金属塑性成形中的摩擦

8.1 金属塑性成形时摩擦的特点 塑性成形中的摩擦与机械零件的摩擦有很大 差别，其特点如下： 差别，其特点如下： 1.塑性成形中的摩擦是伴随着变形金属的塑性流 塑性成形中的摩擦是伴随着变形金属的塑性流 塑性成形中的摩擦是伴随着变形金属的 而产生的，被加工金属沿工、 动而产生的，被加工金属沿工、模具金属表面上 各点的塑流情况各不相同， 各点的塑流情况各不相同，因而在接触表面上各 点的摩擦也不一样。同时， 点的摩擦也不一样。同时，坯料在塑性变形过程 接触表面会不断出现新的金属质点和表面， 中，接触表面会不断出现新的金属质点和表面， 摩擦也将随之变化 变化。 摩擦也将随之变化。 2.塑性变形时作用在接触表面上的单位压力很大， 塑性变形时作用在接触表面上的单位压力很大， 塑性变形时作用在接触表面上的单位压力很大 它是在高压下产生的摩擦，一般达500MPa左右。 左右。 它是在高压下产生的摩擦，一般达 左右 3.塑性成形时的摩擦在很多情况下是在高温下进 塑性成形时的摩擦在很多情况下是在高温 塑性成形时的摩擦在很多情况下是在高温下进 行的，高温会使被加工金属的组织、 行的，高温会使被加工金属的组织、性能发生变 从而给摩擦带来复杂的影响。 化，从而给摩擦带来复杂的影响。
8.3 摩擦系数及其影响因素 一、摩擦系数 金属塑性成形中的摩擦系数， 金属塑性成形中的摩擦系数，通常是指工具与坯料接 触表面上的平均摩擦系数。 触表面上的平均摩擦系数。 根据库仑定律，摩擦系数可表达如下： 根据库仑定律，摩擦系数可表达如下：
T τ µ= = N σN 式中
或
τ = µσ N
τ − − 接触表面上的剪应力（ 摩擦应力） 接触表面上的剪应力（ 摩擦应力） σ N − 接触表面上的正压应力
3.接触面上单位压力的影响 接触面上单位压力的影响 单位压力对摩擦系数的影响和表面摩擦状态有关。 单位压力对摩擦系数的影响和表面摩擦状态有关。 单位压力较小时，表面分子吸附作用不明显， 单位压力较小时，表面分子吸附作用不明显，摩擦系 数可认为是常数。当单位压力增加到一定数值后， 数可认为是常数。当单位压力增加到一定数值后，润滑剂 被挤掉或表面膜破坏， 被挤掉或表面膜破坏，则被加工金属和模具表面间的分子 吸附作用增加，但增加到一定程度后趋于稳定。 吸附作用增加，但增加到一定程度后趋于稳定。 4.塑性成形时温度的影响 塑性成形时温度的影响 温度较低时，金属表面粘附的氧化膜质地较硬， 温度较低时，金属表面粘附的氧化膜质地较硬，则它 与工模具之间的摩擦系数较小，随着温度升高， 与工模具之间的摩擦系数较小，随着温度升高，氧化膜增 金属强度降低，因而摩擦系数增大，升到高温时， 厚，金属强度降低，因而摩擦系数增大，升到高温时，由 于氧化皮变软或脱离金属表面， 于氧化皮变软或脱离金属表面，在金属与工模具之间形成 一隔绝层，起润滑作用，因而又使摩擦系数减小。 一隔绝层，起润滑作用，因而又使摩擦系数减小。
第八章 金属塑性成形中的摩擦
8.1 金属塑性成形时摩擦的特点 8.2 塑性成形中摩擦的分类及机理 8.3 摩擦系数及其影响因素
在塑性成形中，被加工金属与工、 在塑性成形中，被加工金属与工、模具之间 都有相对运动或有相对运动的趋势， 都有相对运动或有相对运动的趋势，因而在接触 表面间便产生阻止切向运动的阻力， 表面间便产生阻止切向运动的阻力，即（外）摩 擦。 外摩擦的存在会使塑性加工所需的力、 外摩擦的存在会使塑性加工所需的力、能增 使工、模具表面发生粘结、擦伤等现象， 加；使工、模具表面发生粘结、擦伤等现象，这 些都会影响产品的质量，又降低工、 些都会影响产品的质量，又降低工、模具的使用 寿命。 寿命。 在某些场合，摩擦也起着有益的作用。例如， 在某些场合，摩擦也起着有益的作用。例如， 薄板拉深时， 薄板拉深时，增加凸缘处的摩擦阻力可避免工件 起皱。 起皱。
二、影响摩擦系数的因素 1.金属化学成分的影响 金属化学成分的影响 外摩擦系数随着不同的金属、不同的化学成分而异。 外摩擦系数随着不同的金属、不同的化学成分而异。 一般钢中的碳含量增加时，摩擦系数会减小； 一般钢中的碳含量增加时，摩擦系数会减小； 钢中的合金元素的种类、数量也影响摩擦系数， 钢中的合金元素的种类、数量也影响摩擦系数，一般 来说，随着合金元素的增加，摩擦系数下降。 来说，随着合金元素的增加，摩擦系数下降。 金属材料越硬，摩擦系数越小；反之， 金属材料越硬，摩擦系数越小；反之，软材料的摩擦 系数则较大。 系数则较大。 2.工具表面粗糙度的影响 工具表面粗糙度的影响 塑性成形中， 塑性成形中，工具表面的粗糙度在决定摩擦系数方面是 起主要作用的。 起主要作用的。 随着工具表面光洁度的提高，表面凹凸不平度的减小， 随着工具表面光洁度的提高，表面凹凸不平度的减小， 摩擦系数也将减小，但是如果两个接触面光洁度都非常高， 摩擦系数也将减小，但是如果两个接触面光洁度都非常高， 由于分子吸附力增加，则将使摩擦系数增大， 由于分子吸附力增加，则将使摩擦系数增大，但这种现象 在塑性成形过程中比较少见。 在塑性成形过程中比较少见。
