摩擦與潤(rùn)滑在工業(yè)金屬薄板形成工藝中起著重要的作用。摩擦決定著金屬薄板的變形類型和無撕裂情況下的變形程度。
適當(dāng)?shù)貪?rùn)滑可以避免金屬間的直接接觸，減少了模具和工件不必要的磨損，降低了成本。同時(shí)，潤(rùn)滑減少了由于粘附作用引起的工件表面的損傷，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，延長(zhǎng)了模具壽命。金屬薄板成型的精確塑性分析，常依據(jù)一種含糊而使人誤解的摩擦條件假設(shè)。其分析結(jié)果幾乎無任何實(shí)用意義，尤其對(duì)那些工藝結(jié)構(gòu)性能較差的工件，更是如此。
在簡(jiǎn)單的拉伸成型工藝中，廣泛采用的流體潤(rùn)滑理論是由Wilson和Waog提出的。該理論認(rèn)為，潤(rùn)滑膜是由在沖頭和薄板結(jié)合處的邊緣所形成的楔形入口帶產(chǎn)生的。在沖頭接觸中心薄膜最厚，在連接邊緣附近，則逐漸變薄。正是在這個(gè)區(qū)域，以后會(huì)出現(xiàn)破裂。這里沖頭與薄板的接觸，與齒輪和滾珠軸承中的情況類似，為了測(cè)量這種接觸中的潤(rùn)滑薄膜的厚度，已開發(fā)了幾項(xiàng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)。其中，分割入射光振幅的光干涉測(cè)量法最為成功。在類似鋼球和光學(xué)平面形成的彈性流體接觸中，用光干涉測(cè)量技術(shù)能穩(wěn)定精確地測(cè)量出油膜厚度。
為了研究金屬薄板成型的潤(rùn)滑過程，我們將討論光干涉的應(yīng)用。特別要闡述用球形沖模在有潤(rùn)滑的條件下，軸對(duì)稱拉伸工藝的油膜厚度的局部、瞬時(shí)測(cè)量。我們研究的主要目的是驗(yàn)證Wilson一Wang理論的正確性，從而加深我們對(duì)該理論的理解。
光干涉法測(cè)量
于涉曾經(jīng)廣泛地用于固態(tài)薄膜處理技術(shù)的研究和拋光效率、拋光平面度的測(cè)量中。在潤(rùn)滑特性研究中，把入射光波長(zhǎng)作為潤(rùn)滑薄膜厚度的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，通過光干涉進(jìn)行精密測(cè)量。干涉是由于視頻波的波動(dòng)性而形成的。當(dāng)兩列或兩列以上的光波相遇時(shí)，會(huì)產(chǎn)生與這些光波的疊加結(jié)果不同的合波。這種差異是由一個(gè)光源發(fā)出的兩種或兩種以上光波間的相位差引起的。由于潤(rùn)滑薄膜的存在，諸光波間產(chǎn)生了誤差。當(dāng)兩種光波再次相遇時(shí)，它們便形成了明暗交替的波帶，統(tǒng)稱為干涉條紋。
這里所用的主光源是功率為5毫瓦、輻射波長(zhǎng)為0.6微米鮮紅色光的He一N。激光。此束光直射到空間頻率濾光片上，產(chǎn)生一種呈高斯幅射分布的發(fā)散激光束，此時(shí)，光強(qiáng)幾乎降 低了一半。
用激光產(chǎn)生的干涉條紋比普通白色或單色光形成的條紋清晰和高級(jí)得多。氦氖激光能分辨小到0.10微米厚的薄膜。為觀察干涉條紋，我們?cè)O(shè)計(jì)、制造并專門鍍制了兩個(gè)作為透明光學(xué)沖頭的平凸透鏡。透鏡材料是非常耐用且精細(xì)退火的Schott玻璃(BK7一A)。在每個(gè)透鏡的平l可側(cè)鍍四分之一波長(zhǎng)厚的氟化鎂以降低反射。
