作者：瑞格尔总工程师刘国胜
摘要：
本文简述了在杯突试验中使用润滑剂的原因，以及对不同厚度试样使用与不使用润滑剂对结果的影响。分析出引起试验结果发生偏差的本质原因是试验机的同轴度与冲头的光洁度和试样的光洁度。使用润滑剂可有效地减少不同轴度与光洁度的影响。
关键词：杯突试验润滑剂同轴度光洁度
在国家标准GB/T4156《金属材料，薄板和薄带，埃里克森杯突试验》中明确指出，在试验时应使用润滑剂，并且指出“使用不同类型的润滑剂会影响实验结果”。但标准并未进一步说明影响的程度与影响的机理。在笔者从事新型全自动杯突试验机研制工作中，接触到了大量的从事金属板材杯突试验的工作人员，大家对这一问题都感到比较困惑。为此笔者进行的大量的试验工作，并进行了初步的理论分析，对此问题有了初步的认识，在此简略的进行描述，供大家参考。
一、润滑剂的选择
不同的润滑剂得到的试验结果不尽相同，为此国标GB/T4156中提供了一个比较典型的润滑剂配方。经过走访发现现实中这一配方的使用并不广泛，究其原因主要是因为试验所需的剂量太少，没有成品可供采购，自行配制原材料的采购也很困难。在实际工作中往往采用医用凡士林代替，这主要是因为医用凡士林采购非常方便，一般医药商店都有销售，另外它的成分、纯度比较稳定，试验结果也较为理想，但有一点需要引起注意，医用凡士林的黏度受温度的影响较大，因此最好在恒温环境下进行试验。并应长期使用同一牌号。
对于比较性试验，对润滑剂的要求较低，也可选工业用润滑脂、工业黄油等作为润滑剂。但对于性能测试试验，建议使用医用凡士林，而避免使用工业润滑脂，工业黄油。
二、对不同厚度材料的影响
国标GB/T4156规定的材料厚度的范围为0.1mm-2mm，但笔者目前实际了解到的材料厚度范围则远大于此，最厚达到6mm，最小为0.008mm。对于超范围的材料，由于没有相应的标准规定，所以人们还是借用国标GB/T4156来进行试验。那么借用的标准对试验会产生什么影响呢？经过大量的跟踪调查与实验发现，润滑剂对不同厚度试样的试验结果有明显不同的影响。对于厚度在0.5mm以上的试样影响可以不计；对于0.5mm-0.05mm厚度的式样影响较小；使用润滑剂与不使用润滑剂杯突试验值相差约在0.1-0.5mm左右；0.05mm以下厚度试样的结果误差非常大。如某种0.008mm厚度试样，经过多次反复试验，使用医用凡士林作为润滑剂的平均杯突值为6mm，而不使用润滑剂时的杯突值为4.5mm，两者竟然相差25%左右。因此在进行超薄材料杯突试验时，必须使用润滑剂，并且要明确告知试样提供者，所用的润滑剂的名称、牌号以及试验环境温度，在进行结果比对时也必须以相同的条件（如润滑剂名称、牌号、试验环境温度以及试验加载速度、冲头、冲模尺寸，裂纹判断标准等）下的结果进行对比，否则会得出不一致的结论。
三、引起数据误差的原因
使用不同润滑剂会得到不同的结果，这只是产生误差的外在表象，引起这种表象的内在原因是什么呢？通过分析杯突试验的实验过程以及杯突试验机的结构原理，我们知道引起这种现象的原因很多，但是最主要的是由于冲头与冲模的不同轴度以及冲头的光洁度、材料表面的粗糙度引起的。在试验过程中冲头与试样表面处于一个相对运动的状态，它们之间存在一定的摩擦力，从而影响了实验结果，使用润滑剂减少了相对运动时的摩擦力，相当于提高了冲头的光洁度，减少了试样的粗糙度，并相应的减少了不同轴度的影响。
下面就不同轴度与粗糙度是如何影响试验结果的分别加以分析：
1、不同轴度的影响
