表面形貌对热锻模具摩擦的影响外文翻译资料

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表面形貌对热锻模具摩擦的影响

摘要：锻造工艺广泛应用于制造消费产品。锻造模具具有机加工型腔，这些型腔通常是由球头工具高速铣削而来，因此，他们最终表面有由加工条件所产生的特征形貌。这项研究的目的是为了深入理解铣削加工模具表面形貌和它在热锻过程中表面磨损的关联。为此，模具使用不同的切削条件加工，即用四种不同形貌的刀具铣削，然后通过锻造典型工件来展开研究。研究发现，在铣削过程中，高的每齿进给量（f_z）和径向切削深度（a_e）所产生的表面微腔形貌，能够让模具获得最好的摩擦性能，因为这些微腔能够存储大量的润滑剂，因此减小了工件材料对模具的粘附。更重要的是，高的每齿进给量和径向切削深度能够减少模具加工时间，低的每齿进给量和径向切削深度就会产生相反的结果，即模具获得最差的摩擦性能和最长的加工时间，因此，应该避免。

关键词：热锻 铣削模具 模具磨损 表面形貌 磨损机制

1. 介绍

热锻模具的成本通常很高，因此，必须确保模具能够获得最长的使用寿命，这就是为什么在锻造行业很多人对改进工具参数有很大的兴趣，特别是对表面接触区域，比如表面纹理（粗糙度和形貌）和表面处理工艺，比如模具喷涂^[1]。为了提高锻造生产率，模具应该在不损害成形产品最终质量的前提下，使用到极限寿命。高负荷、锻造材料的高热流动和工具表面的摩擦，使得热锻过程中的磨损机制非常复杂，这导致了预测和增加模具寿命成为一项复杂而耗时的任务^[2]。

钢的热锻是在900℃到1250℃下进行，在此温度下钢将会产生很大的塑性变形。在热锻期间，模具将会受到由热循环和连续锻压操作所产生的热应力和机械应力，这将会损害模具的表面和次表面层。当模具被润滑液冷却的时候，这些应力就会在锻造充模期间和锻件脱离期间显现出来。其他过程参数，比如模具的初始温度和锻件的成形速度，都会影响模具的使用寿命^[3]。

由于这种不利的环境，出现了几种磨损机制。一种典型的机理就是热疲劳，它是由每一次压力冲程产生的热冲击而引起的，它会使模具在过程开始时产生细小的裂纹，这些裂纹会随着过程的继续而继续增长，最后产生碎屑^[4]。另外一种机理就是塑性变形，它是由热负荷和模具表面高压力而产生的金属滑移的联合作用而产生的。因为温度梯度降低了表面硬度，所以外层的强度不足以承受其在工艺过程中经受的负荷。这种机制在模具拐角处更为明显，因为热负荷和金属滑移在这些地方尤为突出^[5]。第三种机理就是粘附，它是由相互接触表面间物理化学相互作用的内聚性而产生，这种内聚性会阻碍锻件从锻模型腔中脱离，进而可能会导致裂屑^[6]。还有一种典型的机制就是机械疲劳，它通常发生在模具的较薄区域，它受负载的大小、模具的温度和模具表面条件的影响。机械疲劳所产生的裂纹通常在应力最大处开始产生，比如具有小半径的深型腔^[7]。在锻造过程中，磨损是由材料的硬颗粒移位引起的，材料的硬颗粒在高压下在模具型腔中移动，导致了模具颗粒的损失^[8]。影响磨料磨损的因素是温度、接触表面的粗糙度、模具硬度、模具表面上的正常压力、接触表面之间的相对运动的长度和润滑条件^[9]。

Kim等人^[10]针对塑性变形和磨料磨损，用两种不同的冷却方法（冷却孔和直接喷雾冷却法）来预估热锻模具的使用寿命。他们得出，对于一种固定的冷却方法，模具的使用寿命取决于磨料磨损而不是模具的塑性变形。Lakshmipathy和Sagar^[11]研究了模具表面粗糙度轮廓的方向性在锻造过程的载荷中的影响。他们用具有48洛氏硬度的AISI H13的材料进行实验，他们将表面研磨以获得两种不同的表面轮廓：单向的和他们所称谓的“十字交叉”表面，该“十字交叉”表面是通过在与研磨的第一方向呈45°的方向上研磨表面而获得。他们发现十字交叉表面比单向表面需要更小的锻模压力。他们还确认，在锻造过程中，具有中等光洁度的模具表面比高度抛光的表面具有更好的性能。Menezes等人^[12]用倾斜的销板滑动装置进行了一些实验，他们用此试图理解表面研磨标记的方向性对不同硬度材料的摩擦和转印层形成的影响。他们的主要结论是，摩擦系数随着磨削角度（磨痕和滑动方向之间的角度）的增加而增加。在他们另一项工作中，他们用有限元模拟的方法来研究摩擦对金属成形的影响，他们发现，模具和工件之间摩擦系数的变化直接影响到工件的应力分布和形状，这将对加工材料的微观结构产生意义。Malayappan和Narayanasamy^[14]等人采用不同的平模具表面的摩擦条件，对铝实心圆柱体的膨胀效应进行了实验，他们通过不同的加工工艺，例如磨削、铣削、电火花加工、用“0”级金刚砂纸进行车削和精加工来制造不同表面光洁度的平模。在所研究的不同表面光洁度中，磨削加工的压板产生的摩擦最小，因此磨削圆柱体的膨胀效应最小。铣削加工的表面光洁度比车削加工的光洁度产生的摩擦更小。在其他加工方法中，Wagner等人^[15]用激光纹理来改变冲头表面质量，他们建立了1mu;m深度、50mu;m直径和10°侧面角的表面纹理，经过实验之后，纹理的深度仍然是1mu;m，但是侧面角降低了5°-6°，与没有进行此处理的工具相比，该工具的相对寿命提高了百分之七十。Schubert等人^[16]在成形工具的球形型腔表面加工出图案，然后进行环盘测试以确定其摩擦系数。他们发现，图案化的球形型腔与未加工图案的型腔相比，能够减少高达27%的摩擦系数。

