薄板压延中在压边圈叠加振动的模拟试验

D0I:10.13374/j.issn1001053x.1997.04.029 第19卷第4期 北京科技大学学报 Vol.19 No.4 1997年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.1997 薄板压延中在压边圈叠加振动的模拟试验 唐荻 王先进 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要应用模拟的方法在薄带摩擦试验中于正压力上叠加低颜振动，模拟薄板在叠加振动的压 边圈下的摩擦状态，系统地研究了振幅、颜率，正压力、拉速、，表面与摩擦力的关系，试验表明，在 一定的条件下，低频振动叠加是可以改善薄板成形变形区的摩擦状况，降低摩擦力的， 关键词摩擦，表面，振动，薄板成形 中图分类号TG384.41,TH117.2 在薄板成形中工具与材料间会产生摩擦力.70年代以来，人们在变形区上叠加超声波振 荡以降低摩擦力引，但是，该方法设备投资大，对大型的汽车零件生产不适用；应用低频振荡 叠加法是在该领域的又一新的尝试)，本工作应用模拟的方法系统地研究有关工艺参数对摩 擦力的影响， 实验 实验在一拉带摩擦试验机上进行，用电磁振荡器在正压力上叠加振动，以研究频率、振 幅、拉速、正压力、表面对摩擦力的影响. 实验材料为St14低碳软钢.选用4种 表面进行试验：激光处理表面(LAS),电子 表1试验参数设定值 束处理表面(EBT),电火花处理表面(EDT 参数 范围 和喷丸处理表面(SBTD.润滑剂为压延油 频率 ∥H业 5,10,15,20,30,40,60 Draw 140N. 振幅 a/N 10,30,60,100 实验参数的设定尽量以易于在工业生 拉滑速度 w/(mm.s-) 100,150,200,300 正压力 产中实现和设备不进行大的改动为前提， F(N.mm) 3,4,5,6,7 表面油量w/(g·m今10 并适当地放宽范围以满足研究的需要，其 参数如表1. 2 结果与讨论 正压力，拉滑速度，频率和振幅对摩擦力的影响见图1~图4. 1996-10-07收稿 第一作者男42岁教授

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 薄板压延 中在压边 圈叠加振动的模拟试验 唐获 王先进 北京 科技 大学材料 科学 与工 程学 院 ， 北京 摘要 应用 模拟 的方 法 在 薄带摩擦 试验 中于 正 压 力 上 叠 加低 频 振 动 ， 模拟 薄板 在 叠 加 振 动 的压 边 圈 下 的摩擦状态 ， 系 统地 研究 了振 幅 、 频 率 、 正 压 力 、 拉速 、 表 面 与摩擦 力 的 关 系 试验 表 明 ， 在 一定 的条件下 ， 低频振动叠加是可 以 改善薄板成形 变形 区 的摩擦状况 ， 降低摩擦 力 的 关键词 摩擦 ， 表面 ， 振 动 ， 薄板成形 中图分类号 ， 在 薄板成 形 中工 具 与材 料 间会 产 生摩 擦 力 年 代 以 来 ， 人们 在 变 形 区 上 叠 加 超 声 波 振 荡 以 降低摩擦 力， ’ 】 ， 但 是 ， 该方 法 设备投 资大 ， 对大 型 的汽 车零 件 生 产 不 适 用 应 用低 频 振 荡 叠 加 法 是 在 该领 域 的又 一 新 的尝试 本 工作 应 用 模 拟 的方 法 系 统地研究 有 关 工艺 参数 对摩 擦力 的影 响 实验 实 验 在 一拉 带 摩 擦 试 验 机 上 进 行 ， 用 电磁 振 荡 器 在 正 压 力 上 叠 加 振 动 ， 以 研 究 频 率 、 振 幅 、 拉 速 、 正 压 力 、 表 面 对摩 擦力 的影 响 实 验 材 料 为 低 碳 软 钢 选 用 种 表 面 进 行 试 验 激 光 处 理 表 面 ， 电子 束处理 表 面 刀 ， 电火 花处理 表 面 和 喷 丸 处理 表 面 刀 润 滑 剂 为 压 延 油 冲 实 验 参数 的设 定 尽 量 以 易 于 在 工 业生 产 中实 现 和 设 备 不 进 行 大 的 改 动 为 前 提 ， 并 适 当地 放 宽 范 围 以 满 足 研 究 的 需 要 ， 其 参数如表 表 试验参数设定值 参数 范 围 频率 振 幅 拉滑速度 正 压力 表 面油 量 · 一 ’ · 一 ， · 一 ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 结果与讨论 正 压力 ， 拉滑 速 度 ， 频 率和振 幅 对摩擦 力 的影 响见 图 一 图 一 一 收稿 第 一作者 男 岁 教授 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1997．04．029

