基于脹形試驗(yàn)的4種預(yù)涂潤(rùn)滑油性能對(duì)比研究

中圖分類號(hào)：TG306 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19710/J.cnki.1003-8817.20240323

Comparative Study on Properties of Four Kinds of Prelubricating Oil Based on Bulging Test

Yuan Baiqiang， Xu Chenglin， Wang Xueshuang， Xu Yang， Song Yue （Commercial Vehicle Development Institute，F(xiàn)AW Jiefang AutomobileCo.，Ltd.，Changchun 130011）

Abstract：In order to compare thelubrication propertiesof the four pre-lubricants，thispaper studies the influenceoffrictioncoeficientonthe material thinningrateinthe bulging process bynumerical simulation.The results show thatunder the same otherconditions，thesmallerthe friction coeficientis，the smallerthe sheet thinning rateis，thatistosaythebetterthelubricationefectisinthebulgingtest，thesmallertheforminglimitheightof the sheet.Based on thenumerical simulation results，four kinds of pre-lubricants are used tocarryout bulging test to compare the lubricationproperties.Theresults show that lubricating oilA has the best lubrication properties，followed bylubricatingoilDandB，andlubricating oilChasthe worst lubricationproperties.Inadition，itis found that lubricating efectoflubricatingoilBweakens with theincreaseofcoatingamount，whereas thatoflubricatingoil Cand D increases first and then decreases with the increase of coating amount.

KeyWords：Pre-lubricatingoil，Precoatedsteel plate，Bulgingtest，Numericalsimulation

1前言

出廠時(shí)所附帶的潤(rùn)滑油（預(yù)涂潤(rùn)滑油）可滿足板料成形過(guò)程中的潤(rùn)滑需求，省去沖壓前的清洗、涂油等工序，提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本。

沖壓成形工藝具有生產(chǎn)效率高、材料利用率高和成本低的優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的金屬板材成形技術(shù)。汽車零部件中沖壓件的數(shù)量占比高達(dá) 60%～70%^[1] 。實(shí)際生產(chǎn)中，需在沖壓成形前為板料與模具涂覆拉延油增強(qiáng)潤(rùn)滑性，改善板料沖壓時(shí)的流動(dòng)狀態(tài)，有利于提高產(chǎn)品合格率2。鋼板脹形試驗(yàn)常用于評(píng)價(jià)板料的成形極限，而潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑性能對(duì)板料的成形極限有很大影響[3]。試驗(yàn)過(guò)程中，在鎖止筋的限制下，壓邊圈和凹模之間的板料無(wú)法向模具內(nèi)流動(dòng)，只有與凸模接觸區(qū)域的板料可以流動(dòng)，而潤(rùn)滑油正是通過(guò)改變板料的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)而影響板料的成形極限。因此，影響脹形試驗(yàn)中板料成形極限的因素只有潤(rùn)滑油。

本文進(jìn)行脹形試驗(yàn)并將板料成形極限作為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比4種潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑性能。首先通過(guò)數(shù)值模擬研究脹形過(guò)程中不同摩擦因數(shù)對(duì)板料成形極限的影響規(guī)律，然后分別對(duì)不同種類的潤(rùn)滑油進(jìn)行脹形試驗(yàn)，比較各組試驗(yàn)的板料成形極限高度，總結(jié)不同種類潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑效果以及潤(rùn)滑油涂覆量對(duì)潤(rùn)滑效果的影響規(guī)律。

2板料脹形性能數(shù)值模擬

2.1 有限元模型的建立

2.1.1 幾何模型

以脹形試驗(yàn)使用的模具為原型，建立有限元分析模型，如圖1所示。在數(shù)值模擬過(guò)程中，為還原脹形試驗(yàn)的真實(shí)場(chǎng)景，將壓邊力設(shè)為 300kN 并保持不變，使用鎖止筋以限制拉延筋以外的材料向內(nèi)流動(dòng)。成形開始前將壓邊圈頂起 60mm ，即板料的極限成形高度為 60mm ，通過(guò)比較板料的減薄率，判斷摩擦因數(shù)對(duì)脹形試驗(yàn)中板料成形極限的影響。