用于制造硬质模具的最广泛的方法是使用球头刀具高速铣削（HSM）。 HSM提供了优于传统加工方法的若干优点，例如，较低的切削力和较好的表面质量。 此外，可以在不经受临界振动的刀具旋转的范围内执行切割^[17]。这减少或甚至消除了对表面抛光的需要，从而降低制造成本^[18]。高速铣削模具的特点在于，较小的径向切割值、较小的轴向深度值、每次刀具旋转中切割边缘和工件之间较小的接触角、为切割小拐角所需的小刀具直径而达到指定切割速度的刀具高速旋转和高的每齿进给量（由于接触角小，小的每齿进给量将引起小的平均切削厚度），因此，高的每齿进给量和高的工具旋转速度造成了高的特定切削力和高的进给速度^[17]。高速铣削，能够产生粗糙度接近Ra0.1mu;m的表面，并且经常用于加工硬度范围为32~60洛氏硬度的硬质钢^[19]。

表面的特征在于其结构、表面和次表面的冶金性质（例如硬度和微结构）。切削会引起加工表面和子表面的变化，这可能会影响其硬度和疲劳强度，并且导致微裂纹、微结构变形、过热和表面不规则^[20]。

1. 模具表面纹理对模具耐磨性影响的假设

模具的表面完整性与其耐磨性密切相关。 在车间，一个共同的标准是，表面越光滑，其性能越好，但生产时间越长。 然而，最光滑的表面不一定是最好的，因为较粗糙的表面可以更好地存储润滑剂，并且因此抵抗磨损机制^[21]。例如，可以通过粗糙度轮廓存储润滑剂膜，例如石墨。而且在特定条件下，可以通过由表面谷形成的微贮存器供给连续润滑剂状态^[22]。在模具的铣削中，切削条件的确定是基于理论粗糙度计算^[23]。如果在铣削期间每齿进给量与径向切削深度保持相等，那么所得到的表面纹理将会是准对称的（在所有方向上具有相同的表面粗糙度），相比于每齿进给量低于径向切削深度所铣削出来的表面，这样将会获得更高的精度和机械强度^[17]。因此，在这项工作中需要探索一些假设：（a）在模具磨损方面，最光滑的表面是模具的最佳表面；（b）对于模具磨损，准对称表面也是模具的最佳表面。

3.实验步骤

图1所示的是用于本次实验研究的一组模具。在本次工作中，对锻造过程进行数值模拟，用以发现模具的哪个部分是磨损发生的最合适区域。考虑模具表面的正常应力和金属流动引起的锻材切向速度对磨损进行计算。模拟后的结果也示于图1中，从图中可以看出，闪光地带具有最高磨损（红色区域），因此，本次研究就选择该区域。在使用软件Forge 2008进行模拟时所使用的参数如下：坯料温度1100℃，模具温度200℃，冲压速度15mm/s，润滑剂、水和石墨，有限元尺寸1.5mm。

表1描述了模具材料的化学成分，推荐AISI H13钢用于制造热加工模具。 在淬火和回火以获得马氏体结构之后，材料达到56HRc的最大硬度[24]。

在对外部尺寸进行粗加工、热处理和磨削之后，在进行精铣以在模具的光刃面产生一组不同的表面。用直径8mm的硬质合金球头工具(Sandvik R216F- 08 24 E-L)进行精加工操作，该机床是CNC垂直加工中心，刀具旋转范围从50到12000RPM，主电机功率为22kw。

