基于圆环压缩实验方法的FV520B坯料与QT600-3模具高温摩擦系数的测定.pdf

应用研究模具制造 2023年第11期基于圆环压缩实验方法的FV520B坯料与QT600-3模具高温摩擦系数的测定沈伟涛1，翟武艺2（1.西安航空计算技术研究所，陕西西安 710068；2.西安陕鼓动力股份有限公司，陕西西安 710049）【摘要】通过圆环压缩实验方法对FV520B坯料与QT600-3材质在700、800、900时的摩擦系数进行了测定。通过FORGE仿真软件模拟圆环压缩实验获得的数据绘制了校准曲线，并进行了FV520B圆环与QT600-3砧板的压缩试验，将实验获得的数据与校准曲线进行了对比获得最终的结果：700时摩擦系数介于 0.20.25，800时摩擦系数介于 0.250.3，900温时摩擦系数介于0.30.35。关键词：圆环压缩实验；摩擦系数；FV520B；热压成形中图分类号：TG230.2；TB357.5 文献标识码：BDOI：10.12147/ki.1671-3508.2023.11.050Measurement of High Temperature Friction Coefficient Between FV520B Billet and QT600-3 Die Based on Ring Compression Experiment MethodShen Weitao1，Zhai Wuyi2（1.Xian Aeronautics Computing Technique Research Institute,Xian,Shanxi 710068,CHN；2.Xian Shaangu Power Co.,Ltd.,Xian,Shanxi 710049,CHN）【Abstract】In this paper,the friction coefficient between FV520B billet and QT600-3 material at 700,800 and 900 was measured by ring compression experiment.FORGE simulation software is used to simulate the data obtained from the ring compression experiment to draw the calibration curve,and the compression test of FV520B ring and QT600-3 cutting board is carried out.The experimental data is compared with the calibration curve to obtain the final result:The coefficient of friction is 0.20.25 at 700,0.250.3 at 800,and 0.30.35 at 900.Key words:ring compression experiment；friction coefficient；FV520B；hot pressing forming1 引言FV520B不锈钢是一种具有较高的强度、高硬度且具有良好的耐腐蚀性能和焊接性能的马氏体不锈钢，当前在离心压缩机的叶轮中得到了广泛应用1。对轮盘轮盖叶片分开生产后拼焊成形的叶轮，叶片采用热压成形工艺生产，为了制订合理的热压工艺或者对原有工艺进行改进升级，常常需要进行仿真分析进行辅助工艺设计2。在工艺仿真中，各项参数合理的选择决定了仿真结果的准确性，其中成形中坯料与模具的摩擦系数已经被证明会对冲压成形叶片的型面精度有着重要的影响3。摩擦系数会随着温度的变化而变化4，因此，准确测定坯料与模具的摩擦系数并作为仿真分析的输入的参数十分必要。在本文中，叶片热压成形所用的模具材料为冲压模具中广泛应用的球磨铸铁QT600-35，叶片热压时加热温度通常在700900，为了使叶片热压工艺仿真的结果更为准确，需要测定 700、800、900 3 个温度测定 FV520B坯料与 QT600-3 模具的摩擦系数，并将最终的结果导入仿真模型中。摩擦系数的测定通常有多种方法，其中圆环镦粗法在本文研究的变形量范围内对摩擦系数的测定经研究是更准确的6，因此本文采用圆环压缩法。160应用研究模具制造 2023年第11期2 圆环压缩实验测摩擦系数的方法把一定尺寸的圆环试样放在平砧上压缩时，由于圆环与砧面的摩擦系数不同，会在圆环内部形成一个半径为Rn的分流面，该面以内的金属质点向中心方向流动，该面以外的金属质点向外流动，变形后的圆环内径缩小，外径扩大，如图1所示。因此，可以利用可以用压缩后的圆环内外径变化估计Rn的位置从而确定摩擦系数。(b)D0d0RnHH0 (a)D0d0HH0图1 压缩时金属流动图a较小时 b较大时依据以上原理，可以先绘制得到工件和模具之间的校准曲线，然后将圆环压缩实验测得的内外径变化数据与校准曲线对比，从而得到摩擦系数7。校准曲线是指根据在不同的摩擦系数下所做试验的的圆环高度与内径所绘制的关系曲线。随着计算机仿真技术的发展，有限元方法测定校准曲线的得到了广泛的认可并应用8。基于以上原因，本文采用有限元仿真方法获得校准曲线，然后通过实验的方法测定 FV520 圆环料在QT600-3砧板上压缩时内外径变化数据，将实验数据与校准曲线对比从而获得摩擦系数。