2.1.2 材料模型

為使試驗(yàn)結(jié)果貼近實(shí)際生產(chǎn)，本文選擇拉延工藝中常見的St16鋼板為試驗(yàn)對(duì)象，板料厚度為1.0mm ，密度為 7850kg/m³ ，彈性模量為 210GPa ，泊松比為0.3。

2.1.3有限元分析方案

在數(shù)值模擬過(guò)程中將摩擦因數(shù)分別設(shè)為0.05、0.10、0.15和0.20，模擬不同種類潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑效果。摩擦因數(shù)越小，則潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑效果越好，反之則潤(rùn)滑效果較差。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

摩擦因數(shù)為0.15的潤(rùn)滑油數(shù)值模擬分析結(jié)果如圖2所示，由圖2可知，板料脹形過(guò)程中，減薄率最大的位置在板料與凸模的接觸區(qū)，該區(qū)域在脹形過(guò)程中受到的主應(yīng)力最大，最容易產(chǎn)生局部減薄，發(fā)生頸縮或開裂。

2.3摩擦因數(shù)對(duì)板料脹形性能的影響

圖3為摩擦因數(shù)分別為 0.05，0.10，0.15 和0.20時(shí)潤(rùn)滑油的數(shù)值模擬分析結(jié)果，板料的最大減薄率與摩擦因數(shù)的關(guān)系如圖4所示。

由圖3可知，板料的最大減薄率均出現(xiàn)在與凸模的接觸區(qū)。在脹形至同等深度的前提下，隨著摩擦因數(shù)的增大，板料的最大減薄率逐漸減小，這是由于板料與凸模的接觸區(qū)域在脹形過(guò)程的開始階段受到的主應(yīng)力最大，該區(qū)域的板料最先發(fā)生減薄，而較小的摩擦因數(shù)促使該部分板料向未與凸模接觸的區(qū)域流動(dòng)，從而使此區(qū)域板料更易發(fā)生減薄，同時(shí)也最先發(fā)生開裂。

3 脹形試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)方案

如圖5所示，采用BCS-1000A板材成形試驗(yàn)機(jī)，按照GB/T15825.8—2008《金屬薄板成形性能與試驗(yàn)方法第8部分：成形極限圖（FLD）測(cè)定指南》進(jìn)行脹形試驗(yàn)，試驗(yàn)使用的模具尺寸與數(shù)值模擬建立的幾何模型相同，所使用的板料與數(shù)值模擬保持一致，即厚度為 1.0mm 的St16鋼板，初始板料尺寸為 180mm×180mm ，同樣采用鎖正筋限制拉延筋以外的材料向內(nèi)流動(dòng)，試驗(yàn)過(guò)程中將壓邊力設(shè)置為 300kN 。

試驗(yàn)件開裂位置為與凸模接觸的區(qū)域，與數(shù)值模擬結(jié)果相同。

試驗(yàn)結(jié)束后，可獲得試驗(yàn)力最大值對(duì)應(yīng)的位移，其數(shù)值為板料脹形的極限高度。在脹形過(guò)程中，潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑性能越好，與凸模接觸區(qū)域的材料更易向未接觸區(qū)流動(dòng)，從而發(fā)生減薄，越早地出現(xiàn)頸縮和開裂，板料脹形的極限高度越小。

為比較不同種類潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑效果，試驗(yàn)開始前分別將 A，B，C，D4 種潤(rùn)滑油均勻涂覆于各試驗(yàn)鋼板表面的指定區(qū)域，涂油量均為 25g/m² ，比較各種潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑性能。此外，為比較不同潤(rùn)滑油不同涂覆量對(duì)潤(rùn)滑效果的影響，將 B，C，D3 種潤(rùn)滑油分別按照 5g/m²，25g/m² 和 55g/m² 的涂覆量涂覆于各鋼板表面進(jìn)行試驗(yàn)。以上每種試驗(yàn)設(shè)置3組，取平均值，試驗(yàn)方案如表1所示。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 4種潤(rùn)滑油潤(rùn)滑性能對(duì)比

