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安裝在自動沖床上的試驗刀具

    磨損過程模擬

    墨尼黑技術大學成型技術和鑄造系研發的磨損模擬程序Redsy能夠定量和定性地計算出板材成形過程中的刀具磨損程度。作者已經能夠證明，一項成形模擬與Achard模型基礎上的磨損模擬相結合，所計算出的磨損處與實際中形成的量高度吻合。為了用這種算法獲取最佳計算質量，就必須對所用板材和刀具材料配對的磨損系數進行專門測定。

    對重要的刀具材料和板材配對的磨損測量構成正確定量的磨損模擬基礎。試驗在考慮到材料配對總體摩擦系統的情況下進行。要保持其邊界條件，如供油狀態和速度斷面圖穩定。迄今為止，磨損試驗大部分是在轉向變化的帶鋼咬入試驗和拉槽試驗中進行的。所謂檢驗方法的關鍵局限是，不論是板材的變形，還是作用力在實際成形刀具上都不均勻。原因有折痕、板材厚度、牽引力和壓頭壓力造成的表面壓力等。通過模擬和成型試驗的組合可以改進精確度。上述磨損檢驗方法能夠直接在深沖過程中測量出磨損參數，并且會大幅度改進磨損模擬軟件的計算質量。

    為了進行磨損試驗要使用一個旋轉對稱盤，它建在一個8工位級進沖模上。用深沖過程的數碼圖形補償測量結果，能夠得出各種不同材料配對的磨損系數。

    刀具在一臺高效自動沖壓機（Typ BSTA125 BL，Bruderer）上使用，60沖程/min 沖頭一次升程為75mm。

    考慮到沖壓動力學會產生一個碰撞速度0.2m/s，因此使用自動沖壓機非常重要，因為它所提供的沖壓力和作業能力對于分割和成型作業來說是足夠的。

    板材加工成100mm寬的鋼卷。自動送料速度為每次沖壓升程93.2mm，曲柄角度在上沖程轉變點前后45°以內。在試驗進行中使用了級進沖模的4個模塊。

    模型使磨損更加清晰

    在模塊1～3中帶材被剪成薄板坯，在模塊4中才進行深沖作業，因此在這個模塊上進行有源元件的磨損試驗分析。5～7模塊沒有作業。鑒于刀具結構，這樣對于現實化的板材推進是必要的。在模塊8中鋼帶終于分離，必要的壓板力在1～4模塊中通過氣壓彈簧送入。由于結構原因在模塊之間有一個等待站點。磨損測量在模塊4的凹模邊進行，因為在這個位置上，由于成形過程和滑動沖壓面，估計會出行大量磨損。其它有源元件放置于工具鋼Typ X155CrVMol12.1(1.2379）, 并且在實驗過程中都不更換。為了獲得所試驗材料磨損狀態盡可能詳細的數據，不只在試驗結束時測量，而是可以根據材料情況選擇測量間隔。

    由于通常對測量精確度要求很高，所以磨損測量用2個不同的測量儀器進行。除了一部Gom公司的光學表面數碼Gom Atos II 400（測量噪聲約8mm)外，還有一套節拍式成形切削測量系統（Typ Mahr Surf XCR20, Mahr GmbH）在工作。

    這種節拍式測量方法所能達到的測量精度在微米范圍內（測量噪聲約0.5mm），以至于即使再小的磨損量也可以得到可靠的數據。

圖2 凹模（暗）上節拍式輪廓測量的測量點和
數碼凹模表面鋼板推進方向標記用刻槽

    凹模入口半徑是借助于輪廓測量在4個點上獲得的。這些很清晰并且可以重復準確獲得。為此將凹模放入一個相對于水平面傾斜45°的裝置中。從鋼板推進方向看，測量點分布在凹模孔中的0°、90°、180°和270°處。

    刀具材料GGG70L (0.7070L,40HRC), GS60(1.0558, 50HRC)和X155CrVMol12.1 (1.2379, 63HRC)都是在調質處理或真空硬化處理狀態下進行試驗的。刀具沒有涂層，表面經過拋光處理。供油系統使用Multidraw KTL-N1(Zeller+Gmelin GmbH & Co.KG, Eislingen/Fils)，借助一個噴霧箱從兩面供油（約2g/m2）。

