為了節(jié)省重量、改善結(jié)構(gòu)剛性，通過多次使用最硬的板材，觀察成形技術(shù)中的刀具磨損， 這在汽車制造業(yè)越來(lái)越重要。磨粒磨損的增加最終因成形刀具的壽命問題而影響到零件加工公差。 由于出現(xiàn)超過公差的磨損，會(huì)產(chǎn)生附加的計(jì)劃外停機(jī)成本，因此在決定刀具材料和生產(chǎn)之前就能估算出表示刀具耐用度的零件加工數(shù)量，就顯得尤為重要了。數(shù)碼模擬的基礎(chǔ)是關(guān)于成形刀具磨損率定量和定性方面的理論。磨損在成形技術(shù)中通過接觸機(jī)械模型描述。對(duì)于該特征Achard磨損模型描述得最好。其中描述磨損量W與磨損系數(shù)K、標(biāo)準(zhǔn)力Fn2、磨損體硬度H和磨程s相關(guān)。 磨損系數(shù)K，包括多個(gè)影響量，如晶格結(jié)構(gòu)和斷裂韌性，而這些在刀具磨損數(shù)碼模擬中無(wú)法通過邊界條件包含在內(nèi)。
安裝在自動(dòng)沖床上的試驗(yàn)刀具
磨損過程模擬 墨尼黑技術(shù)大學(xué)成型技術(shù)和鑄造系研發(fā)的磨損模擬程序Redsy能夠定量和定性地計(jì)算出板材成形過程中的刀具磨損程度。作者已經(jīng)能夠證明，一項(xiàng)成形模擬與Achard模型基礎(chǔ)上的磨損模擬相結(jié)合，所計(jì)算出的磨損處與實(shí)際中形成的量高度吻合。為了用這種算法獲取最佳計(jì)算質(zhì)量，就必須對(duì)所用板材和刀具材料配對(duì)的磨損系數(shù)進(jìn)行專門測(cè)定。 對(duì)重要的刀具材料和板材配對(duì)的磨損測(cè)量構(gòu)成正確定量的磨損模擬基礎(chǔ)。試驗(yàn)在考慮到材料配對(duì)總體摩擦系統(tǒng)的情況下進(jìn)行。要保持其邊界條件，如供油狀態(tài)和速度斷面圖穩(wěn)定。迄今為止，磨損試驗(yàn)大部分是在轉(zhuǎn)向變化的帶鋼咬入試驗(yàn)和拉槽試驗(yàn)中進(jìn)行的。所謂檢驗(yàn)方法的關(guān)鍵局限是，不論是板材的變形，還是作用力在實(shí)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(yàn)的組合可以改進(jìn)精確度。上述磨損檢驗(yàn)方法能夠直接在深沖過程中測(cè)量出磨損參數(shù)，并且會(huì)大幅度改進(jìn)磨損模擬軟件的計(jì)算質(zhì)量。 為了進(jìn)行磨損試驗(yàn)要使用一個(gè)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱盤，它建在一個(gè)8工位級(jí)進(jìn)沖模上。用深沖過程的數(shù)碼圖形補(bǔ)償測(cè)量結(jié)果，能夠得出各種不同材料配對(duì)的磨損系數(shù)。 刀具在一臺(tái)高效自動(dòng)沖壓機(jī)（Typ BSTA125 BL，Bruderer）上使用，60沖程/min 沖頭一次升程為75mm。 考慮到?jīng)_壓動(dòng)力學(xué)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)碰撞速度0.2m/s，因此使用自動(dòng)沖壓機(jī)非常重要，因?yàn)樗峁┑臎_壓力和作業(yè)能力對(duì)于分割和成型作業(yè)來(lái)說(shuō)是足夠的。 板材加工成100mm寬的鋼卷。自動(dòng)送料速度為每次沖壓升程93.2mm，曲柄角度在上沖程轉(zhuǎn)變點(diǎn)前后45°以內(nèi)。在試驗(yàn)進(jìn)行中使用了級(jí)進(jìn)沖模的4個(gè)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(jìn)行深沖作業(yè)，因此在這個(gè)模塊上進(jìn)行有源元件的磨損試驗(yàn)分析。5～7模塊沒有作業(yè)。鑒于刀具結(jié)構(gòu)，這樣對(duì)于現(xiàn)實(shí)化的板材推進(jìn)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(jié)構(gòu)原因在模塊之間有一個(gè)等待站點(diǎn)。磨損測(cè)量在模塊4的凹模邊進(jìn)行，因?yàn)樵谶@個(gè)位置上，由于成形過程和滑動(dòng)沖壓面，估計(jì)會(huì)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(shí)驗(yàn)過程中都不更換。為了獲得所試驗(yàn)材料磨損狀態(tài)盡可能詳細(xì)的數(shù)據(jù)，不只在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)測(cè)量，而是可以根據(jù)材料情況選擇測(cè)量間隔。 由于通常對(duì)測(cè)量精確度要求很高，所以磨損測(cè)量用2個(gè)不同的測(cè)量?jī)x器進(jìn)行。除了一部Gom公司的光學(xué)表面數(shù)碼Gom Atos II 400（測(cè)量噪聲約8mm)外，還有一套節(jié)拍式成形切削測(cè)量系統(tǒng)（Typ Mahr Surf XCR20, Mahr GmbH）在工作。 這種節(jié)拍式測(cè)量方法所能達(dá)到的測(cè)量精度在微米范圍內(nèi)（測(cè)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(shù)據(jù)。
圖2 凹模（暗）上節(jié)拍式輪廓測(cè)量的測(cè)量點(diǎn)和 數(shù)碼凹模表面鋼板推進(jìn)方向標(biāo)記用刻槽