試驗(yàn)開始前，將潤(rùn)滑油均勻涂覆于板料與凸模發(fā)生接觸的區(qū)域，之后將涂有潤(rùn)滑油的板料對(duì)中放置于壓邊圈上，啟動(dòng)試驗(yàn)程序后凹模快速下行與板料接觸并與壓邊圈一同將板料鎖死后，以5mm/min 的速度帶動(dòng)板料向下勻速運(yùn)動(dòng)。在與凸模接觸后，板料局部區(qū)域開始減薄，最終出現(xiàn)頸縮直至開裂。當(dāng)試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)到成形力突然下降時(shí)，自動(dòng)停止運(yùn)動(dòng)，試驗(yàn)結(jié)束，得到的試驗(yàn)件如圖6所示。

對(duì)比不涂覆潤(rùn)滑油與分別涂覆A＼～D4種不同種類潤(rùn)滑油且涂油量均為 25g/m² 的5組脹形試驗(yàn)，總結(jié)出成形極限高度與有無(wú)潤(rùn)滑油涂覆以及潤(rùn)滑油種類之間的關(guān)系，如圖7所示。由圖7可知，與不涂覆潤(rùn)滑油相比，涂油后的成形極限均有所提升。其中，涂覆潤(rùn)滑油A的板料成形極限高度最小，為 155.6mm ，表明潤(rùn)滑油A的潤(rùn)滑的效果最好，潤(rùn)滑油D次之，其板料成形極限高度為 155.8mm ，潤(rùn)滑油C的潤(rùn)滑效果最差，極限高度為 156.6mm ○

3.2.2潤(rùn)滑油涂覆量對(duì)潤(rùn)滑性能的影響

圖8為 B，C，D3 種潤(rùn)滑油的不同涂覆量與板料成形極限高度的關(guān)系。由圖8可知，潤(rùn)滑油B的涂覆量與板料成形極限高度呈線性關(guān)系，當(dāng)涂覆量為 5.0g/m² 時(shí)，潤(rùn)滑油B的成形極限高度最小，為155.84mm ，仍大于潤(rùn)滑油A的成形極限高度。而涂覆潤(rùn)滑油C和潤(rùn)滑油D時(shí)，板料的成形極限高度均隨著涂覆量的增加呈先上升后下降的趨勢(shì)，試驗(yàn)中，潤(rùn)滑油D的成形極限高度均小于潤(rùn)滑油C，當(dāng)潤(rùn)滑油D的涂覆量達(dá)到 55g/m² 時(shí)，其板料成形極限高度達(dá)到最低，為 155.43mm ，但過(guò)高的涂覆量會(huì)提高生產(chǎn)成本。

4結(jié)論

a.本文通過(guò)數(shù)值模擬的方式研究了脹形過(guò)程中摩擦因數(shù)對(duì)板料減薄率的影響。結(jié)果表明，在其他條件相同的前提下，隨著摩擦因數(shù)的增大，板料的最大減薄率逐漸減小，說(shuō)明潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑效果越好，脹形試驗(yàn)中板料的成形極限高度越小。

b.通過(guò)脹形試驗(yàn)對(duì)比4種潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑性能，結(jié)果表明，在涂覆量相同的前提下，潤(rùn)滑油A的潤(rùn)滑效果最好，其次是潤(rùn)滑油D、潤(rùn)滑油B，潤(rùn)滑油C的潤(rùn)滑效果最差。

c.通過(guò)脹形試驗(yàn)對(duì)比了潤(rùn)滑油涂覆量對(duì)潤(rùn)滑效果的影響。結(jié)果表明，在其他條件均相同的前提下，潤(rùn)滑油B的潤(rùn)滑效果隨涂覆量的增加而降低，潤(rùn)滑油C和潤(rùn)滑油D的潤(rùn)滑效果均隨著涂覆量的增加呈先上升后下降的趨勢(shì)，當(dāng)涂覆量相同時(shí)，潤(rùn)滑油D的潤(rùn)滑性能均優(yōu)于潤(rùn)滑油C。

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