Page 151 - 数值模拟驱动的高温合金热加工技术

第四章 高温合金锻造过程数值模拟

比摩擦因数可能是一个更合适的方法。湖南大学李落星课题组采用球盘摩擦试验
表征铝合金热挤压模具工作带位置的摩擦特征也得出了类似的规律，并采用逆多
项式峰值函数拟合剪切摩擦应力与温度之间的关系。

采用摩擦测试方法等效表征挤压过程的摩擦需满足几个基本条件：①接触条
件需与挤压界面基本相吻合。如挤压筒、模具界面位置的接触压力非常高，模具
工作带位置的接触压力从入口的较高值到出口逐渐减少为 0；②温度、速度和接
触压力等对摩擦因数的影响十分显著。为了便于研究各参数对界面摩擦的定量影

响，测试方法能改变各参数变量且在试验过程中能精确控制。由上述可知，圆环
压缩试验是研究金属体积成形中摩擦最常用的方法。然而该方法不适合用来表征
挤压过程界面的摩擦行为。在铝挤压过程中，铝材料与模具接触界面的压力从挤
压筒到工作带位置逐渐减少，界面上发生严重粘着摩擦且存在相对滑移。圆环压

缩试验并不能真实地反映挤压过程不同接触界面的摩擦学行为及特征；采用挤压
试验根据挤压力或挤出型材长度可以反求出整个挤压过程中挤压筒或工作带位置
的摩擦因数。由于摩擦与温度、滑移速度、界面接触压力、新表面生成等密切相
关。在挤压过程中，铝锭在挤压筒中的变形温升较小，接触压力基本一致，且界

面不存在滑移。但是在模具特别是工作带位置的变形温升非常大，界面滑移速度
大，不同出口位置可能不一致。因此，采用挤压试验只可以用来研究挤压筒位置
不同变形温度和接触压力等单一因素下的摩擦，对于模具工作带位置则很难研究
单一因素对摩擦的影响；块盘试验虽能研究单一因素对接触界面的摩擦行为。但

块盘摩擦在磨损过程中，界面产生的接触压力是非常低的，特别是在铝块温度过
高情况下，这一现象与挤压过程界面高的接触压力不符合；球盘试验可以精确控
制单一因素的变化。钢球和旋转盘界面产生较高的接触应力且随着磨损距离的增
加而减小。铝盘在磨损过程中表面氧化层破损，导致纯金属之间的接触。虽然采

用球盘试验可有效表征模具工作带位置的摩擦学行为，但是球盘摩擦测试出的摩
擦因数包括剪切摩擦和犁沟摩擦因数两部分，不能直接用于数值仿真的摩擦边界
条件。已有研究成果表明剪切摩擦应力在磨损过程中保持一致，可以代替摩擦因
数作为工作带位置的摩擦边界条件，但该模型如何引入商业有限元软件里并能较

好模拟材料出口材料流动行为等还需进一步研究。
不加润滑条件下，铝垫与挤压垫、挤压筒、挤压模具接触界面的摩擦在高接
触压力条件为完全粘着摩擦；模具工作带位置的接触压力从入口的较高值到出口

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