凹模入口半徑是借助于輪廓測(cè)量在4個(gè)點(diǎn)上獲得的。這些很清晰并且可以重復(fù)準(zhǔn)確獲得。為此將凹模放入一個(gè)相對(duì)于水平面傾斜45°的裝置中。從鋼板推進(jìn)方向看，測(cè)量點(diǎn)分布在凹�？字械�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(diào)質(zhì)處理或真空硬化處理狀態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn)的。刀具沒有涂層，表面經(jīng)過拋光處理。供油系統(tǒng)使用Multidraw KTL-N1(Zeller+Gmelin GmbH & Co.KG, Eislingen/Fils)，借助一個(gè)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(yè)用的螺距材料，從軟拉拔材料到高硬度Trip鋼。 通過優(yōu)化供油量并對(duì)刀具進(jìn)行空氣冷卻能夠影響材料之間的摩擦，以致在實(shí)驗(yàn)過程中不會(huì)出現(xiàn)鋅磨耗物附著在刀具上的現(xiàn)象。 各種材料配對(duì)結(jié)果 為了描述板材情況，既拍攝了其結(jié)構(gòu)顯微照片，也制作了其表面REM照片。摩擦性能優(yōu)越的板材表面顯示出明顯區(qū)別，而這些區(qū)別在精軋后會(huì)還原。HC400TD板材上有非常結(jié)構(gòu)化的袋形孔，通過靜壓密封的潤(rùn)滑包裹物進(jìn)入孔，從而調(diào)節(jié)出很好的摩擦條件。但其它板材的表面不是這樣的，因?yàn)檫@種板材擁有開放的潤(rùn)滑袋和較大的接觸面，能夠阻止承載潤(rùn)滑膜的形成。 所有材料配對(duì)的磨損率都作了文獻(xiàn)處理。根據(jù)材料決定其測(cè)量間隔，預(yù)計(jì)磨損量比較低時(shí)就會(huì)選擇測(cè)量間隔比較大。板材的強(qiáng)度值差別也很大，它們?cè)谏顩_時(shí)會(huì)感應(yīng)到刀具不同大小的負(fù)荷。 一旦刀具材料的硬度超過板材的硬度，磨損附著物的機(jī)械性能就能決定工藝過程。在刀具硬度為>40HRC的所有試驗(yàn)中都是這樣，因此硬質(zhì)刀具需用相對(duì)軟的板材磨損。HC400TD板材顯示出很好的摩擦性能，因?yàn)樵诒砻嫘阅芑A(chǔ)上能夠形成潤(rùn)滑緩沖墊層。盡管在成形過程中刀具機(jī)械負(fù)荷很高，但是使用這種板材的材料配對(duì)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(qiáng)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(qiáng)度板材可測(cè)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(jié)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(guān)。所有影響如潤(rùn)滑物、潤(rùn)滑量、溫度、表面粗糙度和表面結(jié)構(gòu)都會(huì)加入到這個(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜的摩擦變換作用中。 從磨損測(cè)量中計(jì)算下列量的磨損系數(shù)：從測(cè)量中產(chǎn)生任何生成數(shù)值的磨損深度w[mm]。借助于FE-模擬和Redsy校準(zhǔn)程序可以確定接觸壓力和滑動(dòng)速度的積分及磨損功。刀具材料的硬度同樣可以從試驗(yàn)中得取。 為了說(shuō)明上述方法的效率，為材料配對(duì)DC05-GS60進(jìn)行一次示范性磨損模擬實(shí)驗(yàn)。在磨損測(cè)量試驗(yàn)中得出該材料配對(duì)磨損系數(shù)K=2.035E-7。磨損模擬程序Redsy用這個(gè)系數(shù)計(jì)算出圖3b中所列的磨損圖。
圖3 材料配對(duì)DC05-GS60：在25000次升程后 凹模入口半徑節(jié)拍式輪廓測(cè)量（a）和Redsy（b）磨損模擬結(jié)果
與凹模入口半徑節(jié)拍式輪廓測(cè)量（圖3a）的比較顯示，模擬結(jié)果在數(shù)量和質(zhì)量上都與測(cè)量結(jié)果相當(dāng)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(jì)算的方法依據(jù)是一種實(shí)驗(yàn)測(cè)量磨損系數(shù)的新方法。要為實(shí)驗(yàn)用材料配對(duì)指示出磨損過程及所取得的磨損系數(shù)。要特別說(shuō)明所檢驗(yàn)的板材磨損狀態(tài)。除了板材強(qiáng)度外，摩擦比例也顯著影響了刀具磨損。摩擦性能好的高強(qiáng)度板材可測(cè)到的磨損要少于摩擦性能差的軟板材。 由此得出結(jié)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(guān)。 用磨損模型擴(kuò)展摩擦學(xué) 在測(cè)量基礎(chǔ)上建立的磨損模擬軟件Redsy的第一批結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)吻合。因?yàn)榘宀哪Σ列阅苁窃囼?yàn)得出，并且集成到磨損系數(shù)中的，只有將磨損模型擴(kuò)展到摩擦性能描述時(shí)，關(guān)于材料配對(duì)的磨損狀態(tài)質(zhì)量的準(zhǔn)確結(jié)論才能具有普遍意義。 這里所介紹的工作的關(guān)鍵結(jié)果是在 “板材成形過程中計(jì)算磨損系數(shù)，模擬法支持磨損計(jì)算”（AiF14291N）研究項(xiàng)目中取得的。 這個(gè)研究項(xiàng)目得到了聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)和勞動(dòng)部關(guān)于工業(yè)研究聯(lián)合會(huì)勞動(dòng)委員會(huì)“Otto von Guericke”的財(cái)政預(yù)算支持。