在透鏡凸面，鍍四分之一波長(zhǎng)厚的Hfo2介質(zhì)層研究雙束干涉。HfO:在較大的負(fù)荷下相當(dāng)耐用。此膜的物理厚度為0.07微米，折射 率為2.10。用這些參數(shù)調(diào)諧到玉le一Ne激光波長(zhǎng)，而四分之一波長(zhǎng)厚度則確保來自該層的反射光在相位上變化180度。射到HfO:層上的這些光，14多被反射，5形被吸收，81拓透射到油膜。當(dāng)透射光射到拋光片表面時(shí)，其中60廠被反射。反射部分從油膜方射到HfO:鍍層上，其大部分透過HfO2層返回沖頭，只有很少部分被返回油膜中。后一種光線由于強(qiáng)度大減，不會(huì)再引起任何附加的干涉，僅在兩束光線間生產(chǎn)干涉。位于窄環(huán)中所有干涉點(diǎn)的總和形成一種干涉帶。當(dāng)光正常地入射到?jīng)_頭一薄板結(jié)合面時(shí)，在Hf02層附近形成干涉帶。
第二塊沖頭鍍厚度為四分之一波長(zhǎng)的介質(zhì)二氧化欽(TIO2)，以利于多束干涉條紋的形成。TIO2層的物理厚度為0.06微米，折射率為2.67。這兩個(gè)量也都能調(diào)諧到He一Ne激光的波長(zhǎng)。
在射到TIO2層的光中，30%被反射，70%被透射到油膜中，吸收部分可忽略不計(jì)。由于TIO2層的反射率高，加之薄板表面的反射，透射光在油膜內(nèi)經(jīng)過一系列的反射。經(jīng)薄板表面最初反射的光線，部分透射返回沖頭，部分反射到油膜中，振幅進(jìn)一步發(fā)生了變化。這樣，多束光線在上述薄板與沖頭結(jié)合面上某一點(diǎn)的疊加便產(chǎn)生了干涉。
該點(diǎn)的光強(qiáng)約為雙光束在同點(diǎn)強(qiáng)度的二倍。光強(qiáng)的增加使多束干涉條紋中的明帶變寬，暗帶變窄。雙束條紋中的明帶比多束條紋中的略暗略窄一些。
樣品制備
試驗(yàn)樣品是由直徑為3英寸的3003一H14熟鋁合金毛壞制成的。每個(gè)樣品的厚度是0.02英寸。屈服應(yīng)力為21千磅/英寸“。為了控制來自薄板表面的反射光量，必須調(diào)整工件的表面反射率，使其大體上等于沖頭凹面的反射率。為此，研究了一種金相加工法，經(jīng)七次拋光，達(dá)到鏡面光潔度。然后，把拋光樣品在48多氟化氫溶液中腐蝕2~4分鐘，便可得到所需的反射率。在靠近正常入射的地方，用激光功率表測(cè)量樣品表面對(duì)He一Ne激光的反射率。看來30%~48%的反射率已夠用了。
薄膜厚度計(jì)算
根據(jù)沖頭和薄板表面的反射率，便能導(dǎo)出確定潤(rùn)滑膜厚度的簡(jiǎn)單公式。這個(gè)公式可用于雙束和多束干涉。
這樣，干涉條紋便成為潤(rùn)滑膜厚度的等值線圖。用這些條紋就能指示入/Zn間隔處的薄膜厚度變化。相鄰亮條紋之間的間隔約為13.72微米。
最初使用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)干涉儀，但我們發(fā)現(xiàn)這樣只能用來記錄靜態(tài)干涉條紋。結(jié)果有關(guān)薄膜最初形成的大部分信息都未能得到。壓縮空氣驅(qū)動(dòng)干涉儀的主要缺點(diǎn)是不能充分控制全過程。特別是不容易調(diào)整薄板對(duì)沖頭加載的速率。另外，使用中設(shè)備的裝卸是不可避免的，裝一次就要將分光棱鏡和干涉儀中的光學(xué)元件再對(duì)準(zhǔn)一次。
為精確地測(cè)量活塞速度并嚴(yán)格地控制整個(gè)成型過程，設(shè)計(jì)了一種電機(jī)驅(qū)動(dòng)的干涉儀。它的機(jī)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)和滾珠絲杠千斤頂組成。在最大速率達(dá)5000步/秒時(shí)，轉(zhuǎn)子每步 旋轉(zhuǎn)1.8度。計(jì)算機(jī)程序控制從靜止到達(dá)到預(yù)定最大速率所需的加速度?，F(xiàn)已研制成兩種電機(jī)驅(qū)動(dòng)干涉儀，它們能記錄薄膜厚度的動(dòng)態(tài)變化。