用每齿进给（fz，在刀具进给方向上测量的两个连续切削刃产生的表面之间的距离）和径向切削深度（ae，在垂直于刀具进给方向上测量的两个刀具路径之间的距离）的组合形式在加工四种不同的表面形貌。切削速度（vc=150m/min）保持恒定，因此，进给速度（vf）随每齿进给量变化而变化。在所有的实验中，为精加工预留的加工余量是0.2mm，该余量在两次相同的工序中移除。表2描述了用于生产上述四种表面形貌的切削条件，图2显示了用这四种切削条件获得的理论轮廓，并且还显示出每齿进给量（fz）和径向切削深度（ae）是怎样在工件表面再现的。

为了评估锻造对表面形貌的影响，用干涉仪对模具飞边处的表面粗糙度进行三维测量。在这项工作中评估了三个三维粗糙度参数，第一个是平均表面粗糙度（Sa），它不能识别峰值、谷值和其他表面特征，但是能够显示形貌特征的重要偏差；第二个参数是表面不对称性（Ssk偏度），它能评估中层面表面高度的对称水平，如果Sskgt;0，则表面主要由峰组成，如果Ssklt;0，则表面主要由谷组成；第三个参数（Sku-kurtosis）是用来评估表面随机图案的高峰（Skugt;3.00）或深谷（Skult;3.00）的存在或不存在，如果表面具有正态分布高度（高斯曲线），则Ssk=0，Sku=3[25]。

锻造循环后在毛边上测量硬度，垂直于它们测量显微硬度（见图3）。 尺寸表征包括测量每个模具中的重量和高度，以确定预期的磨料磨损是否将有助于去除模具闪光刃带上的材料。 使用分析天平（分辨率1mg）评估重量，而闪光焊盘高度用数字测微计（分辨率为1mu;m）测量。 用光学显微镜在50times;放大率下记录表面图像。

在锻造实验中使用40吨压力机。在锻造之前，将工件在锻造该材料的推荐温度1100℃下加热。锻造操作包括以下循环：润滑模具（石墨喷射），将加热的工件放置在下模上，闭合模具，保持模具闭合达3秒，打开压力机，启动拉伸机，移除锻造工件并清洁沉积在模具上的多余的氧化皮。在实验中使用的坯料由AISI 1020钢制成，直径为25.4mm，长度为31mm。将其按如图4所示方式放置在模具之间。

锻造实验分为两个阶段。在第一阶段，四个模具中的每一个锻造50个工件（见表2），每个实验重复三次。在第一阶段之后，选择两对模具用于实验的第二阶段，其包括用选择的模具锻造125个工件，以便更好地理解磨损现象。所选择的模具是在第一相中显示最高和最低磨损的模具。

4.结果和讨论

4.1 铸造试验第一阶段结果

图5描述了在表2所述的条件下研磨的表面。

条件1（高fz和a e具有相似值，参见图5a）的表面由具有相似长度和宽度的微腔组成，其尺寸接近于所采用的切割参数。表面条件2（具有类似值的低fz和ae值，参见图5b）也由微腔组成，虽然比在条件1的表面的研磨中使用的那些小得多。表面条件3（低fz和高a e，参见图5c）与前两个表面不同，因为轮廓由在进给方向上的槽组成（因为fz远低于a e）。表面条件4（用与条件3相同的fz和a e加工，但是进料方向垂直于条件3中使用的进料方向，参见图5d）产生具有与锻造材料流平行的凹槽的表面。所有这些表面与图2中所示的预期轮廓相一致。

在锻造50个工件之后，在两个区域中进行飞边的图像的评估：靠近腔体并且靠近倒角（倒角之前2mm，称为参考区域-图6）。图7a中的图像示出了在条件1中获得的靠近空腔的表面。在锻造后的该区域中消除了原始表面轮廓。该图像中的划痕表示磨料磨损和工件材料的粘附在某些点也是可见的。与条件1获得的表面类似，在条件2下产生的起伏也通过锻造消除（图7b）。该形貌是由磨损引起的，但是一些点的粘附工件材料也是可见的。由条件3产生的形貌在锻造后也被消除（图7c）。磨损现象包括磨损和粘附，但是与条件2不同，粘附发生在成条而不是点，表明该形貌更易于粘附。 条件4产生的接近空腔的飞边也被消除。磨损现象包含粘附和磨损，类似于由条件3（图7d）产生的磨损现象。

图8示出锻造50个工件之后的参考区域的图像。条件1下（图8a）的模具仍然显示原始的微空腔。对在条件2（图8b）下获得的参考区域的评估表明，磨损影响了比先前表面更大的面积，因为实际上消除了原始形貌。在条件3的参考区域内规则地散布的划痕在垂直于材料流的进给方向上是清晰可见的（图8c）。图8d（条件4）中描绘的磨蚀痕迹也遵循平行于材料流动的进给方向。

在锻造50个工件之前和之后对所有的模具进行称重。在这两个时刻的重量差非常小，即如果在锻造期间发生由磨损引起的材料的任何损失或增益，它们彼此补偿，导致重量几乎恒定。表3显示了毛边（锻造前）的高度与最终高度（锻造50个工件后）之间的差异。材料在飞边处的粘附使得它们的高度在锻造过程中从第一条件增加到

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