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【摘要】
本文着重点探讨了怎么样通过模具优化的方法来提高轴向补料的效率，目的是为了通过减少补料过程来抵抗摩擦力所需要的轴向力。同时也是对理想没有摩擦状态与有摩擦情况下传统模具成形以及有摩擦组合模具的成形结果来进行比较，结果表明了经优化后的模具在相同加载方式下可以很好地减少摩擦的影响以及避免壁厚分布存在的不均匀性。
【关键词】模具；液压成形；摩擦；
【分类号】：TG394
1.液壓成形中的摩擦问题
液压成形过程中因为受到摩擦因素方面的影响从而导致了补料不能顺利进行、小半径的圆角也不能完全地进行填充，在一些较为复杂的轴线或者截面形状的情况下则很有可能是由于材料不能流动而导致了局部开裂的现象。摩擦力也会随着内压的增高而出现增大的现象，因此，当内压产生一定的摩擦力且该力足以使管材发生剪切变形的时候不仅补料不能起效果，同时在管坯的表面也会产生划痕等质量方面的问题。
摩擦对于液压成形结果的影响更多的是在于壁厚分布、极限膨胀率以及缺陷形式等等，因此，采取有效的措施来改善润滑减少摩擦是液压成形工艺过程中最为关键的一种技术。各种材料由于结合能力不同而使得其摩擦系数也会不一样，例如低碳钢与不锈钢钢管之间的摩擦系数通常是0.02至0.07之间；而铝合金的摩擦条件则不太理想，其摩擦系数通常是在0.05至0.15之间。对于液压成形工艺过程，其整体摩擦系数具体数值则是取决于其所成形的材料及其表面质量、使用的润滑剂性能和温度、内压数值与变形速度、模具的材料与硬度等多种参数相结合。
在液压成形过程中通常用到的润滑剂主要有三种：第一种是固体润滑剂MoS2和石墨；第二种是润滑油和石蜡；第三种是乳化剂和高分子基体润滑剂。按照条件的不同而采用不同的润滑剂，生产中每一种润滑剂的使用基本情况是这样的：固体润滑剂占到40%左右，润滑油则是占到了30%左右，余下的则基本上是属于乳化剂以及高分子基体润滑剂。管材液压成形中润滑剂的使用通常是喷涂到管坯的表面或者把管坯放到润滑液中进行相应的浸泡，然后进行相应的干燥处理及硬化处理。润滑剂，特别是固体润滑剂的使用要求其厚度分布是十分均匀的，且整个管坯的润滑条件也是十分稳定，不会因为产生局部润滑条件差别过大而出现一些变形不均匀的现象。
在液体润滑油的使用过程中，内压对润滑条件的影响也会十分明显，而固体润滑剂受到内压影响可能性较小。曾有人经过测试表明，肥皂作为润滑剂的情况下内压小于200MPa时润滑条件没有发生明显的变化。那么MoS2在内压的作用下其摩擦系数反而会出现减少。
2. 对变径管液压成形模具的优化
为了能够更好地减少摩擦对液压成形过程的影响，除了通过传统的方法来改善润滑介质之外，还可以从工艺和模具上进行设计和优化工作，这是在机械制造中急需要处理的问题。由于在液压成形的过程中，受到摩擦影响问题而不能有效控制，使得整体液压成形可控范围得到进一步的缩小。例如在导向区以及过渡区，由于摩擦的影响管坯在这两个区域中的变形无法得到较好的改善，变形区唯有通过内压的控制才能够得到相应的调整。
T型管液压成形的初期主要是通过自由胀的形式来得到的，由于支管部分无法得到有效的控制从而会造成破裂失效的可能。笔者通过应力状态分析提出了改善其受力状态的想法，从整体理论上提出使得支管变形由双向拉应力向一拉一压应力状态转变的可能。后来提出离散模具的概念，在支管型腔处放置一个平衡冲头抑制支管的自由膨胀状态，从而有效地改善了其成形性可以得到高度加长的支管和壁厚减薄可控的高质量产品。
