金属塑性成形接触表面摩擦特性的测算

作     者：温瑞洁 

作者单位：燕山大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李纬民

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：摩擦切应力 刚塑性有限元 镦粗 节点位移速度 软件系统 

摘      要：金属塑性成形过程中,工具与工件间接触表面的摩擦是一种复杂的物理现象,对于成形工艺的可行性及制件质量至关重要。在求解塑性问题时,摩擦力作为重要的边界条件,对计算结果影响甚大。为满足实际计算的需求,许多研究者从各角度进行了大量探究,他们或提出摩擦模型,或发明摩擦测量方法,但其主要局限于对摩擦系数的完善和测定,并没有真正揭示塑性成形中摩擦切应力的分布规律。本文以刚塑性有限元理论为依据,利用FORTRAN语言开发一套摩擦特性测算分析的软件系统,其可实现的功能为输入接触面节点位移速度可求解出各节点的节点力,再根据等效节点力的计算方法逆推出接触表面摩擦切应力的分布规律。而接触表面节点位移是通过将表面蚀刻有同心圆网格的圆柱体试件进行镦粗,然后测量网格的直径得到的。在实验方面,本文以Q235的圆柱坯料为实验对象,设有七种不同高径比、两种不同接触端面粗糙度的试件,均以1mm为增量加载,每下压1mm记录同心圆的直径,换算为相对节点位移速度,将其作为边界条件输入到数值系统中,最终得出了摩擦切应力在接触面上的分布规律,以及不同高径比、不同粗糙度对接触表面摩擦力分布规律的影响。计算结果表明,在圆柱端面上,从中心到边缘,摩擦切应力先线性增大,达到某一数值后减小。并且随着压下量的增大,最高点的位置向中心方向发生偏移。在相同压下量下,高径比大的试件的切应力最高点的位置较高径比小的试件靠近边缘。高径比的增加使得表面摩擦切应力整体减小。对于高径比1.4范围内的试件,试件表面粗糙度的增大,并没有太多影响摩擦切应力在整个端面上的摩擦分布规律,只是引起摩擦切应力整体的增大,及试件端面靠近外缘部分摩擦切应力减小区域的增大。