仿真及实验采用试样尺寸采用632的比例，具体为361812mm，圆环与模具坯料接触面粗糙度为Ra3.2m，其余为Ra6.4m。3 校准曲线的确定3.1 有限元几何模型建立在有限元分析软件Forge中建立圆环压缩有限元分析模型，如图2所示，包含上下模和坯料，圆环坯料网格如图3所示。模型中摩擦模型采用“库伦-剪切摩擦模型”。图2 圆环压缩有限元分析模型 图3 圆环坯料网格3.2 有限元分析结果与校准曲线的绘制设置700、800、900 3种温度、0.2、0.25、0.3、0.4共4种摩擦系数，交叉形成圆环压缩仿真模拟，得到圆环在不同温度下的不同摩擦系数之间的圆环压缩校准曲线，根据结果，可以得到圆环在不同压缩高度下的圆环压缩量h和内径减小量d，将高度变化率记为，内径变化率记为，其中与计算公式如下：=h0-hh0=hh0；=d0-dd0=dd0式中 h圆环压缩后高度，mm h0圆环初始高度，mm，12mm h圆环压缩量，mm d圆环压缩后内径，mm d0圆环初始内径，mm，18mm d圆环内径减小量，mm 根据模拟得到的不同摩擦系数下的圆环压缩后内径 d中的数据绘制不同温度下的圆环压缩校准曲线，如图4所示。51015202530357001015202530=0.4=0.3=0.25=0.2高度变化率/%内径变化率/%51015202530358001015202530=0.4=0.3=0.25=0.2高度变化率/%内径变化率/%1015202530359001015202530=0.4=0.3=0.25=0.2高度变化率/%内径变化率/%图4 不同温度下的圆环压缩校准曲线上模坯料下模 161应用研究模具制造 2023年第11期4 圆环压缩实验过程及数据试样在电加热炉中加热到指定温度后，用夹钳迅速从炉内取出，放到试验机的模具上进行压缩，通过压力机控制压缩量，压缩完成后自然冷却至室温。测量变形后的圆环高度h和圆环内径d。考虑到变形不完全均匀，每个尺寸都取3点测量的平均值。内径d分别取上、中、下3个内径尺寸的平均值。根据测量结果与校准曲线（见图5）对比找出摩擦系数。图5为试件加热后进行压缩压缩过程中的试件，实验相关数据如表1所示。5 摩擦系数的确定在图6中将实验测得的数据点与校准曲线对比，图 6a、6b、6c所示分别为 700、800和 900情况下实验数据与校准曲线对比，根据实验数据点所在的区间位置可以确定摩擦系数的范围。根据实验数据及相关计算，得出材料在不同温度区间下的摩擦系数：图6a可以看出700温度区间下，摩擦系数介于0.20.25mm；图6b可以看出800温度区间下，摩擦系数介于 0.250.3mm；图 6c 可以看出900温度区间下，摩擦系数介于 0.30.35mm。上述摩擦系数结果已在热压仿真模型中进行了应用，仿真计算获得的叶片冷压结果与实验获得的冷压叶片结果进行了对比，尺寸74632213mm的叶片，95%的区域仿真结果与实测结果偏差1mm，摩擦系数测定结果可信。51010151520202525303035高度变化率/%内径变化率/%700=0.4=0.3=0.25=0.20.250.2（a）51010151520202525303035高度变化率/%内径变化率/%800=0.4=0.3=0.25=0.20.250.3（b）1010151520202525303035高度变化率/%内径变化率/%900=0.4=0.3=0.25=0.20.4 0.3（c）图6 实验数据与校准曲线对比综上所述，本文用实验+仿真的方法测定了FV520B坯料与QT600-3模具高温摩擦系数，实验测得的摩擦系数可以在模具设计及仿真工作中直接应用。同时，对于其它坯料与模具摩擦系数的测定也可以采用或借鉴该方法，因此本文有着广泛的参考价值。参 考 文 献1黄丹,冯玮.FV520B马氏体不锈钢的热变形行为和本构关系J.机械工程材料,2018,42(07):67772霍海燕,沈伟涛,刘心等.离心压缩机马氏体不锈钢叶片热锻仿真及精度影响因素分析J.风机技术,2020,62(04):61673符永宏,王忠领等.U形件模具表面摩擦系数对回弹影响的数值模拟J.锻压技术,2011,36(06):28324李武华.常用模具材料的摩擦磨损性能研究及应用D.重庆大学,2014.5吴元徽,丁继斌,周立.QT600-3材料的拉伸模表面强化研究处理J.表面工程与技术,2009,(04):31326汪大年.塑性成形中确定摩擦系数的几种方法J.模具技术,1984,(03):9177李治华,牛昌安,佗劲红等.利用圆环镦粗与有限元法测定TC4钛合金高温变形的摩擦系数J.精密成形工程,2013,5(02):11158秦敏,何文武.圆环镦粗校准曲线的有限元研究J.大型铸锻件,2013,(05):12第一作者简介：沈伟涛，男，1987年10月生，陕西西安人，汉族，研究生，工程师，研究方向：材料加工工艺。（收稿日期：2023-08-24）DMM图5 压缩过程加热温度700800900压缩后高度hmm10.4310.4510.019.589.639.069.4压缩后内径mm16.3716.4515.9315.1515.2113.7514.32高度压缩率%13.8013.6417.2720.1719.7525.1222.31内径压缩率%8.558.1011.0015.8315.523.1820表1 不同温度下的圆环压缩实验数据 162