在变径管液压成形过程中，因为内压的作用使得其在导向区和过渡区产生的摩擦力组织物质向中心区的流动，从而造成了变形区内不能有效地得到充分的补料，最终使得产品壁厚减薄严重的现象。在整体轴向力的作用下，导向区与过渡区则会出现管壁增厚的情形。这一个现象在任何需要进行轴向补料的液压成形工艺中都是一件普遍存在的现实问题，只要模具结构不会出现变化就很难避免。这里吸取了T型管支管在处理方法时提供的经验，对模具进行离散化处理，将摩擦力影响区域减少到最低。
通过将模具型腔设计成为统一直径的通孔，导向区与过渡区从原有模具中分离出来并且还需要进行上下模部分的合并，作为一个能够移动的冲头。整体形状为圆筒形，不仅具有对中功能同时还可以抵消内压减少摩擦力的产生。通过优化后的模具可以使得轴向力不需要抵消摩擦力，整体组成是由抵抗内压的作用、封闭管端和轴向进给三部分组成。同时内压所产生的摩擦力发生在管坯以及可移动的套筒之间，即使内压在很大的情况下只需要轴向力足够大就可以进行轴向补料而不会产生导向区和过渡区发生增厚严重变形区却得不到补充的现象。下图1为优化后的模具与传统模具比较。
（a）传统液压成形模具；（b）经过优化的液压成形模具。
3.优化后模拟结果对比分析
在对管坯小片区域进行应力分析时得出最理想变形受力状态为轴向应力等于环向应力的值，但是在现实的变形过程中管坯依然是处于一种十分不稳定的变形状态，从整体的补料区到变形区的截面形状所发生的变化都会存在不一样，在以 补料压力的作用下，皱纹幅值较小，因此波峰波谷的差别很小，波谷与无波纹区的变化是十分小的。在补料阶段所能够达到的半径也是不相同的，但是在胀形阶段最终贴模得到的半径却是一样的，也就是三个点都是处在变形区。并且最终的壁厚相差较小，可知虽然补料阶段所得到的壁厚不相同且所不一样，但整个变形过程总的壁厚变化量基本上是相同的，也就是变形区的壁厚均匀性较好。下面按照 补料压力为例，对在无摩擦和摩擦系数为0.1条件下，通过利用传统模具成形的产品壁厚与摩擦系数为0.1时优化模具成形的产品壁厚分布曲线进行比较。如图2所示，从图中我们可以看出在相同加载条件下，优化模具的壁厚分布介于传统模具无摩擦与有摩擦这两种情况之间。由于无摩擦的条件是属于假设的理想情况下，现实中是无法满足的。只需要介于理想与实际之间，就可以证明这个优化方案对产品壁厚的改善有良好的效果。同时在冲头与管坯的接触端，就不会存在过度增厚的现象。
按照图2所示，可以知道，在理想状态下得到的产品壁厚分布均匀性是十分好的，壁厚分布曲线大都是在有摩擦情况之上。传统磨具成形方式在有摩擦时，补料区的端部管壁有着十分明显的增厚现象，变形区的壁厚分布不是十分的均匀。通过优化后的组合模具进行成形得到产品完全消除了补料区增厚与变形区壁厚不够均匀的问题，同时整体壁厚也会出现相应的增加。为了能够消除摩擦而产生的不良影响，对模具进行优化设计成组合式的方法可以有效的达到要求。
结论
综上所述，本文按照对不同的补料压力情况下，采用同一轴向进给曲线，评估其最终产品的壁厚分布情况。同时对比了有无摩擦的结果，得出摩擦在不同补料压力情况下体现出的影响程度。最终认为不管是理想状态的无摩擦又或者是施加摩擦系数之后，1.2倍的初始屈服强度作为补料压力是最为理想的。最小壁厚最大，壁厚的分布均匀性也是十分好的。最后为了解决传统模具成形方式无法避免的摩擦问题，对模具进行了相应的优化。把传统模具中的过渡区和补料区分割出来与变形区形成组合模具，按照同样的加载方式进行成形，结果与传统模具与无摩擦理想状态进行了比较，证明优化后的模具能有效地减少摩擦的影响。
参考文献
[1]王仲仁，滕步刚，汤泽军.塑性加工技术新进展[J].中国机械工程.2009年1月.第20卷第1期：108-112
[2]袁安营，王忠堂，梁海城，张士宏.变径管内高压成形有限元模拟[J].机械工程与自动化.2006年8月.第4期：1-3+7
[3]郑再象，沈辉，秦永法.管件液压成形技术及其进展[J].机床与液压.2011年6月.第39卷第11期：139-142+80
