 也即摩擦力) ，然后利用式( 1 0 ) 求得摩擦因数： 2 p i f ( 2 1 0 ) f 和尸是分别利用电阻应变公式、应力应变公式和悬臂梁受力公式求得作用 力m 来得到，它们唯一不同之处是在求p 时要去除式( 1 1 ) 中的m g 项。 l 0 正文：汽车钢板摩擦行为试验研究 a r r = k o c o r = e g ( 2 1 l - 1 ) ( 2 1 1 - 2 ) 一 6 ( w m g ) u - i ) ，r = = _ = = 二二_ 二 b h 2 ( 2 1 1 3 ) 式中，a r r 为所贴应变计的电阻变化率： a o 为所贴应变计的灵敏系数，此处选取了灵敏系数为3 1 的应变计； 占为应变计在某方向上的真实应变； 层为所选4 0 0 r 合金钢的弹性模量，2 0 1 0 5m p a ； 盯为贴应变计处的应力； z 为悬臂梁长度； z 为梁固定根部至所贴应变计中心点的距离； b 为梁截面的宽度； 日为梁截面的高度： m 为自由端体的质量； g 为重力加速度； 矽为垂直作用于悬臂梁自由端体上的力。 2 2 4 拉延珠模拟试验 1 、根据h d n i n e 提出的摩擦试验 1 9 7 8 年，h d n i n e 设计出一种模拟拉延筋的摩擦测试实验装置嘞1 ，其原理 示意图如图2 1 5 所示。在进行材料的拉延时，用改为滚动轴承支撑的模具的凹 模和凸筋，来代替半圆形拉延筋和拉延筋凹槽圆角，如图2 1 6 所示，然后用此装 置测出拉延筋在近似无摩擦状态下的阻力，即拉延筋的变形阻力。并与在相同参 数的常规凹槽和凸筋测得的拉延筋阻力相比较来获得拉延筋的摩擦阻力大小，下 式可用于计算拉延摩擦系数： ( 一) 量糊l 死 q 1 2 ) dd 式中，1p e e 为凹模和凸筋为滚动轴承时的拉延力；1 删为凹模和凸筋为常规 时的拉延力；，n o r m a l 为下压力。 正文：汽车钢板摩擦行为试验研究 图2 1 5 固定筋摩擦系数测定装置图2 1 6 滚动筋摩擦系数测定装置 此后人们对拉深筋处的摩擦问题和摩擦测试实验装置展开了大量的研究和 探索，并在其基础上通过改进，又研制出多种试验装置。s a n c h e z 与n a d d r g ( n o r t h a m e r i c ad e e pd r a w i n gr e s e a r c hg r o u p ) 建立的类似实验装置最具代表性口3 1 ( 其 原理及装置图类似于图2 1 5 ，图2 1 6 。这类实验中，至少需两块相同的板料试 样。一块从活动的圆柱辊组中拉过，圆柱辊组通过各自轴承与固定机座相连，由 于轴承处的摩擦为滚动摩擦，与滑动摩擦相比较小，可忽略不计。此时，测出的 拉力，r 和夹紧力，c r 为板料拉过圆柱辊组而发生弯曲反弯曲的变形抗力。将另一 块试样拉过同一个实验装置，但此时圆柱辊组固定在机座上，不能进行自由滚动， 测出的拉力和夹紧力，c 则既包含板料发生弯曲和反弯曲的变形抗力，同时还 包含板料与圆柱辊组之间的滑动摩擦力。摩擦系数可以由式( 1 3 ) 求得。 2 ( 耳一兵) 磁 ( 2 1 3 ) 2 、美国通用公司拉延筋模拟装置试验 通用公司的实验方法是将板带以通常拉伸速度约5 0 1 0 0 i i l m s 拉过 拉延筋模拟装置( 原理图如图2 1 7 所示，模具尺寸如图2 1 8 所示) ，测出拉伸 力和法向力。 12 正文：汽车钢板摩擦行为试验研究 试件 图2 1 7 通用公司实验原理图图2 1 8 通用公司实验模具尺寸图 传统的测量方法是把金属板带拉过两块平面之间来测量摩擦系数，一般用以 下公式计算摩擦系数： p 。 n 佗1 4 ) 式中：p 拉伸力； 法向力。 板带通过拉延筋模拟装置时，拉力由两部分组成，一是摩擦力，另一个是板 带通过拉延珠( 图中凸起部分) 所需的弯曲和拉直力。为了将后者去除，实验将 模具设计为一个固定珠，一个滚动珠。