金屬板材杯突試驗(yàn)中使用潤(rùn)滑劑的分析

　　在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T4156《金屬材料，薄板和薄帶，埃里克森杯突試驗(yàn)》中明確指出，在試驗(yàn)時(shí)應(yīng)使用潤(rùn)滑劑，并且指出“使用不同類型的潤(rùn)滑劑會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果”。但標(biāo)準(zhǔn)并未進(jìn)一步說(shuō)明影響的程度與影響的機(jī)理。在筆者從事新型全自動(dòng)杯突試驗(yàn)機(jī)研制工作中，接觸到了大量的從事金屬板材杯突試驗(yàn)的工作人員，大家對(duì)這一問(wèn)題都感到比較困惑。為此筆者進(jìn)行的大量的試驗(yàn)工作，并進(jìn)行了初步的理論分析，對(duì)此問(wèn)題有了初步的認(rèn)識(shí)，在此簡(jiǎn)略的進(jìn)行描述，供大家參考。
　　
　　一、潤(rùn)滑劑的選擇
　　
　　不同的潤(rùn)滑劑得到的試驗(yàn)結(jié)果不盡相同，為此國(guó)標(biāo)GB/T4156中提供了一個(gè)比較典型的潤(rùn)滑劑配方。經(jīng)過(guò)走訪發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)中這一配方的使用并不廣泛，究其原因主要是因?yàn)樵囼?yàn)所需的劑量太少，沒(méi)有成品可供采購(gòu)，自行配制原材料的采購(gòu)也很困難。在實(shí)際工作中往往采用醫(yī)用凡士林代替，這主要是因?yàn)獒t(yī)用凡士林采購(gòu)非常方便，一般醫(yī)藥商店都有銷售，另外它的成分、純度比較穩(wěn)定，試驗(yàn)結(jié)果也較為理想，但有一點(diǎn)需要引起注意，醫(yī)用凡士林的黏度受溫度的影響較大，因此最好在恒溫環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)。并應(yīng)長(zhǎng)期使用同一牌號(hào)。
　　
　　對(duì)于比較性試驗(yàn)，對(duì)潤(rùn)滑劑的要求較低，也可選工業(yè)用潤(rùn)滑脂、工業(yè)黃油等作為潤(rùn)滑劑。但對(duì)于性能測(cè)試試驗(yàn)，建議使用醫(yī)用凡士林，而避免使用工業(yè)潤(rùn)滑脂，工業(yè)黃油。
　　
　　二、對(duì)不同厚度材料的影響
　　
　　國(guó)標(biāo)GB/T4156規(guī)定的材料厚度的范圍為0.1mm-2mm，但筆者目前實(shí)際了解到的材料厚度范圍則遠(yuǎn)大于此，最厚達(dá)到6mm，最小為0.008mm。對(duì)于超范圍的材料，由于沒(méi)有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，所以人們還是借用國(guó)標(biāo)GB/T4156來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)。那么借用的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)會(huì)產(chǎn)生什么影響呢？經(jīng)過(guò)大量的跟蹤調(diào)查與實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，潤(rùn)滑劑對(duì)不同厚度試樣的試驗(yàn)結(jié)果有明顯不同的影響。對(duì)于厚度在0.5mm以上的試樣影響可以不計(jì)；對(duì)于0.5mm-0.05mm厚度的式樣影響較小；使用潤(rùn)滑劑與不使用潤(rùn)滑劑杯突試驗(yàn)值相差約在0.1-0.5mm左右；0.05mm以下厚度試樣的結(jié)果誤差非常大。