第一種方法采用閉路電視和錄相帶記錄系統(tǒng)與顯微鏡配合，記錄要辨認(rèn)的零級(jí)條紋處的圖形變化。然后將錄相帶倒回去，便可仔細(xì)觀察圖形的變化。此時(shí)，干涉條紋，特別在靠近圖形中心的那些條紋，便忽隱忽現(xiàn)地漂移，這意味著此處的油膜厚度最易變化。
在第二種結(jié)構(gòu)中，用16毫米反射式攝像機(jī)記錄條紋圖。在實(shí)際記錄前，要先試拍一下，調(diào)好攝像機(jī)的焦距，在攝像機(jī)的觀察尾鏡中找到最終的干涉條紋圖形。同時(shí)，試拍中要進(jìn)行計(jì)時(shí)，以確定正確的開拍時(shí)刻。一卷500英尺的膠片可以使用5次。
為了產(chǎn)生對(duì)比度很高的干涉條紋圖，需采用鍍TIO2的沖頭，這樣，就能產(chǎn)生多束干涉條紋、工件潤(rùn)滑劑是TeXaC。石油公司提煉的“Thuban250”，該潤(rùn)滑劑在25℃的環(huán)境中，約有7436厘泊的粘度，在He一Ne激光下的折射率為1.5。在各種距離下，薄板相對(duì)于沖頭的平均加載速度為0.012英寸/秒。
視頻技術(shù)揭示了潤(rùn)滑延伸成型過程的一些有趣的現(xiàn)象。如潤(rùn)滑劑朝接合中心區(qū)的抽吸使邊緣區(qū)的油膜變薄，結(jié)果，板表面粗糙度便明顯可見。這充分說明，較厚的潤(rùn)滑膜是最初形成的。油膜厚度和條紋圖的一致性有很大的依賴關(guān)系。當(dāng)活塞對(duì)沖頭逐漸地加壓時(shí)，干涉條紋很不規(guī)則，干涉條紋的同心度出現(xiàn)明顯變化，在接合面的中心附近出現(xiàn)了幾個(gè)局部的最大和最小值。這樣一來，要用干涉條紋進(jìn)行精確測(cè)量就不可能了。
當(dāng)加載速度增加時(shí)，在接合處形成了較厚、較均勻的油膜。這時(shí)形成的干涉條紋便可用來進(jìn)行膜厚測(cè)量。
為了分析條紋圖，根據(jù)薄膜結(jié)構(gòu)，我們拍了15張照片，用以表示圖形的顯著變化。在照片15中(略)我們將第一條寬帶定為0級(jí)，將內(nèi)區(qū)和外區(qū)周圍的暗帶定為1/2級(jí)，把每個(gè)區(qū)域中與1/2級(jí)暗帶相鄰的亮帶定為1級(jí)，以此類推。
將照片15中的所有干涉條紋都定以等級(jí)號(hào)碼后，再來看照片14(略)。該照片顯示寬帶從亮到暗的變化。把暗寬帶定為1/2級(jí)，并以這個(gè)參考帶為根據(jù)，定出周圍條紋的級(jí)別。用這種 辦法對(duì)15張照片中的圖形都標(biāo)定級(jí)別。照片1、6的圖形(略)顯示了加載過程的初期的階段，油膜厚度使整個(gè)波長(zhǎng)發(fā)生變化，很難獲得測(cè)量信息。另外，這些初期的油膜厚度變化不均勻。正因?yàn)槿绱?，初期獲得的油膜厚度數(shù)據(jù)，可能有幾個(gè)波長(zhǎng)的誤差。
油膜厚度變化與沿沖頭一薄板接口面的位置之間的關(guān)系曲線表明，在0.06秒和0.12秒之間，薄膜厚度是拋物面，中心附近出現(xiàn)最小值。在0.12秒和0.22秒之間，在中心附近薄膜厚度停止減少，并沿接合面暫時(shí)保持不變。在0.22秒時(shí)，中心附近的薄膜厚度發(fā)生明顯的增大，中心附近薄膜繼續(xù)增厚，而在接合面邊緣附近逐漸減薄，直到斷裂出現(xiàn)為止。
初期干涉圖所指示的很可能是潤(rùn)滑膜的彈性效應(yīng)。而鋁材料各向異性的變形，則可能造成初期條紋圖的非均勻。從定性研究來看，0.22秒以后的結(jié)果與Wilson一Wang的理論非常一致。
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