通过用滚动珠补偿固定珠的形式获得摩擦。 因此摩擦系数计算公式变为： ( 变形+ 摩擦) 一( 变形) 一 胪百扩2 毒茁 ( 2 1 5 ) ， 式中，p 拉力；法向力；匕用以补偿拉延珠的几何形状。 3 、拉延珠模拟试验机 本论文采用的试验装置即拉延珠模拟试验机。拉延珠模拟试验机由加拿大工 业研发所( i n d u s t r i a lr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ti n s t i t u t e ) 研制，试验标 准及方法符合通用g m 9 5 3 7 p 标准。该试验机主要由以下四部分组成：拉延珠 ( d r a w b e a d ) ，凹模台肩( g r o o v es h o u l d e r s ) ，垫片( s p a c i n gs h i m s ) ，导向轮 ( g u i d er o l l e r s ) ( 见图2 1 9 ) 。图2 2 0 为拉延珠处的祥图，下标s 为试样与 拉延珠的接触面。 l3 正文：汽车钢板摩擦行为试验研究 0 ；谅二，：戋盘 譬“誓! i 等芋：謇砖。x i j ：雾氍：警! 笔 图2 。1 9 拉延珠试验机结构组成示意图图2 。2 0 拉延珠详细示意图 应用于试验机的摩擦系数的计算公式为： ：生生 ( 2 1 6 ) 胪# 屹j 其中d f 为固定拉延珠时的拉力，d r 为滚动拉延珠时的拉力，c f 为固定拉延 珠时的顶力。 在板材双动冲压成形过程中，拉延筋提供了一个控制金属在凹模中流动的限 制力，该限制力可分为两部分：弯曲变形力及摩擦力。利用拉延珠模拟试验机测 定摩擦系数过程中，固定拉延珠时的拉延力d f 即弯曲变形力及摩擦力之和。通 过用滚动珠代替固定珠使摩擦的影响降至可忽略不计的程度，从而将弯曲变形力 分解出来：d r 。由载荷传感器可分别测得固定拉延珠时的拉延力d f ，滚动拉延 珠时的拉延力d r ，两者之差即为拉延筋作用下板材所受的摩擦力；固定拉延珠 时的顶力c f 亦可由载荷传感器测得。将测得的力值代入上述公式即可求得摩擦 系数值。 综上所述，板成形过程摩擦模拟装置的形式各异，各有优缺点。拉延珠模拟 试验机由于能较好的模拟拉延筋处的冲压状况，并且能独立的测量出摩擦力的大 小而得到广泛的认可和应用。利用拉延珠模拟试验机可以评价润滑剂的优劣，分 析不同镀层板的摩擦特性等。 2 3 摩擦边界条件对仿真影响的研究现状 板料拉深成形过程数值模拟技术，其边界条件的假设，即板料与模具表面的 摩擦状态是影响模拟结果的一个重要因素，因而研究接触面上的摩擦机理对提高 14 正文：汽车钢板摩擦行为试验研究 模拟的仿真度有很大意义，研究接触摩擦的摩擦模型必然会受到越来越多的重 视。数值模拟是板料成形的发展趋势之一，而提高数值模拟精度又是模拟技术发 展的重中之重。模拟精度的提高在很大的程度上又与接触摩擦的处理有关，因此 研究接触摩擦的摩擦模型必然会受到越来越多的重视。 以目前应用面逐渐提升的有限元数值模拟软件a b a q u s 为例。虽然有比较 多的摩擦模型可供选择，但a b a q u s 中默认的摩擦模型还是经典库仑摩擦模型， 而实际板料成形过程中不同成形工艺或同一成形过程中不同区域的摩擦是不同 的。因此，用a b a q u s 所给的摩擦模型，会与实际产生较大的偏差，从而影响模 拟精度。目前比较通行的办法是基于a b a q u s 的修正的库仑摩擦模型的二次开发。 在a b a q u s e x p l i c i t 中如果要选用其他摩擦模型，就必须利用它给用户提供的 v f r i c 用户子程序接口定义所需的摩擦模型。在v f r i c 用户子程序中，a b a q u s e x p l i c i t 给用户提供了许多参数，利用这些参数，就可以通过语言( f o r t r a n ) 编写必要的程序，实现与a b a q u s e x p l i c i t 之间的数据交流，从而达到摩擦模 型的定义。