杯突试机示意图
(1)图中冲头中心距离压模对称两边的距离；
(2)b冲头冲入的深度，也就是杯突值；
(3)试验过程中试样变形部分的长度。一般情况下，为一弧线，有时候变为一段弧线+一段直线；
(4)为压模边距到冲深底部的连线。作为变性性分析，为了简化计算，我们用代替。我们假设材料在图示方向的延伸率为20%,冲模直径为20mm。首先假设同轴度为理想状态，那么==20/2=10mm由延伸率20%可以知道当出现裂纹时：
==10+10*20%=12mm；
b===6.63mm(b即为杯突值)
如果同轴度偏离1mm（这只是为了证明问题，实际不可能这么大）且在图中左偏，那么=9mm,=11mm
20%延伸率=9+9*20%=10.8mm
=11+11*20%=13.2mm
按，求b==5.97mm
按，求b==7.30mm
由于当b=5.97mm时，试样已出现裂纹，故实际杯突值只有5.97mm,与完全同轴的6.63mm比相差了（6.63-5.97）/6.63100%=10%。
从上面的分析可以看出，同轴度的影响是非常严重的，但事实上，并非如此。这是为什么呢？原因是以上的分析中是假定冲头最高点与试样的接触点在整个冲压过程中位置不发生变化。但事实上在试验过程中接触点会产生滑动。这样以上计算过程就不成立了。
由于偏心，在试验过程中左右两边的应变值就不一样。从材料的拉伸应力——应变特性我们知道，应变大的一边的应力也大，这样在试验过程中，材料就会向应力大的一边滑动，力求使两边的应力相等。但是，在滑动的过程中冲头与试样是相接触的，在接触面必然会产生一个阻止滑动的摩擦力，摩擦力越小，两边的应力就越容易平衡，得到结果也就越准确。
对确定的试验机，确定的试样，如何才能减少摩擦，最好的办法就选择最好的润滑剂。
2、冲头光洁度，试样平整度的影响
杯突试验是用来检验金属板材在“拉延成型时承受塑性变形能力”的。这也就是说在试验过程中,材料只能承受拉伸作用,而不应符加承受其它作用。但事实上并非如此，由于冲头不可能绝对滑，试样也不可能绝对平整，因此必然还会产生其它的符加作用。一般而言，应该存在以下三种作用：（1）顶破作用、（2）穿刺作用、（3）剪切作用。
（1）顶破作用：如果冲头表面的纹路如图（一）则试样的局部将产生顶破作用，此时由于应力集中，可能在未到达杯突值时，首先在顶破作用点提前破裂，以致于应力极剧增大引起裂纹扩展。产生出现拉延裂纹的假象。
（2）穿刺作用：如果冲头表面的纹路如图（二）则试样的局部将产生穿刺作用，产生应力集用，在穿刺处提前破裂，从而引起应力极剧增大，引起裂纹扩展，产生拉延裂纺的假象。而且穿刺作用对试样的破坏比顶破作用更大。
（3）剪切作用：如果由于试样的凹凸点与冲头的凹凸点产生了嵌合作用如图三。如前所述由于偏心，在试验过程中试样就会产生滑动，这样就会产生剪切作用。同上两点一样，同样会在局部产生应力集中，试样会在应力作用点提前破裂，产生拉延裂纹的假象。
对确定的试验机，确定的试样，这种缺陷是不可改变的，我们无法消除，但我们可以通过使用润滑剂来填充凹点，这相当于改变了冲头与试样的光洁度进而提高了试验的准确度。
由于杯突试验的整个过程受力非常复杂，限于笔者的水平不可能进行非常深入的定量分析；对于使用润滑剂的必要性,以及使用润滑剂可改善试验结果的原因,只能进行以上简单的定性分析，抛砖引玉。笔者希望有更专业的人士对此进行更深入的研究探讨,以提高杯突试验的制造水平与试验准确度，为我国材料的发展与应用贡献力量。