·352· 北京科技大学学报 1997年第4期 70 50 60 0 有振动 无振动 40 40 3 華 30 无振动 20 20 有振动 10 0 456 7 0 1D0 200 300 400500 E/(N-mm) /(mm-s' 图1正压力对摩擦力的影响 图2拉速对摩擦力的影响 St14,EBT,f20 Hz,a=10 N,v=100 mm/s St14,EDT,f20 Hz,a=20 N.F=5 N/mm 50 70 ● 6 30 无振动 40 有振动 20 有振动 无振动 10 20 10 051015202530354045 0 2.557.510 12.51517.5 也 a.Fn% 图3频率对摩擦力的影响 图4正压力F,=5NWmm2时摩擦力与正压力的关系 St14.SBT,a=30 N,v=100 mm/s,F=5 N/mm2 St14,LAS,f20 Hz,v=100 mm/s,F=5 N/mm2 2.1正压力的影响 图1表示了正压力变化对摩擦力的影响，其中虚线为正压力上叠加振动的结果，而实线 则为无振动.由图可见，在较小的正压力下(3NWmm2和4NWmm),正压力振动不能降低摩擦 力，反而使其升高；较高的正压力（大于5NWm)叠加振动使摩擦力有了明显的下降，而且随 着正压力的提高，这种下降趋势更明显， 这一结果表明，在叠加振动的条件下，正压力的大小是十分重要的因素，并且其变化趋势 与常规摩擦试验研究的结果相似，文献指出，在一般摩擦条件下，随着正压力的增加，摩擦因 数稍有下降，在本试验中尽管叠加了振动，这一规律未有改变. 2.2拉滑速度的影响 图2表示了拉速对摩擦力的影响.由图可见，在试验的振幅和频率条件下，拉速对摩擦力 的影响也很大，当拉速比较低时(100mm/s),摩擦力较高（约35），随拉速的提高，摩擦力有 一个极小值(200mms时，仅约25)，但拉速继续增加，达到300mm/s时，摩擦力又有提 高.在流体摩擦中，速度是一个非常重要的因素，其变化规律由Stribeck给出，随速度增加，流 体润滑的比例提高，同时边界润滑的比例下降叠加振动以后的规律与Stribeck图仍然相似. 2.3频率的影响 频率对于摩擦力的影响如图3所示.由图可知，在试验的范围内，低频振动时(5Hz),摩 擦力较低，随频率升高，摩擦力也升高，当频率为20~30Hz时，有最大值，但是，当超过

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 只蜷赞、 二 只绒盛、之 粼了‘ 刀 · 一 、 · 》 甲 下 、 、 、 、 、 一 夕 一 一 有振 动 · ’ 图 正压力对靡擦力 的影响 ， ，户 比 ， ， 口 图 拉速对摩擦力的影 响 礴 ， ，户 比 ， ， 凡 叮 无振 一 ’ 有振 动 乙曰，叹，、 只绒赞之、 厂二二二二二二二二二二二二丁 一一 “ 脚加， 礴 目面闷声 卜 ， 气一 一 一 一 一一 一 一 、 曰产 、 ， 》 卜 有 派 动 权 。 干福 动 绒 ‘ 一 一 赞 ’。 