5CrMnMo模具鋼銷盤磨損試驗(yàn)及仿真驗(yàn)證

李 禧，張 瑩，陳志英，曹峰華，李英杰，孫 彥，姚 碩，包世友

（1.上海工程技術(shù)大學(xué) 材料工程學(xué)院，上海 201620；2.上海工程技術(shù)大學(xué) 汽車與機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620；3.上海電機(jī)學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，上海 200245；4.上海斐業(yè)機(jī)械制造有限公司，上海 201112）

0 引 言

5CrMnMo鋼是使用廣泛的熱作模具鋼之一，因具有良好的耐磨性和較高的強(qiáng)度而應(yīng)用于汽車和機(jī)械等行業(yè)。熱作模具鋼模具通常需要在一定的載荷下將處于高溫的固態(tài)金屬鍛造成形，因而使用壽命較短，失效形式也多種多樣，常見(jiàn)的失效形式為磨損、疲勞裂紋、塑性變形及脆性破損等[1]。磨損是導(dǎo)致模具失效的主要因素之一，根據(jù)K LANGE等的研究，在鍛造時(shí)由于磨損造成的模具失效比例占70%[2]。磨損被定義為當(dāng)接觸表面之間有滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)材料的損失或轉(zhuǎn)移，材料的磨損性能受材料表面接觸狀況、接觸溫度、壓力、磨損系數(shù)等因素的影響。一直以來(lái)國(guó)內(nèi)外研究者致力于研究材料表面的磨損行為，并逐漸采用有限元方法預(yù)測(cè)材料的磨損性能[3-7]，因此將試驗(yàn)和有限元結(jié)合是研究磨損的主要方法之一。

銷盤磨損是進(jìn)行磨損分析和有限元分析的主要試驗(yàn)裝置之一，對(duì)于銷盤試驗(yàn)仿真也是驗(yàn)證試驗(yàn)正確性的手段之一。S A PRIIT PODRA[8]利用AN?SYS對(duì)滑動(dòng)磨損進(jìn)行模擬，并將模擬結(jié)果和銷盤試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。K K BOSE等[9]基于有限元方法對(duì)ABAQUS進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，并對(duì)銷盤試驗(yàn)中的滑動(dòng)磨損進(jìn)行了模擬，驗(yàn)證了有限元預(yù)測(cè)磨損的準(zhǔn)確性；A A SCHMIDTA等[10]利用ANSYS軟件對(duì)銷盤試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行了模擬，并將模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果比較，驗(yàn)證了干滑動(dòng)磨損仿真模型的準(zhǔn)確性。

現(xiàn)以熱作模具鋼5CrMnMo為研究對(duì)象，通過(guò)銷盤試驗(yàn)得到了磨損因子，并對(duì)磨損模型進(jìn)行設(shè)定，用以模擬和預(yù)測(cè)該材料的磨損。同時(shí)對(duì)球形銷-盤試驗(yàn)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的磨損情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，并將模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了有限元模型的準(zhǔn)確性。

1 材料與方法

1.1 Archard磨損模型

磨損引起的表面損傷預(yù)測(cè)通常使用Archard的磨損理論模型[11]，在該模型中，將磨損量定義為與接觸載荷、滑動(dòng)距離以及材料表面硬度有關(guān)的函數(shù)，即：

其中，dV為磨損體積；dP為接觸載荷；dL為滑動(dòng)距離；H為較軟材料的表面硬度；k為磨損因子，為無(wú)量綱常數(shù)，一般由摩擦磨損試驗(yàn)獲得。

dV、dP、dL可表示為：

其中，dW為磨損深度；dA為接觸面積；p為接觸壓力；v為相對(duì)滑動(dòng)速度；dt為滑動(dòng)時(shí)間，將式（2）代入式（1）可以得到下式：

由于材料表面法向壓力和相對(duì)滑動(dòng)速度是隨時(shí)間和位置而變化，對(duì)式（3）修改并兩邊積分后得到一次旋轉(zhuǎn)周期后的總磨損深度：

其中，Wi為i位置在一次旋轉(zhuǎn)后的總磨損深度；pij表示第i位置第j時(shí)刻的法向壓力；vij表示第i位置第j時(shí)刻的相對(duì)滑動(dòng)速度。

1.2 球形銷-盤磨損試驗(yàn)