    作為板材使用的有DC05 (DC05+ZE75/75-BO, 板厚0.8mm, 電解鍍鋅，6 t)，HC380LAD (HC380LAD+Z100BMO, 板厚1.0mm, 熱鍍鋅，13 t)，以及HC400TD (HC400TD+Z100BMO, 板厚1.0mm, 熱鍍鋅，18 t)。板材涉及汽車制造業用的螺距材料，從軟拉拔材料到高硬度Trip鋼。

    通過優化供油量并對刀具進行空氣冷卻能夠影響材料之間的摩擦，以致在實驗過程中不會出現鋅磨耗物附著在刀具上的現象。

    各種材料配對結果

    為了描述板材情況，既拍攝了其結構顯微照片，也制作了其表面REM照片。摩擦性能優越的板材表面顯示出明顯區別，而這些區別在精軋后會還原。HC400TD板材上有非常結構化的袋形孔，通過靜壓密封的潤滑包裹物進入孔，從而調節出很好的摩擦條件。但其它板材的表面不是這樣的，因為這種板材擁有開放的潤滑袋和較大的接觸面，能夠阻止承載潤滑膜的形成。

    所有材料配對的磨損率都作了文獻處理。根據材料決定其測量間隔，預計磨損量比較低時就會選擇測量間隔比較大。板材的強度值差別也很大，它們在深沖時會感應到刀具不同大小的負荷。

    一旦刀具材料的硬度超過板材的硬度，磨損附著物的機械性能就能決定工藝過程。在刀具硬度為>40HRC的所有試驗中都是這樣，因此硬質刀具需用相對軟的板材磨損。HC400TD板材顯示出很好的摩擦性能，因為在表面性能基礎上能夠形成潤滑緩沖墊層。盡管在成形過程中刀具機械負荷很高，但是使用這種板材的材料配對的磨損率卻很低。

    注意到這一邊界條件可以確定，不僅是板材強度，而且還有摩擦性能將明顯影響刀具磨損。摩擦性能好的高強度板材可測到的磨損要少于摩擦性能差的軟板材。

    摩擦比例影響磨損

    由此得出結論，板材的表面摩擦在很大程度上與深沖過程中的磨損特性相關。所有影響如潤滑物、潤滑量、溫度、表面粗糙度和表面結構都會加入到這個錯綜復雜的摩擦變換作用中。

    從磨損測量中計算下列量的磨損系數：從測量中產生任何生成數值的磨損深度w[mm]。借助于FE-模擬和Redsy校準程序可以確定接觸壓力和滑動速度的積分及磨損功。刀具材料的硬度同樣可以從試驗中得取。

    為了說明上述方法的效率，為材料配對DC05-GS60進行一次示范性磨損模擬實驗。在磨損測量試驗中得出該材料配對磨損系數K=2.035E-7。磨損模擬程序Redsy用這個系數計算出圖3b中所列的磨損圖。

圖3 材料配對DC05-GS60：在25000次升程后
凹模入口半徑節拍式輪廓測量（a）和Redsy（b）磨損模擬結果

    與凹模入口半徑節拍式輪廓測量（圖3a）的比較顯示，模擬結果在數量和質量上都與測量結果相當吻合。兩組磨損最大值在位置和深度上都能相互重疊。

    上述用模擬支持磨損計算的方法依據是一種實驗測量磨損系數的新方法。要為實驗用材料配對指示出磨損過程及所取得的磨損系數。要特別說明所檢驗的板材磨損狀態。除了板材強度外，摩擦比例也顯著影響了刀具磨損。摩擦性能好的高強度板材可測到的磨損要少于摩擦性能差的軟板材。

    由此得出結論，板材的表面摩擦在很大程度上與深沖過程中的磨損特性相關。

    用磨損模型擴展摩擦學

    在測量基礎上建立的磨損模擬軟件Redsy的第一批結果與試驗結果相當吻合。因為板材摩擦性能是試驗得出，并且集成到磨損系數中的，只有將磨損模型擴展到摩擦性能描述時，關于材料配對的磨損狀態質量的準確結論才能具有普遍意義。

    這里所介紹的工作的關鍵結果是在 “板材成形過程中計算磨損系數，模擬法支持磨損計算”（AiF14291N）研究項目中取得的。

    這個研究項目得到了聯邦經濟和勞動部關于工業研究聯合會勞動委員會“Otto von Guericke”的財政預算支持。