十 卜 曰 ‘ 一一人 ‘ 曰‘ 盛 万 少 凡 一 ’ 图 频率对摩擦力的影响 ， ， 厂 ， 件 ， 凡 ’ 图 正压力汽产 时摩擦力与正压力的关系 ， ，户 ， 二 ， 凡 ’ 正压 力 的影 响 图 表示 了正 压力变 化 对摩擦 力 的影 响 ， 其 中虚 线 为正 压 力上 叠 加 振 动 的结果 ， 而 实线 则 为 无 振 动 由图可 见 ， 在 较小 的正 压力下 卜刀 和 付 ， 正 压 力振 动不 能降低摩擦 力 ， 反 而 使其 升高 较 高 的正 压力 大 于 付 叠 加 振 动使摩擦力有 了 明显 的下 降 ， 而且 随 着 正 压力 的提 高 ， 这 种下 降趋势更 明显 这 一结果 表 明 ， 在 叠 加 振 动 的条件下 ， 正 压力 的大小 是 十分 重要 的 因素 ， 并 且其变化趋 势 与 常规摩 擦 试 验研 究 的结 果 相 似 文 献指 出 ， 在 一 般摩 擦 条件 下 ， 随着 正 压 力 的增 加 ， 摩擦 因 数稍 有下 降’ ， 在本试 验 中尽 管叠 加 了振 动 ， 这 一规律未有 改变 拉 滑速度的影 响 图 表示 了拉 速 对摩擦 力 的影 响 由图可 见 ， 在 试验 的振 幅和 频 率条件下 ， 拉 速 对摩擦 力 的影 响也很大 ， 当拉 速 比较低 时 耐 ， 摩擦力 较高 约 哟 ， 随拉 速 的提 高 ， 摩 擦 力 有 一 个 极 小 值 而 时 ， 仅 约 峋 ， 但 拉 速 继 续 增 加 ， 达 到 时 ， 摩 擦 力 又 有 提 高 在 流体摩 擦 中 ， 速 度 是 一 个 非 常重要 的 因素 ， 其 变化规律 由 给 出 ， 随速 度增 加 ， 流 体润 滑 的 比例提高 ， 同时边 界 润 滑 的 比例下 降’ 叠加 振 动 以 后 的规律 与 图仍然相 似 频率 的影 响 频 率对于 摩擦 力 的影 响如 图 所 示 由 图可 知 ， 在 试 验 的范 围 内 ， 低 频 振 动 时 ， 摩 擦 力 较 低 ， 随 频 率 升 高 ， 摩 擦 力 也 升 高 ， 当频 率 为 一 时 ， 有 最 大 值 ， 但 是 ， 当超 过

Vol.19 No.4 唐获等：薄板压延中在压边圈叠加振动的模拟试验 ·353· 30H五，摩擦力又一次下降 对流体润滑，有著名的雷诺方程： -6n+12w产 式中：x为单元体位置坐标；P为油膜压力；U为两表面水平相对速度；V为两表面垂直相 对速度；)为粘度；h-h·为两平面间两点的高度差. 由公式知，在流体摩擦中，液体压力的建立与两表面的垂直、水平速度(，U)、润滑剂() 和润滑区内两点的高度差(h一h·)有关. 对于频率影响的分析可以由雷诺公式得到解释，即频率的变化在公式中由垂直速度V间 接得到了反映，频率比较高时，垂直速度V也较大，所以摩擦力也低.至于在频率很低时，摩擦 力也较低，则需进一步研究， 2.4振幅的影响 图4为振幅的影响.由图可知，随振幅的增加，开始摩擦力变化不大，但到一确定值a/F。 =10%时，摩擦力开始下降，且在试验的范围内，摩擦力连续下降 振幅的影响也可以由雷诺方程得到解释，在方程中有一项，称为楔型项，表示了两滑动表 面间、任意两点的高度差h-h·对油膜压力的影响，而h一h·在一定程度上反映了振幅的大 小，振幅大，h一h*也大，造成的流体压力大，润滑效果也好. 值得指出的是，由雷诺方程所确定的h一h·和V值，在振动条件下，对一个振动周期， 只有半波是对降低摩擦力是有利的，即增加正压力的半波：减少正压力的半波对降低摩擦力 不利，因为此时h-h·和V均为负值.但是，从另一方面分析，如果正压力减少较多，对摩擦 力的降低也有利.由图4可见，在较小的振幅情况下(/F,小于10%)，有利的半波使摩擦力下 降了，但不利的半波也同样使摩擦力上升，其数值的范围比无振动的更宽，达到约45~70N, 而无振动的摩擦力范围仅为54~58N.显然这是由于不利半波虽然能部分减少摩擦力，但 其与h一h*为负值时造成的不利影响相比较小，因而造成了在摩擦力下限降低的同时，上 限更高.但随着振幅的增加，不利半波对正压力减小的影响突出，因此最终的结果是，使h一 h·为负值而造成的不利影响与正压力减少的综合作用，使摩擦力连续下降， 2.5对摩擦峰值的影响 在薄板成形的实际过程和拉带摩擦试验中，薄板从静止到滑动，一般要经过一个摩擦力 的峰值，图5是试验中实测的正压力、摩擦力 700 随时间变化的曲线.可见摩擦力曲线开始有一 600 正压力 500 个峰值，该峰值对成形是不利的，为考察振动 400F 对摩擦峰的影响，定义一S值，S=(hA一h)hg’ 300 摩擦力 显然当S值为零时，摩擦峰消失， 200F 图6表示了S值与相对振幅的关系，图7 00 表示了S值与频率的关系.从两图可见，振动 2 U/s 3 对降低S值是有利的，而频率的影响更显著， 图5定义的摩擦峰值

