摩擦與潤滑在工業(yè)金屬薄板形成工藝中起著重要的作用。摩擦決定著金屬薄板的變形類型和無撕裂情況下的變形程度。
　　適當地潤滑可以避免金屬間的直接接觸，減少了模具和工件不必要的磨損，降低了成本。同時，潤滑減少了由于粘附作用引起的工件表面的損傷，提高了產品質量，延長了模具壽命。金屬薄板成型的精確塑性分析，常依據一種含糊而使人誤解的摩擦條件假設。其分析結果幾乎無任何實用意義，尤其對那些工藝結構性能較差的工件，更是如此。
　　在簡單的拉伸成型工藝中，廣泛采用的流體潤滑理論是由Wilson和Waog提出的。該理論認為，潤滑膜是由在沖頭和薄板結合處的邊緣所形成的楔形入口帶產生的。在沖頭接觸中心薄膜最厚，在連接邊緣附近，則逐漸變薄。正是在這個區(qū)域，以后會出現破裂。這里沖頭與薄板的接觸，與齒輪和滾珠軸承中的情況類似，為了測量這種接觸中的潤滑薄膜的厚度，已開發(fā)了幾項實驗技術。其中，分割入射光振幅的光干涉測量法最為成功。在類似鋼球和光學平面形成的彈性流體接觸中，用光干涉測量技術能穩(wěn)定精確地測量出油膜厚度。
　　為了研究金屬薄板成型的潤滑過程，我們將討論光干涉的應用。特別要闡述用球形沖模在有潤滑的條件下，軸對稱拉伸工藝的油膜厚度的局部、瞬時測量。我們研究的主要目的是驗證Wilson一Wang理論的正確性，從而加深我們對該理論的理解。
　　光干涉法測量
　　于涉曾經廣泛地用于固態(tài)薄膜處理技術的研究和拋光效率、拋光平面度的測量中。在潤滑特性研究中，把入射光波長作為潤滑薄膜厚度的測量標準，通過光干涉進行精密測量。干涉是由于視頻波的波動性而形成的。當兩列或兩列以上的光波相遇時，會產生與這些光波的疊加結果不同的合波。這種差異是由一個光源發(fā)出的兩種或兩種以上光波間的相位差引起的。由于潤滑薄膜的存在，諸光波間產生了誤差。當兩種光波再次相遇時，它們便形成了明暗交替的波帶，統(tǒng)稱為干涉條紋。
　　這里所用的主光源是功率為5毫瓦、輻射波長為0.6微米鮮紅色光的He一N。激光。此束光直射到空間頻率濾光片上，產生一種呈高斯幅射分布的發(fā)散激光束，此時，光強幾乎降　　低了一半。
　　用激光產生的干涉條紋比普通白色或單色光形成的條紋清晰和高級得多。氦氖激光能分辨小到0.10微米厚的薄膜。為觀察干涉條紋，我們設計、制造并專門鍍制了兩個作為透明光學沖頭的平凸透鏡。透鏡材料是非常耐用且精細退火的Schott玻璃(BK7一A)。在每個透鏡的平l可側鍍四分之一波長厚的氟化鎂以降低反射。
　　在透鏡凸面，鍍四分之一波長厚的Hfo2介質層研究雙束干涉。HfO:在較大的負荷下相當耐用。此膜的物理厚度為0.07微米，折射　率為2.10。用這些參數調諧到玉le一Ne激光波長，而四分之一波長厚度則確保來自該層的反射光在相位上變化180度。射到HfO:層上的這些光，14多被反射，5形被吸收，81拓透射到油膜。當透射光射到拋光片表面時，其中60廠被反射。反射部分從油膜方射到HfO:鍍層上，其大部分透過HfO2層返回沖頭，只有很少部分被返回油膜中。后一種光線由于強度大減，不會再引起任何附加的干涉，僅在兩束光線間生產干涉。位于窄環(huán)中所有干涉點的總和形成一種干涉帶。當光正常地入射到沖頭一薄板結合面時，在Hf02層附近形成干涉帶。
　　第二塊沖頭鍍厚度為四分之一波長的介質二氧化欽(TIO2)，以利于多束干涉條紋的形成。TIO2層的物理厚度為0.06微米，折射率為2.67。這兩個量也都能調諧到He一Ne激光的波長。
　　在射到TIO2層的光中，30%被反射，70%被透射到油膜中，吸收部分可忽略不計。由于TIO2層的反射率高，加之薄板表面的反射，透射光在油膜內經過一系列的反射。經薄板表面最初反射的光線，部分透射返回沖頭，部分反射到油膜中，振幅進一步發(fā)生了變化。這樣，多束光線在上述薄板與沖頭結合面上某一點的疊加便產生了干涉。
　　該點的光強約為雙光束在同點強度的二倍。光強的增加使多束干涉條紋中的明帶變寬，暗帶變窄。雙束條紋中的明帶比多束條紋中的略暗略窄一些。
　　樣品制備
　　試驗樣品是由直徑為3英寸的3003一H14熟鋁合金毛壞制成的。每個樣品的厚度是0.02英寸。屈服應力為21千磅/英寸“。為了控制來自薄板表面的反射光量，必須調整工件的表面反射率，使其大體上等于沖頭凹面的反射率。為此，研究了一種金相加工法，經七次拋光，達到鏡面光潔度。然后，把拋光樣品在48多氟化氫溶液中腐蝕2~4分鐘，便可得到所需的反射率。在靠近正常入射的地方，用激光功率表測量樣品表面對He一Ne激光的反射率。看來30%~48%的反射率已夠用了。 
         薄膜厚度計算
　　根據沖頭和薄板表面的反射率，便能導出確定潤滑膜厚度的簡單公式。這個公式可用于雙束和多束干涉。
　　