三、边界摩擦 1.边界摩擦：介于干摩擦与流体摩擦之间的摩擦 边界摩擦： 边界摩擦 状态。 状态。 2.机理 机理 当坯料与工、模具间存在润滑物质时， 当坯料与工、模具间存在润滑物质时，随着 接触表面上压力的增加，坯料表面的部分“凸峰” 接触表面上压力的增加，坯料表面的部分“凸峰” 被压平，润滑剂或形成一层薄膜残留在接触面间， 被压平，润滑剂或形成一层薄膜残留在接触面间， 或被挤入附近“凹谷” 或被挤入附近“凹谷”，这时在挤去润滑剂的部 分出现金属间的接触，即发生粘着现象。 分出现金属间的接触，即发生粘着现象。 这时的摩擦力就是剪断表面粘着部分的剪切 抗力与边界膜分子间抗剪力之和。 抗力与边界膜分子间抗剪力之和。 在生产中，这三种摩擦状态不是截然分开的， 在生产中，这三种摩擦状态不是截然分开的，常 常会出现混摩擦状态。 常会出现混摩擦状态。
5.变形速度的影响 变形速度的影响 随着变形速度的增加，摩擦系数下降。 随着变形速度的增加，摩擦系数下降。 变形速度增加后引起摩擦系数下降的原因， 变形速度增加后引起摩擦系数下降的原因，在不 同摩擦条件下是不同的。在干摩擦时， 同摩擦条件下是不同的。在干摩擦时，变形速度 增加，表面凸凹不平部分来不及相互咬合， 增加，表面凸凹不平部分来不及相互咬合，表现 出摩擦系数的下降。在边界润滑条件下， 出摩擦系数的下降。在边界润滑条件下，由于随 变形速度增加，油膜厚度增大， 变形速度增加，油膜厚度增大，导致摩擦系数下 降。
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2）分子吸附理论：两个非常光滑的接触面间发生干 ）分子吸附理论： 摩擦时，其摩擦力显著增大， 摩擦时，其摩擦力显著增大，这种摩擦力的增加 来源于两接触表面上的分子吸引力。 来源于两接触表面上的分子吸引力。这就解释了 光滑接触表面间摩擦力和接触面积成正比的原因。 光滑接触表面间摩擦力和接触面积成正比的原因。 3）粘着理论：当两表面接触时，在某些接触点上的 ）粘着理论：当两表面接触时， 单位压力很大，以致这些点将发生粘着或焊合， 单位压力很大，以致这些点将发生粘着或焊合， 当一表面相对另一表面滑动时， 当一表面相对另一表面滑动时，粘着点即被剪断 而产生滑移，摩擦过程就是粘着、 而产生滑移，摩擦过程就是粘着、剪断与滑移交 替进行的过程， 替进行的过程，摩擦力就是剪断金属粘着所需要 的剪切力。 的剪切力。 由此可见，干摩擦过程中产生摩擦力的主要原因是： 由此可见，干摩擦过程中产生摩擦力的主要原因是： 机械的相互啮合；分子间的吸引；微凸体的粘着。 机械的相互啮合；分子间的吸引；微凸体的粘着。
8.2 塑性成形中摩擦的分类及机理
关于摩擦的分类，可结合塑性成形实际， 关于摩擦的分类，可结合塑性成形实际，通常分 为干摩擦、流体摩擦和边界摩擦。 为干摩擦、流体摩擦和边界摩擦。 一、干摩擦 1.干摩擦：被加工金属与工、模具表面之间没有任何 干摩擦： 干摩擦 被加工金属与工、 润滑剂存在的摩擦。 润滑剂存在的摩擦。 2.机理 机理 1）凹凸理论：金属表面总是凹凸不平的，因此要使 ）凹凸理论：金属表面总是凹凸不平的， 接触面间相互嵌合的微凸体发生相对运动， 接触面间相互嵌合的微凸体发生相对运动，就必须 给以一定的能量，这就是所需克服的摩擦力。 给以一定的能量，这就是所需克服的摩擦力。
工具表面各个方向上的光洁度不同时， 工具表面各个方向上的光洁度不同时，各个方向 的摩擦系数也是不相同。实验证明， 的摩擦系数也是不相同。实验证明，顺着加工方 向的摩擦系数比垂直于加工方向的摩擦系数约小 20%。 。 塑性成形中， 塑性成形中，工具表面的光洁度在决定摩擦系数 方面是其主要作用的。 方面是其主要作用的。但被加工坯料表面粗糙也 会引起摩擦系数的增加， 会引起摩擦系数的增加，因此要求坯料表面应该 是足够平整和光滑。 是足够平整和光滑。
二、流体摩擦 1.流体摩擦：被加工金属与工模具之间被润滑油 流体摩擦： 流体摩擦 膜所隔开时的摩擦。 膜所隔开时的摩擦。 2.机理 机理 润滑油膜将两摩擦面完全隔开， 润滑油膜将两摩擦面完全隔开，使得两摩擦面在 相互运动中不产生直接接触， 相互运动中不产生直接接触，摩擦发生在流体内 部分子之间。摩擦力的大小取决于流体的粘度、 部分子之间。摩擦力的大小取决于流体的粘度、 速度梯度等因素，因而流体摩擦的摩擦系数很小。 速度梯度等因素，因而流体摩擦的摩擦系数很小。