研究使用的材料為應(yīng)用于熱鍛模零件的5CrM?nMo熱作模具鋼，主要成分如表1所示。對(duì)5CrMn?Mo熱作模具鋼采用調(diào)質(zhì)處理，硬度達(dá)到450 HV。磨損試驗(yàn)是在UMT-2高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)采用球形銷-盤法，摩擦球材料為Al2O3，直徑為φ10 mm，試樣由5CrMnMo熱作模具鋼制成，尺寸為15 mm×15 mm×5 mm。磨損試驗(yàn)在恒定載荷（50 N）下進(jìn)行，轉(zhuǎn)速為450 r/min，溫度選取為200、300、400、500℃，具體試驗(yàn)條件如表2所示。每次試驗(yàn)前后試樣需要在乙醇中進(jìn)行超聲波清洗，然后熱吹風(fēng)機(jī)干燥后，使用電子天平測(cè)量試樣的質(zhì)量（重復(fù)3次取平均值），天平精度為0.1 mg，并記錄測(cè)量結(jié)果。利用Archard磨損模型，將磨損量轉(zhuǎn)化為公式（5）、（6），即可得到磨損量V和磨損因子k。

表2 高溫磨損試驗(yàn)條件

1.3 銷盤-磨損仿真模型建立

利用有限元軟件DeForm-3D對(duì)5CrMnMo熱作模具鋼的高溫摩擦磨損過(guò)程進(jìn)行仿真，有限元模型如圖1所示。磨損銷材料為5CrMnMo鋼，該材料的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)由參考文獻(xiàn)[12]獲得。對(duì)磨損銷和磨損盤進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)磨損區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格局部細(xì)化，其中磨損銷的網(wǎng)格數(shù)量為30 000，磨損盤的網(wǎng)格數(shù)量為70 000，界面摩擦模型為剪切摩擦模型，摩擦系數(shù)由試驗(yàn)得到，磨損模型采用Archard磨損模型。

圖1 球形銷-盤試驗(yàn)有限元模型

2 結(jié)果與討論

2.1 球形銷-盤磨損試驗(yàn)結(jié)果

圖2所示為5CrMnMo模具鋼的磨損因子和平均摩擦系數(shù)在不同溫度下的變化規(guī)律，由圖2可知，磨損因子在200～400℃，隨著溫度的升高，磨損因子呈穩(wěn)步上升趨勢(shì)，當(dāng)溫度大于400℃時(shí)，磨損因子呈下降趨勢(shì)；對(duì)于摩擦系數(shù)，當(dāng)溫度在200～300℃，平均摩擦系數(shù)隨溫度的升高而下降，當(dāng)溫度在300～500℃，隨溫度的升高，平均摩擦系數(shù)呈上升趨勢(shì)。

圖2 磨損因子和摩擦系數(shù)在不同溫度下的變化規(guī)律

2.2 仿真結(jié)果

將圖2中不同溫度下的磨損因子和摩擦系數(shù)輸入有限元軟件中分別進(jìn)行仿真，得到不同溫度的磨損盤的磨損分布情況，如圖3所示。從圖3可以看到，隨著溫度的升高，磨損盤的磨損范圍在逐漸變大，但是對(duì)比仿真后的最大磨損深度發(fā)現(xiàn)，在200～400℃，磨損深度隨著溫度的升高而穩(wěn)步上升；在400～500℃則不同，磨損深度隨著溫度的升高而下降，與實(shí)際磨損情況一致。圖4所示為不同溫度下磨損盤在試驗(yàn)和仿真后的最大磨損深度的比較結(jié)果，仿真結(jié)果和實(shí)際磨損結(jié)果比較吻合。

圖3 不同溫度的磨損盤磨損情況

圖4 不同溫度試驗(yàn)和仿真時(shí)的最大磨損深度

為了進(jìn)一步驗(yàn)證有限元模型對(duì)磨損預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，通過(guò)激光共聚集顯微鏡對(duì)試樣磨損后的表面輪廓進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果和有限元結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，利用Origin軟件將對(duì)比結(jié)果擬合成圖。圖5所示為200℃下試樣經(jīng)過(guò)25 min高溫摩擦磨損后的磨損輪廓（垂直于滑行方向）與有限元結(jié)果的對(duì)比。從圖5可以看到，有限元結(jié)果和實(shí)際表面磨損輪廓的形狀變化一致，說(shuō)明建立的球形銷-盤有限元模型能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)球形銷-盤試驗(yàn)的實(shí)際磨損過(guò)程。

圖5 200℃磨損盤表面輪廓對(duì)比

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)5CrMnMo模具鋼的磨損因子進(jìn)行了研究，并通過(guò)球形銷-盤磨損試驗(yàn)得到了不同溫度的5CrMn?Mo模具鋼的磨損因子及摩擦因子。通過(guò)球形銷-盤試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，磨損因子及最大磨損深度在400℃達(dá)到最高，當(dāng)溫度在400～500℃，磨損因子和最大磨損深度會(huì)隨著溫度的升高而下降。采用DeForm有限元軟件對(duì)球形銷-盤磨損試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并將仿真結(jié)果和實(shí)際磨損結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)基于Archard磨損模型建立的有限元模型能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)球形銷-盤磨損試驗(yàn)的磨損情況。