唐荻等 薄板压延 中在压边 圈叠加振 动的模拟 试验 比 ， 摩擦 力 又 一 次下 降 对流体润 滑 ， 有 著 名 的雷诺方 程 尸 ， ， 一 ， ， ， 尸 一 下习二二 勺 创刀 二，一一 十 乙 厂 六一犷 ‘ 气 ’ 一 ’ 力 式 中 为单元 体位 置 坐 标 尸 为油 膜 压 力 为两 表 面 水平 相 对速 度 为两表 面 垂直 相 对速度 ， 为粘 度 一 ’ 为两 平 面 间两点 的高度 差 由公 式 知 ， 在 流体摩擦 中 ， 液体压力 的建立 与两 表面 的垂 直 、 水平 速度 ， 的 、 润 滑剂 川 和 润 滑 区 内两 点 的 高度 差 一 ’ 有 关 对于 频率影 响 的分析可 以 由雷诺公 式 得到解 释 ， 即频 率 的变 化 在公 式 中 由垂直 速度 厂间 接得 到 了反 映 ， 频 率 比较 高 时 ， 垂 直速度 也较大 ， 所 以 摩 擦力也低 至 于 在 频率很 低 时 ， 摩擦 力也 较低 ， 则需 进 一步研究 振幅 的影 响 图 为振 幅 的影 响 由图可 知 ， 随振 幅 的增 加 ， 开始 摩擦 力 变 化 不 大 ， 但 到 一确 定值 凡 时 ， 摩擦 力 开始 下 降 ， 且 在 试验 的范 围 内 ， 摩擦 力 连续 下 降 振 幅 的影 响也 可 以 由雷诺方程 得 到解 释 在 方 程 中有 一项 ， 称 为楔 型 项 ， 表示 了两 滑 动 表 面 间 、 任意 两 点 的高度 差 一 ‘ 对油 膜 压力 的影 响 ， 而 一 ‘ 在 一定 程 度 上反 映 了 振 幅 的大 小 ， 振 幅大 ， 一 也大 ， 造成 的流体压力大 ， 润 滑效 果 也 好 值得 指 出 的是 ， 由雷 诺方 程 所 确 定 的 一 ’ 和 值 ， 在 振 动条 件 下 ， 对一 个 振 动周 期 ， 只 有半 波是 对降低 摩擦 力是 有利 的 ， 即增 加 正 压 力 的半 波 减 少 正 压 力 的半波 对降低 摩擦力 不 利 ， 因为此 时 一 率 和 均 为 负值 但是 ， 从另 一 方 面分 析 ， 如 果 正 压 力 减 少 较 多 ， 对摩擦 力 的 降低 也有利 由图 可 见 ， 在 较小 的振 幅情 况 下 凡 小 于 ， 有 利 的半波使摩 擦 力下 降 了 ， 但不 利 的半 波也 同样 使摩擦力上 升 ， 其数值 的范 围 比无 振 动 的更 宽 ， 达到 约 一 ， 而 无 振 动 的摩 擦力 范 围仅 为 一 显 然 这是 由于 不 利 半 波 虽 然 能 部 分 减 少摩 擦 力 ， 但 其 与 一 为 负值 时造 成 的不 利影 响相 比较小 ， 因而 造 成 了在 摩擦 力 下 限 降低 的 同时 ， 上 限更 高 但 随着 振 幅 的增 加 ， 不 利 半 波 对正 压 力 减 小 的影 响突 出 ， 因此 最 终 的结 果 是 ， 使 一 为 负值 而造 成 的不利 影 响与正 压力 减 少 的综合作 用 ， 使摩擦 力 连续 下 降 对摩擦峰值 的影 响 在 薄板 成 形 的实 际过 程 和 拉 带摩擦 试 验 中 ， 薄板 从静止 到 滑 动 ， 一 般要 经 过 一 个 摩擦 力 正 压力 一 … 一 呵 · … ，曰︼乙曰，、、︸、 曰 八曰 只蜷瞥巴冷之 的 峰值 ， 图 是 试 验 中 实 测 的 正 压 力 、 摩 擦 力 随 时 间变 化 的 曲线 可 见 摩 擦 力 曲线 开始 有 一 个 峰值 ， 该 峰值 对 成 形 是 不 利 的 为 考 察 振 动 对摩 擦 峰 的影 响 ， 定 义 一 值 ， 一 、 一 。 ， 显然 当 值 为零 时 ， 摩 擦 峰消失 图 表示 了 值 与 相 对振 幅 的 关 系 ， 图 表 示 了 值 与频 率 的 关 系 从 两 图 可 见 ， 振 动 对降低 值是 有 利 的 ， 而 频率 的影 响更 显著 图 定义 的摩擦峰值