本文着重点探讨了怎么样通过模具优化的方法来提高轴向补料的效率，目的是为了通过减少补料过程来抵抗摩擦力所需要的轴向力。同时也是对理想没有摩擦状态与有摩擦情况下传统模具成形以及有摩擦组合模具的成形结果来进行比较，结果表明了经优化后的模具在相同加载方式下可以很好地减少摩擦的影响以及避免壁厚分布存在的不均匀性。
【关键词】模具；液压成形；摩擦；
【分类号】：TG394
1.液壓成形中的摩擦问题
液压成形过程中因为受到摩擦因素方面的影响从而导致了补料不能顺利进行、小半径的圆角也不能完全地进行填充，在一些较为复杂的轴线或者截面形状的情况下则很有可能是由于材料不能流动而导致了局部开裂的现象。摩擦力也会随着内压的增高而出现增大的现象，因此，当内压产生一定的摩擦力且该力足以使管材发生剪切变形的时候不仅补料不能起效果，同时在管坯的表面也会产生划痕等质量方面的问题。
摩擦对于液压成形结果的影响更多的是在于壁厚分布、极限膨胀率以及缺陷形式等等，因此，采取有效的措施来改善润滑减少摩擦是液压成形工艺过程中最为关键的一种技术。各种材料由于结合能力不同而使得其摩擦系数也会不一样，例如低碳钢与不锈钢钢管之间的摩擦系数通常是0.02至0.07之间；而铝合金的摩擦条件则不太理想，其摩擦系数通常是在0.05至0.15之间。对于液压成形工艺过程，其整体摩擦系数具体数值则是取决于其所成形的材料及其表面质量、使用的润滑剂性能和温度、内压数值与变形速度、模具的材料与硬度等多种参数相结合。
在液压成形过程中通常用到的润滑剂主要有三种：第一种是固体润滑剂MoS2和石墨；第二种是润滑油和石蜡；第三种是乳化剂和高分子基体润滑剂。按照条件的不同而采用不同的润滑剂，生产中每一种润滑剂的使用基本情况是这样的：固体润滑剂占到40%左右，润滑油则是占到了30%左右，余下的则基本上是属于乳化剂以及高分子基体润滑剂。管材液压成形中润滑剂的使用通常是喷涂到管坯的表面或者把管坯放到润滑液中进行相应的浸泡，然后进行相应的干燥处理及硬化处理。润滑剂，特别是固体润滑剂的使用要求其厚度分布是十分均匀的，且整个管坯的润滑条件也是十分稳定，不会因为产生局部润滑条件差别过大而出现一些变形不均匀的现象。
在液体润滑油的使用过程中，内压对润滑条件的影响也会十分明显，而固体润滑剂受到内压影响可能性较小。曾有人经过测试表明，肥皂作为润滑剂的情况下内压小于200MPa时润滑条件没有发生明显的变化。那么MoS2在内压的作用下其摩擦系数反而会出现减少。
2. 对变径管液压成形模具的优化
为了能够更好地减少摩擦对液压成形过程的影响，除了通过传统的方法来改善润滑介质之外，还可以从工艺和模具上进行设计和优化工作，这是在机械制造中急需要处理的问题。由于在液压成形的过程中，受到摩擦影响问题而不能有效控制，使得整体液压成形可控范围得到进一步的缩小。例如在导向区以及过渡区，由于摩擦的影响管坯在这两个区域中的变形无法得到较好的改善，变形区唯有通过内压的控制才能够得到相应的调整。
T型管液压成形的初期主要是通过自由胀的形式来得到的，由于支管部分无法得到有效的控制从而会造成破裂失效的可能。笔者通过应力状态分析提出了改善其受力状态的想法，从整体理论上提出使得支管变形由双向拉应力向一拉一压应力状态转变的可能。后来提出离散模具的概念，在支管型腔处放置一个平衡冲头抑制支管的自由膨胀状态，从而有效地改善了其成形性可以得到高度加长的支管和壁厚减薄可控的高质量产品。
在变径管液压成形过程中，因为内压的作用使得其在导向区和过渡区产生的摩擦力组织物质向中心区的流动，从而造成了变形区内不能有效地得到充分的补料，最终使得产品壁厚减薄严重的现象。在整体轴向力的作用下，导向区与过渡区则会出现管壁增厚的情形。这一个现象在任何需要进行轴向补料的液压成形工艺中都是一件普遍存在的现实问题，只要模具结构不会出现变化就很难避免。这里吸取了T型管支管在处理方法时提供的经验，对模具进行离散化处理，将摩擦力影响区域减少到最低。