而对于a b a q u s s t a n d a r d 而言，则可以通过f r i c 用户子程序定义所 需的摩擦模型。 因此在应用数值模拟来仿真冲压过程的时候，摩擦的边界条件一般有两种定 义方法，一种就是有限元软件自带模块的定义( a b a q u s 仅支持罚函数法，遵循 经典库仑摩擦模型) ：另一种是应用二次开发，在仿真软件的特定子程序中接入， 以获得比较复杂的摩擦边界条件定义。 2 4 本论文的目标和技术指标完成情况 2 4 1 形成测定摩擦系数的可行、再现性好的试验方法 形成了可行的，再现性好的测定摩擦系数的试验方法，并分析了板材厚度、 拉延速度等试验条件对摩擦系数的影响。 2 4 2 测定润滑油品对摩擦的影响 摸索出了润滑油品性能对摩擦系数的影响的基本规律。 2 4 3 测定板材表面状态对摩擦的影响 摸索出了镀锌板表面硬度对摩擦系数的影响的基本规律。 2 4 4 对试验结果进行数值模拟 验证试验结果对实际生产和试验的指导作用。 15 正文：汽车钢板摩擦行为试验研究 第三章论文研究方法和研究过程 3 1 针对测试试验方法本身的试验研究 这部分试验是后续试验工作的基础，包括对试验方法稳定性的评估试验、部 分试验条件如拉延速度的改变对试验结果的影响以及板材厚度的变化对试验结 果的影响。 3 1 1 基于g m 9 5 3 7 p 标准的试验方法的稳定性评估 由于拉延珠模拟试验机是一台引进设备，并且其测试方法也是引进g m 标准， 因此在开展一系列试验研究之前，有必要对遵照该测试方法测出的试验数据的重 复性，稳定性进行评估，这也是开展后续工作的重要前提。 该测试方法的核心是间隙控制法，关键点在于对间隙的控制，即针对任一厚 度的板材，保证滚动拉延珠模具与板料的间隙为0 1 m m ，固定拉延珠模具与板料 的间隙为0 1 1 5 m m 。 按照以上测试方法，进行了典型镀层板的重复性试验。 1 、不同测试者影响因素分析 针对同一板材( 宝钢热镀锌板s t 0 7 z ，0 6 m m ) ，相同试验条件( 不涂油) ， 由不同试验者分别测试，看两批试验结果的区别。见表3 1 1 1 表3 1 1 1 不同试验者测得的摩擦系数值 试验料编号 试验者a 试验者b l0 1 4 20 1 5 4 2 0 1 4 0 0 1 4 1 30 1 3 9o 1 3 7 40 1 3 50 1 3 7 5 0 1 3 40 1 4 3 均值 0 1 3 80 1 4 2 l6 正文：汽车钢板摩擦行为试验研究 图3 1 1 1 不同试验者测得的摩擦系数 2 、统一测试者影响分析 针对同一板材( 宝钢电镀锌预磷化板d c 0 5 + z ，0 8 m m ) ，相同试验条件( 涂 5 5 0 h n 润滑油) ，由同一试验者间隔一个多月分别测试，看两批试验数据的差别。 见表3 1 1 2 表3 1 1 2 不同时间测得的摩擦系数值 试验料编号时间a时间b l0 0 9 40 0 8 9 20 0 8 9 0 0 8 7 30 0 9 10 0 8 9 40 0 8 90 0 8 8 50 0 8 70 0 8 9 均值 0 0 9 00 0 8 8 图3 1 1 2 不同时间测得的摩擦系数 如上表所示，不同试验者测得的摩擦系数值误差为2 9 ，同一试验者不同 17 正文：汽车钢板摩擦行为试验研究 时间测得的摩擦系数值误差为2 3 。由此可见，利用拉延珠模拟试验机，基于 g m 9 5 3 7 p 标准的试验方法进行摩擦试验，测出的试验结果的重复性和再现性符合 要求。 3 1 2 拉延速度对摩擦系数的影响 试验结果证明了基于g m 9 5 3 7 p 标准的试验方法是一种可行的，再现性好的试 验方法，该试验方法限定的拉延速度为0 0 8 5 m s 左右。但拉延速度的改变会对 摩擦系数带来什么影响? 为此，进行了以下试验： 3 1 2 1 试验材料 选