·354· 北京科技大学学报 1997年第4期 3 25 0.8 2 0.6 1.5 谔 0.4 0.5 02 一一 0 0 48 1216 20 0 10 2030405060 a.Fn-1% 频率/Hz 图6正压力5NWmm2时S值与振幅的关系 图7正压力5NWmm时S值与频率的关系 4结论 (1)在较大的正压力上(>5NWmm)叠加振动，可使摩擦力降低20%左右.(2)频率5~ 15Hz的范围，对降低摩擦力是有利的.(3)当相对振幅(lF)大于10%时，摩擦力有明显的 降低.(4)在振动条件下，拉速200mms时摩擦力有最低值.(5)在正压力为5NWmm㎡2下，振动 的叠加，使摩擦峰下降，直至消失，而频率的影响更大， 参考文献 1 Gebhart J.Ziehen von Draehten mit Ueberlagerten Ultraschallschwingungen,Teil 1:Draht,1981,34:199 2 Moeller J.Ueber den Einfluss von Ultraschall auf das Reibungsverhalten Kohlenstoffarmes Feinblech beim Tiefziehen.(Dr.Inge Dissertation).TU Hannover,1974 3 N.N:Euro-BLECH 92,Blech Rohre Profile,1993,40(1):64 4 Siegert K.Wanger S.Einfluss der Oberflaechenstrukturen von Feinblech aus Aluminiumlegierungen und Werkzeug auf Tribologische Verhalten beim Tief-und Streckziehen.EFB-Kolloguium,1993 Overlapping Oscillation on Blank Holder for Improving Friction during Deep Drawing Tang Di Wang Xianjin Materials Science and Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT A low frequency oscillation is overlapped in strip drawing test,which simulates the friction.state of sheet between blank holder and die with oscillation.The influence of amplitude,frequency,drawing speed,normal pressure,surface topography on friction have been given through the test.It shows,overlapping low frequency oscillation on blank holder in sheet metal forming is helpful under some conditions. KEY WORDS friction,surface,oscillation,deep drawing

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 生‘ ‘ 山‘ 己竺二上 一 二 ， 、 · 一 ’ 图 正压力 时 月 到直与振幅的关系 瓷 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 频率 圈 正压力 一 树酬直与频率的关系 结论 在 较大 的正 压力上 卜刀 叠 加 振 动 ， 可使摩 擦 力 降低 左 右 频率 一 比 的 范 围 ， 对降低 摩 擦 力是 有 利 的 当相 对振 幅 大 于 时 ， 摩 擦力 有 明显 的 降低 在 振 动条件下 ， 拉速 时摩擦力有最低值 在 正压力 为 坤 下 ， 振 动 的叠 加 ， 使摩擦峰 下 降 ， 直 至 消失 ， 而 频 率 的影 响更 大 参考文献 仪 石 而 块 血 切仃 ， ， ， 块悦 比 翻 掩 山 劝川 任 民 肠 压 ， 卜 ， ， ， ， 切 划 】 比 一 ， 环公 石“ ’ ， ， ， ， 解 ， ， ， ， 刀 山 ， ， 刚 石 ，