表面形貌对模具表面的摩擦与磨损特性的影响机理研究

摘要

模具是工业发展的基础，是工厂批量化生产的根本途径，在实现工业现代化的进程中必不可少。模具质量的好坏直接影响产品质量、工厂效益及研发能力，同时模具的使用寿命直接影响着产品的生产成本。因此，模具的生产水平代表了一个国家生产制造业的发展水平。在金属成型过程中，影响模具使用寿命的因素很多，其中主要影响因素是磨损，磨损的快慢决定了模具使用寿命的长短。因此，在模具的研发及生产过程中，要想提高模具的使用寿命关键是提高模具的耐磨性，降低磨损量。
　　现有研究已经发现通过合理设计微观表面形貌可以改善摩擦副表面的润滑状态、提高油膜的承载能力、减小摩擦系数、降低磨损量。论文通过研究材料成型过程中模具表面形貌对摩擦及磨损性能影响，寻找有利于降低模具磨损量提高模具寿命的新方法。论文通过仿真计算分析了表面形貌的形状、参数大小对摩擦副摩擦系数、承载力、模具磨损情况的影响，理论上验证了采用表面微观形貌可以降低模具的磨损量。采用试验法进行了表面形貌的加工及摩擦磨损试验，分析了不同加工方法及加工参数对表面形貌的影响、以及表面形貌对模具钢的表面摩擦系数及磨损特性的影响。论文对两种表面形貌加工方法的优劣势进行了对比。主要展开了以下几个方面的研究：
　　①理论分析表面形貌的形状、参数大小对摩擦副的摩擦系数、摩擦力、承载力的影响
　　采用Fortran编程求解雷诺方程，理论上研究了球冠形凹坑、矩形沟槽、梯形沟槽等不同形状的凹坑以及不同的凹坑面积率和凹坑间距对微单元表面摩擦力、承载力以及摩擦系数的影响。
　　②有限元方法分析表面形貌对模具磨损情况的影响
　　以简单的平板模具为例，采用有限元分析法分析了当下模的上表面选择球冠凹坑、矩形沟槽以及初始表面形貌时的磨损情况。比较了在油润滑的情况下摩擦系数对磨损量的积极作用和表面形貌的结构产生的消极作用大小。
　　③分析化学腐蚀法获得的表面形貌对模具钢摩擦及磨损特性的影响
　　以Cr12为研究材料，采用化学腐蚀法对试件表面进行腐蚀，通过大量试验研究发现该方法可以有效简单地获得试件表面的不规则形貌，形貌的具体形状及大小、深度与腐蚀剂的强弱、腐蚀时间有关。针对以上形貌进行了摩擦磨损试验，研究了在乏油润滑状态下不规则表面形貌对摩擦系数及磨损量大小的影响，并与初始表面形貌进行了对比研究。
　　④分析采用冷压技术加工获得的表面形貌对模具钢摩擦及磨损特性的影响
　　以Cr12MoV为研究材料，采用球头冷压技术利用球头旋转和不旋转两种方法在模具钢表面制备沟槽形表面形貌，分析了采用球头刀具不旋转时球头刀具的Y向和Z向进给量对模具钢的表面粗糙度、硬度、表面形貌的影响以及以上参数对冷作模具钢表面摩擦系数和磨损量的影响规律；分析了采用高速旋转的球头刀具冷压模具钢表面时刀具的主轴转速和Z向进给量对表面形貌的影响以及表面形貌其对摩擦系数和磨损量的影响规律。
　　⑤对比总结以上表面形貌加工方法的优劣性
　　从减摩效果、操作难度上、经济性、表面形貌的可控性四个方面分析了化学腐蚀法、球头冷压法（球头不旋转和球头高速旋转两种情况）在加工表面形貌时的优劣性。

目录

1 绪 论

1.1 课题研究背景、意义

1.2 模具磨损研究现状及基础理论

1.3 表面形貌研究现状及基础理论

1.4 本课题的研究内容

2 基于Reynolds方程的微造型表面形貌的流体润滑理论研究

2.1 基础理论

2.2 Reynolds方程的数值求解

2.3 采用有限差分法求解Reynolds 方程

2.4 基于Reynolds方程的微造型数学模型的建立及求解

2.5 本章小结

3 微造型表面形貌对模具磨损量影响的数值分析

3.1 有限元模型的建立

3.2 表面形貌结构对模具磨损情况影响的分析

3.3 摩擦系数对模具磨损量影响的分析

3.4 表面形貌对模具磨损量影响的分析

3.5 本章小结

4 化学腐蚀法获得凹坑型表面形貌及其对表面摩擦与磨损特性的影响

4.1 腐蚀剂配制及试验过程

4.2 表面形貌分析

4.3 摩擦试验

4.4 本章小结

5 球头冷压加工获得表面形貌及其对表面摩擦与磨损特性的影响

5.1 摩擦磨损试验

5.2 试验结果与分析

5.3 本章小结

6 高速旋转的球头冷压法制备表面形貌及其对摩擦与磨损特性的影响

6.1 试验设备

6.2 表面形貌分析

6.3 摩擦试验

6.4 表面形貌的三种加工方法优劣势对比分析

6.5 本章小结

7 总结与展望

7.1 总结

7.2 创新点

7.3 展望

致谢

参考文献

附录

A.作者攻读博士学位期间发表的论文目录

B.作者在攻读博士学位期间参加的科研项目