如某種0.008mm厚度試樣，經(jīng)過(guò)多次反復(fù)試驗(yàn)，使用醫(yī)用凡士林作為潤(rùn)滑劑的平均杯突值為6mm，而不使用潤(rùn)滑劑時(shí)的杯突值為4.5mm，兩者竟然相差25%左右。因此在進(jìn)行超薄材料杯突試驗(yàn)時(shí)，必須使用潤(rùn)滑劑，并且要明確告知試樣提供者，所用的潤(rùn)滑劑的名稱、牌號(hào)以及試驗(yàn)環(huán)境溫度，在進(jìn)行結(jié)果比對(duì)時(shí)也必須以相同的條件(如潤(rùn)滑劑名稱、牌號(hào)、試驗(yàn)環(huán)境溫度以及試驗(yàn)加載速度、沖頭、沖模尺寸，裂紋判斷標(biāo)準(zhǔn)等)下的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，否則會(huì)得出不一致的結(jié)論。
　　
　　三、引起數(shù)據(jù)誤差的原因
　　
　　使用不同潤(rùn)滑劑會(huì)得到不同的結(jié)果，這只是產(chǎn)生誤差的外在表象，引起這種表象的內(nèi)在原因是什么呢？通過(guò)分析杯突試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程以及杯突試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理，我們知道引起這種現(xiàn)象的原因很多，但是最主要的是由于沖頭與沖模的不同軸度以及沖頭的光潔度、材料表面的粗糙度引起的。在試驗(yàn)過(guò)程中沖頭與試樣表面處于一個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，它們之間存在一定的摩擦力，從而影響了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使用潤(rùn)滑劑減少了相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力，相當(dāng)于提高了沖頭的光潔度，減少了試樣的粗糙度，并相應(yīng)的減少了不同軸度的影響。
　　
　　下面就不同軸度與粗糙度是如何影響試驗(yàn)結(jié)果的分別加以分析：
　　
　　1、不同軸度的影響
　　
　　杯突試機(jī)示意圖
　　
　　(1)圖中沖頭中心距離壓模對(duì)稱兩邊的距離；
　　
　　(2)b沖頭沖入的深度，也就是杯突值；
　　
　　(3)試驗(yàn)過(guò)程中試樣變形部分的長(zhǎng)度。一般情況下，為一弧線，有時(shí)候變?yōu)橐欢位【€ 一段直線；
　　
　　(4)為壓模邊距到?jīng)_深底部的連線。作為變性性分析，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，我們用代替。我們假設(shè)材料在圖示方向的延伸率為20%,沖模直徑為20mm。首先假設(shè)同軸度為理想狀態(tài)，那么==20/2=10mm由延伸率20%可以知道當(dāng)出現(xiàn)裂紋時(shí)：
　　
　　==10 10*20%=12mm；
　　
　　b===6.63mm(b即為杯突值)
　　
　　如果同軸度偏離1mm(這只是為了證明問(wèn)題，實(shí)際不可能這么大)且在圖中左偏，那么=9mm,=11mm
　　
　　20%延伸率=9 9*20%=10.8mm
　　
　　=11 11*20%=13.2mm
　　
　　按，求b==5.97mm
　　
　　按，求b==7.30mm
　　
　　由于當(dāng)b=5.97mm時(shí)，試樣已出現(xiàn)裂紋，故實(shí)際杯突值只有5.97mm,與完全同軸的6.63mm比相差了(6.63-5.97)/6.63100%=10%。
　　
　　從上面的分析可以看出，同軸度的影響是非常嚴(yán)重的，但事實(shí)上，并非如此。這是為什么呢？原因是以上的分析中是假定沖頭最高點(diǎn)與試樣的接觸點(diǎn)在整個(gè)沖壓過(guò)程中位置不發(fā)生變化。但事實(shí)上在試驗(yàn)過(guò)程中接觸點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)。這樣以上計(jì)算過(guò)程就不成立了。
