差速润滑改善变薄拉延件表面质量

《Lubricants》：Improvement in Surface Quality of Ironing Product Using Differential Lubrication

　　

变薄拉延（ironing）是在系列成形工艺最终阶段对成形件进行精密精整的有效工序。通常在严苛成形条件下为防止粘着（galling）会使用高粘度高性能润滑油，但高粘度油在成形后难以从工件去除，残油会干扰焊接、热处理、涂装等后续工序。因此严苛变薄拉延条件下亟需具备优良清洁性的低粘度油。本研究将差速润滑（differential lubrication）应用于变薄拉延以实现低粘度油的使用。结果显示，单独使用低粘度油时工件内表面发生严重粘着；而内表面涂低粘度油、外表面涂高粘度油时未观测到粘着。这表明差速润滑可在维持高表面质量的同时使低粘度润滑油无粘着应用成为可能。

研究背景与立项依据

汽车电动化趋势下，除电池外各零部件需更小更轻，装配间隙过大会增加总尺寸，故终端零件须具备更高尺寸精度与更平滑表面，变薄拉延作为终成形精整工序被广泛采用。传统变薄拉延依赖高粘度高性能润滑油形成厚韧油膜以防粘着（galling）并降低成形载荷，但厚油膜易因自由表面粗化效应恶化工件表面粗糙度，且残油难清洗，妨碍焊接、热处理、涂装、电镀等后续工序；低粘度油虽易清除，但在严苛条件下油膜易破裂导致粘着与载荷上升、模具磨损加剧。差速润滑（differential lubrication，即工件不同表面施以不同润滑介质）此前多限于深冲（deep drawing）研究，尚未见用于变薄拉延，且既往摩擦控制机制复杂。该研究发表于《Lubricants》，旨在以简易粘度差策略拓展低粘度油在严苛变薄拉延中的适用边界，同时满足高尺寸精度、低表面粗糙度、低成形载荷与易脱脂三重需求。

主要技术方法概括

研究人员采用球压入（ball penetration）模拟变薄拉延实验，工件为0.10%碳钢空心件，工具为SUJ2轴承钢球与约束套筒；润滑剂取低粘度纯矿物油VG2（ν=2 mm²/s）与高粘度牛脂（beef fat，含大量脂肪酸），由环压缩试验标定库仑摩擦系数μ分别为0.08与0.05、无润滑μ=0.11；截面减薄率Re定义如原文。配合Simufact.Forming 2023二维弹塑性有限元分析，设定μ_inner（球-工）与μ_outer（套-工）组合工况，并测载荷-行程、鼓包高度H_b、维氏硬度径向分布、等效应变分布及顶出力P_E。样本为实验室制备碳钢空心柱，无外部临床队列。

研究结果

2 球压入差速润滑条件效应

2.1 实验方法与条件：通过球压入操作界定Re=0.36%~6.0%，VG2与牛脂分别或组合施加于球/内表面与套筒/外表面。

2.2 FEM分析条件：二维有限元弹塑性建模，球与套筒为弹性体，工件为弹塑性体，输入单压应力-应变曲线。

2.3 摩擦条件：设定μ_inner=0.01~0.10、μ_outer=0.10（工况A）及μ_inner=0.10、μ_outer=0.01~0.10（工况B）解析载荷与变形。

3 实验与数值结果

3.1 防粘着性估计：均质润滑时牛脂最大无粘着Re=6%，VG2仅0.36%；低粘度油单独使用极限极低。

3.2 内表面形貌：Re=4.0%时，内VG2/外VG2出现严重粘着；内VG2/外牛脂、内牛脂/外VG2、内外牛脂均无粘着，表明外表面（套筒侧）施牛脂即可保内表面无粘着，套筒润滑贡献意外显著。

3.3 压入载荷与顶出力：Re=4.0%最大载荷依次为125 kN（VG2/VG2）、44 kN（牛脂/VG2）、42 kN（VG2/牛脂）、38 kN（牛脂/牛脂）；外表面用VG2时顶出力P_E≈30 kN显著偏高，牛脂涂套筒可降低P_E，证明外摩擦通过弹性胀套间接增压。

3.4 等效应变分布：Re>2.5%工件接触套筒，良好润滑下塑性应变自内向外扩展至外表面。

3.5 硬化与应变对应：径向维氏硬度与FEM等效应变分布定性一致，内表面附近因球-工附加剪切应变而加工硬化最强。

3.6 鼓包高度与载荷关系：μ_inner增大→载荷增大→鼓包高度H_b增大→动压油膜补给受阻→摩擦恶化；实验(b)(c)(d)与FEM吻合。

3.7 FEM载荷曲线：μ_outer固定0.10时μ_inner降则载荷降；μ_inner固定0.10时μ_outer降至0.01载荷稳于~50 kN，说明套筒良滑亦降总载荷。

3.8 鼓包与摩擦：μ_outer>0.06鼓包与载荷陡升；降μ_outer抑鼓包且稳载荷。

讨论与结论翻译

讨论指出，受限外表面的内表面变薄拉延中，工-套摩擦阻力促成反向材料流动抗力，套筒施牛脂削减该阻力、促轴向伸长、抑鼓包；即便球侧用低粘度VG2，套筒侧牛脂仍保障无粘着与低载。

结论：(1)牛脂内表面变薄性能优，VG2单独不行；球侧VG2+套筒侧牛脂之差速润滑将低粘度油适用Re由0.36%拓至4.0%，获低载细表面。(2)受限外表面变薄时工-套摩擦生高阻，降μ_outer利反向流动控载荷，牛脂涂套筒减阻。(3)球侧VG2+套筒侧牛脂可借外润滑控摩擦、促伸长、抑鼓包，实现更生态的差速润滑精密变薄成形。