　　
　　這樣，干涉條紋便成為潤滑膜厚度的等值線圖。用這些條紋就能指示入/Zn間隔處的薄膜厚度變化。相鄰亮條紋之間的間隔約為13.72微米。
　　最初使用壓縮空氣驅動干涉儀，但我們發(fā)現這樣只能用來記錄靜態(tài)干涉條紋。結果有關薄膜最初形成的大部分信息都未能得到。壓縮空氣驅動干涉儀的主要缺點是不能充分控制全過程。特別是不容易調整薄板對沖頭加載的速率。另外，使用中設備的裝卸是不可避免的，裝一次就要將分光棱鏡和干涉儀中的光學元件再對準一次。

　為精確地測量活塞速度并嚴格地控制整個成型過程，設計了一種電機驅動的干涉儀。它的機電驅動系統(tǒng)由步進電機和滾珠絲杠千斤頂組成。在最大速率達5000步/秒時，轉子每步旋轉1.8度。計算機程序控制從靜止到達到預定最大速率所需的加速度?，F已研制成兩種電機驅動干涉儀，它們能記錄薄膜厚度的動態(tài)變化。
　　第一種方法采用閉路電視和錄相帶記錄系統(tǒng)與顯微鏡配合，記錄要辨認的零級條紋處的圖形變化。然后將錄相帶倒回去，便可仔細觀察圖形的變化。此時，干涉條紋，特別在靠近圖形中心的那些條紋，便忽隱忽現地漂移，這意味著此處的油膜厚度最易變化。
　　在第二種結構中，用16毫米反射式攝像機記錄條紋圖。在實際記錄前，要先試拍一下，調好攝像機的焦距，在攝像機的觀察尾鏡中找到最終的干涉條紋圖形。同時，試拍中要進行計時，以確定正確的開拍時刻。一卷500英尺的膠片可以使用5次。
　　為了產生對比度很高的干涉條紋圖，需采用鍍TIO2的沖頭，這樣，就能產生多束干涉條紋、工件潤滑劑是TeXaC。石油公司提煉的“Thuban250”，該潤滑劑在25℃的環(huán)境中，約有7436厘泊的粘度，在He一Ne激光下的折射率為1.5。在各種距離下，薄板相對于沖頭的平均加載速度為0.012英寸/秒。

　　視頻技術揭示了潤滑延伸成型過程的一些有趣的現象。如潤滑劑朝接合中心區(qū)的抽吸使邊緣區(qū)的油膜變薄，結果，板表面粗糙度便明顯可見。這充分說明，較厚的潤滑膜是最初形成的。油膜厚度和條紋圖的一致性有很大的依賴關系。當活塞對沖頭逐漸地加壓時，干涉條紋很不規(guī)則，干涉條紋的同心度出現明顯變化，在接合面的中心附近出現了幾個局部的最大和最小值。這樣一來，要用干涉條紋進行精確測量就不可能了。
　　
　　當加載速度增加時，在接合處形成了較厚、較均勻的油膜。這時形成的干涉條紋便可用來進行膜厚測量。
　　為了分析條紋圖，根據薄膜結構，我們拍了15張照片，用以表示圖形的顯著變化。在照片15中(略)我們將第一條寬帶定為0級，將內區(qū)和外區(qū)周圍的暗帶定為1/2級，把每個區(qū)域中與1/2級暗帶相鄰的亮帶定為1級，以此類推。
　　將照片15中的所有干涉條紋都定以等級號碼后，再來看照片14(略)。該照片顯示寬帶從亮到暗的變化。把暗寬帶定為1/2級，并以這個參考帶為根據，定出周圍條紋的級別。用這種　　辦法對15張照片中的圖形都標定級別。照片1、6的圖形(略)顯示了加載過程的初期的階段，油膜厚度使整個波長發(fā)生變化，很難獲得測量信息。另外，這些初期的油膜厚度變化不均勻。正因為如此，初期獲得的油膜厚度數據，可能有幾個波長的誤差。
　　油膜厚度變化與沿沖頭一薄板接口面的位置之間的關系曲線表明，在0.06秒和0.12秒之間，薄膜厚度是拋物面，中心附近出現最小值。在0.12秒和0.22秒之間，在中心附近薄膜厚度停止減少，并沿接合面暫時保持不變。在0.22秒時，中心附近的薄膜厚度發(fā)生明顯的增大，中心附近薄膜繼續(xù)增厚，而在接合面邊緣附近逐漸減薄，直到斷裂出現為止。

　初期干涉圖所指示的很可能是潤滑膜的彈性效應。而鋁材料各向異性的變形，則可能造成初期條紋圖的非均勻。從定性研究來看，0.22秒以后的結果與Wilson一Wang的理論非常一致。