　　
　　由于偏心，在試驗(yàn)過(guò)程中左右兩邊的應(yīng)變值就不一樣。從材料的拉伸應(yīng)力——應(yīng)變特性我們知道，應(yīng)變大的一邊的應(yīng)力也大，這樣在試驗(yàn)過(guò)程中，材料就會(huì)向應(yīng)力大的一邊滑動(dòng)，力求使兩邊的應(yīng)力相等。但是，在滑動(dòng)的過(guò)程中沖頭與試樣是相接觸的，在接觸面必然會(huì)產(chǎn)生一個(gè)阻止滑動(dòng)的摩擦力，摩擦力越小，兩邊的應(yīng)力就越容易平衡，得到結(jié)果也就越準(zhǔn)確。
　　
　　對(duì)確定的試驗(yàn)機(jī)，確定的試樣，如何才能減少摩擦，最好的辦法就選擇最好的潤(rùn)滑劑。
　　
　　2、沖頭光潔度，試樣平整度的影響
　　
　　杯突試驗(yàn)是用來(lái)檢驗(yàn)金屬板材在“拉延成型時(shí)承受塑性變形能力”的。這也就是說(shuō)在試驗(yàn)過(guò)程中,材料只能承受拉伸作用,而不應(yīng)符加承受其它作用。但事實(shí)上并非如此，由于沖頭不可能絕對(duì)滑，試樣也不可能絕對(duì)平整，因此必然還會(huì)產(chǎn)生其它的符加作用。一般而言，應(yīng)該存在以下三種作用：(1)頂破作用、(2)穿刺作用、(3)剪切作用。
　　
　　(1)頂破作用：如果沖頭表面的紋路如圖(一)則試樣的局部將產(chǎn)生頂破作用，此時(shí)由于應(yīng)力集中，可能在未到達(dá)杯突值時(shí)，首先在頂破作用點(diǎn)提前破裂，以致于應(yīng)力極劇增大引起裂紋擴(kuò)展。產(chǎn)生出現(xiàn)拉延裂紋的假象。
　　
　　(2)穿刺作用：如果沖頭表面的紋路如圖(二)則試樣的局部將產(chǎn)生穿刺作用，產(chǎn)生應(yīng)力集用，在穿刺處提前破裂，從而引起應(yīng)力極劇增大，引起裂紋擴(kuò)展，產(chǎn)生拉延裂紡的假象。而且穿刺作用對(duì)試樣的破壞比頂破作用更大。
　　
　　(3)剪切作用：如果由于試樣的凹凸點(diǎn)與沖頭的凹凸點(diǎn)產(chǎn)生了嵌合作用如圖三。如前所述由于偏心，在試驗(yàn)過(guò)程中試樣就會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)，這樣就會(huì)產(chǎn)生剪切作用。同上兩點(diǎn)一樣，同樣會(huì)在局部產(chǎn)生應(yīng)力集中，試樣會(huì)在應(yīng)力作用點(diǎn)提前破裂，產(chǎn)生拉延裂紋的假象。
　　
　　沖頭紋路局部放大圖沖頭紋路局部放大圖沖頭紋路局部放大圖
　　
　　(圖一)(圖二)(圖三)
　　
　　對(duì)確定的試驗(yàn)機(jī)，確定的試樣，這種缺陷是不可改變的，我們無(wú)法消除，但我們可以通過(guò)使用潤(rùn)滑劑來(lái)填充凹點(diǎn)，這相當(dāng)于改變了沖頭與試樣的光潔度進(jìn)而提高了試驗(yàn)的準(zhǔn)確度。
　　
　　由于杯突試驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程受力非常復(fù)雜，限于筆者的水平不可能進(jìn)行非常深入的定量分析；對(duì)于使用潤(rùn)滑劑的必要性,以及使用潤(rùn)滑劑可改善試驗(yàn)結(jié)果的原因,只能進(jìn)行以上簡(jiǎn)單的定性分析，拋磚引玉。筆者希望有更專業(yè)的人士對(duì)此進(jìn)行更深入的研究探討,以提高杯突試驗(yàn)的制造水平與試驗(yàn)準(zhǔn)確度，為我國(guó)材料的發(fā)展與應(yīng)用貢獻(xiàn)力量。
文章鏈接：中國(guó)化工儀器網(wǎng) http://www.chem17.com/news/Detail/35429.html