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，會產(chǎn)生附加的計劃外停機成本，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)中通過接觸機械模型描述。對于該特征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、標準力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)碼模擬中無法通過邊界條件包含在內(nèi)。
安裝在自動沖床上的試驗刀具
磨損過程模擬 墨尼黑技術(shù)大學成型技術(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，一項成形模擬與Achard模型基礎(chǔ)上的磨損模擬相結(jié)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(zhì)量，就必須對所用板材和刀具材料配對的磨損系數(shù)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(gòu)成正確定量的磨損模擬基礎(chǔ)。試驗在考慮到材料配對總體摩擦系統(tǒng)的情況下進行。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，磨損試驗大部分是在轉(zhuǎn)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(guān)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(shù)，并且會大幅度改進磨損模擬軟件的計算質(zhì)量。 為了進行磨損試驗要使用一個旋轉(zhuǎn)對稱盤，它建在一個8工位級進沖模上。用深沖過程的數(shù)碼圖形補償測量結(jié)果，能夠得出各種不同材料配對的磨損系數(shù)。 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?jīng)_壓動力學會產(chǎn)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(yè)能力對于分割和成型作業(yè)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(zhuǎn)變點前后45°以內(nèi)。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(yè)，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(yè)。鑒于刀具結(jié)構(gòu)，這樣對于現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(tài)盡可能詳細的數(shù)據(jù)，不只在試驗結(jié)束時測量，而是可以根據(jù)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(shù)碼Gom Atos II 400（測量噪聲約8mm)外，還有一套節(jié)拍式成形切削測量系統(tǒng)（Typ Mahr Surf XCR20, Mahr GmbH）在工作。 這種節(jié)拍式測量方法所能達到的測量精度在微米范圍內(nèi)（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(shù)據(jù)。
圖2 凹模（暗）上節(jié)拍式輪廓測量的測量點和 數(shù)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�？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)下進行試驗的。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(xiàn)鋅磨耗物附著在刀具上的現(xiàn)象。 各種材料配對結(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，通過靜壓密封的潤滑包裹物進入孔，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(jù)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(zhì)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(chǔ)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(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)。所有影響如潤滑物、潤滑量、溫度、表面粗糙度和表面結(jié)構(gòu)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(shù)：從測量中產(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(shù)K=2.035E-7。磨損模擬程序Redsy用這個系數(shù)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(jié)拍式輪廓測量（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)量上都與測量結(jié)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(jù)是一種實驗測量磨損系數(shù)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(shù)。要特別說明所檢驗的板材磨損狀態(tài)。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(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)。 用磨損模型擴展摩擦學 在測量基礎(chǔ)上建立的磨損模擬軟件Redsy的第一批結(jié)果與試驗結(jié)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(shù)中的，只有將磨損模型擴展到摩擦性能描述時，關(guān)于材料配對的磨損狀態(tài)質(zhì)量的準確結(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 “板材成形過程中計算磨損系數(shù)，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(lián)邦經(jīng)濟和勞動部關(guān)于工業(yè)研究聯(lián)合會勞動委員會“Otto von Guericke”的財政預算支持。