通过将模具型腔设计成为统一直径的通孔，导向区与过渡区从原有模具中分离出来并且还需要进行上下模部分的合并，作为一个能够移动的冲头。整体形状为圆筒形，不仅具有对中功能同时还可以抵消内压减少摩擦力的产生。通过优化后的模具可以使得轴向力不需要抵消摩擦力，整体组成是由抵抗内压的作用、封闭管端和轴向进给三部分组成。同时内压所产生的摩擦力发生在管坯以及可移动的套筒之间，即使内压在很大的情况下只需要轴向力足够大就可以进行轴向补料而不会产生导向区和过渡区发生增厚严重变形区却得不到补充的现象。下图1为优化后的模具与传统模具比较。
（a）传统液压成形模具；（b）经过优化的液压成形模具。
3.优化后模拟结果对比分析
在对管坯小片区域进行应力分析时得出最理想变形受力状态为轴向应力等于环向应力的值，但是在现实的变形过程中管坯依然是处于一种十分不稳定的变形状态，从整体的补料区到变形区的截面形状所发生的变化都会存在不一样，在以 补料压力的作用下，皱纹幅值较小，因此波峰波谷的差别很小，波谷与无波纹区的变化是十分小的。在补料阶段所能够达到的半径也是不相同的，但是在胀形阶段最终贴模得到的半径却是一样的，也就是三个点都是处在变形区。并且最终的壁厚相差较小，可知虽然补料阶段所得到的壁厚不相同且所不一样，但整个变形过程总的壁厚变化量基本上是相同的，也就是变形区的壁厚均匀性较好。下面按照 补料压力为例，对在无摩擦和摩擦系数为0.1条件下，通过利用传统模具成形的产品壁厚与摩擦系数为0.1时优化模具成形的产品壁厚分布曲线进行比较。如图2所示，从图中我们可以看出在相同加载条件下，优化模具的壁厚分布介于传统模具无摩擦与有摩擦这两种情况之间。由于无摩擦的条件是属于假设的理想情况下，现实中是无法满足的。只需要介于理想与实际之间，就可以证明这个优化方案对产品壁厚的改善有良好的效果。同时在冲头与管坯的接触端，就不会存在过度增厚的现象。
按照图2所示，可以知道，在理想状态下得到的产品壁厚分布均匀性是十分好的，壁厚分布曲线大都是在有摩擦情况之上。传统磨具成形方式在有摩擦时，补料区的端部管壁有着十分明显的增厚现象，变形区的壁厚分布不是十分的均匀。通过优化后的组合模具进行成形得到产品完全消除了补料区增厚与变形区壁厚不够均匀的问题，同时整体壁厚也会出现相应的增加。为了能够消除摩擦而产生的不良影响，对模具进行优化设计成组合式的方法可以有效的达到要求。
结论
综上所述，本文按照对不同的补料压力情况下，采用同一轴向进给曲线，评估其最终产品的壁厚分布情况。同时对比了有无摩擦的结果，得出摩擦在不同补料压力情况下体现出的影响程度。最终认为不管是理想状态的无摩擦又或者是施加摩擦系数之后，1.2倍的初始屈服强度作为补料压力是最为理想的。最小壁厚最大，壁厚的分布均匀性也是十分好的。最后为了解决传统模具成形方式无法避免的摩擦问题，对模具进行了相应的优化。把传统模具中的过渡区和补料区分割出来与变形区形成组合模具，按照同样的加载方式进行成形，结果与传统模具与无摩擦理想状态进行了比较，证明优化后的模具能有效地减少摩擦的影响。
参考文献
[1]王仲仁，滕步刚，汤泽军.塑性加工技术新进展[J].中国机械工程.2009年1月.第20卷第1期：108-112
[2]袁安营，王忠堂，梁海城，张士宏.变径管内高压成形有限元模拟[J].机械工程与自动化.2006年8月.第4期：1-3+7
[3]郑再象，沈辉，秦永法.管件液压成形技术及其进展[J].机床与液压.2011年6月.第39卷第11期：139-142+80