第四章金属塑性成形中的摩擦和润滑2013

的阻力称为摩擦。
金属流动方向 摩擦力方向
镦粗时的摩擦
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第一节 金属塑性成形中摩擦的特点和影响
一、金属塑性成形中摩擦的特点
1、伴随有变形金属的塑性流动，接触面上各点的摩 擦不同
2、接触面上的单位压强高
3、实际接触面积大
4、不断有新的摩擦产生
5、常在高温下产生摩擦，摩擦条件复杂
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伴随有变 形金属的 塑性流动
如果接触面上的摩擦系 数很小或无摩擦时，根据 体积不变条件，圆环内外 径都增加达到最大值。
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金 属 塑 性 成 形 原 理 第 四 章 金 属 塑 性 成 形 中 的 摩 擦
Leabharlann Baidu
当μ增加，并超过某一定值，靠近内径处的金属质 点向外流动的阻力大于向内流动的阻力，从而改变了 流动方向。内径开始减少，而外径扩大。
粗圆柱体时出现鼓形 , 由于接触面上摩擦力阻碍金属流动
，因而靠近工具表面处金属变形困难。远离接触面处受 摩擦影响小，变形容易，因而形成了鼓形。
Ⅰ难变形区
Ⅲ小变形区
Ⅱ易变形区
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镦粗（..\第一章 绪论\锻压连接源文件\duncu.exe整体或局部）
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在此情况下，可将变形金属整个体积大致分为三个区： Ⅰ区表示由外摩擦影响而产生的难变形区。是工具的上 下砧面接触的区域。 Ⅱ区表示与作用力成45º 角的最有利方位的易变形区 Ⅲ区表示变形程度居中的自由变形区
由此可知，在塑性成形过程中的摩擦与润滑问题比一 19 般机械传动中的摩擦要复杂很多。
二、摩擦对塑性成形过程的影响
首先介绍与摩擦有关的定律“最小阻力定律”
分析塑性成形时质点的流动规律，可以应用最 小阻力定律，前苏联学者古布金 1947 年将其描述 为： 最小阻力定律：当变形体的质点有可能沿不 同方向移动时，则物体各质点将向着阻力最小的 方向移动。即做最小的功，走最短的路。
当工件的高径比 h/d>3时，镦粗时容易失稳而弯曲 ，如果不及时矫正而继续镦粗，将会出现折叠现 象。 当工件的高径比 h/d<0.5 时，镦粗不均匀程度有所 改善，这时用于相对高度较小，上下难变形区已 部分重叠，坯料不存在大变形区，因此变形程度 较小。
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不均匀变形实质上是由金属质点的不均 匀流动引起的。 因此，凡是影响金属塑性流动的因素， 都会对不均匀变形产生影响。
Ⅰ难变形区
Ⅲ小变形区
Ⅱ易变形区
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金 属 塑 性 成 形 原 理 第 四 章 金 属 塑 性 成 形 中 的 摩 擦
圆柱体镦粗时的不均匀变形除了与接触摩擦有关外， 还与变形区的几何形状因素有关。
中间处变形小
两端产生变形 大
当工件的高径比 h/d>2.5 时，往往首先在与工具 接触的两端产生变形， 而中间处的变形很小， 结果形成双鼓形现象 ( 如 图 c) 。 如 果 每 次 继 续 使 用小变形量，表面变形 的积累将会形成折叠。 38
最小阻力定律的作用 金属塑性变形过程应满足体积不变条件。即坯 料在某些方向被压缩的同时，在另一方向将有 伸长，而变形区域内金属质点是沿最小阻力方 向流动。 根据体积不变条件和最小阻力定律，可以大体 确定塑性成形时的金属流动规律。
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摩擦对金属塑性变形和流动的影响
在工具和变形金属之间的接触面上必然存在摩擦 ，由于摩擦的作用，局部改变金属质点的流动方 向。
此时单位流动压力为
p 3 s
若接触面上有摩擦存在时，则变形金属内应力状态为三向应力状态
1 3 s
∴
p 3 1 s
因而摩擦力使变形抗力增大，增大 能量消耗。一般情况下，摩擦的加 大可使负荷增加30%。
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2）引起不均匀变形，附加应力和残余应力 不均匀变形：不均匀变形的最典型的例子是在平砧下镦
拔长
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要求较高的拔长生产效率时，坯料 的送料要小，这时轴向延伸较大。即 当送进量l小于坯料宽度a（l < a） 时，坯料轴向伸长得多。
不要求长度方向有较大的伸长时， 坯料的送料要大，这时轴向延伸较小 。即当送进量l大于坯料宽度a（l > a ）时，坯料宽度增加的多。
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金 属 塑 性 成 形 原 理 第 四 章 金 属 塑 性 成 形 中 的 摩 擦
这样流动的结果，梯形区域 流出的金属多于三角形区域 的。镦粗后，矩形断面将变 成双点划线所示的多边形。
图
24 最小周边法则
可以想象，继续，断面的周边将趋于椭圆 ，而椭圆将进一步变成圆。此后，各质点将 沿着半径方向流动。
由于相同面积的任何形状，圆形的周边最小 。
因而最小阻力定律在镦粗中也称最小周边法则。
• 摩擦学知识与吃、穿、住、行密不可分。
2
车辆行驶依靠摩擦
3
如果没有摩擦
世界将会怎样?
4
摩擦学的历史
比如：旧石器时代 钻木取火
• 利用摩擦热取火，使人类告别了吃生食物的习惯。
Eskimo, Hudson Bay, 1748
5
摩擦学的历史
• 车轮的发明使人类商业社会得以迅速发展。
伊拉克， 2800B.C.
第四章 金属塑性成形中的 摩擦和润滑
摩擦学的历史 金属塑性成形中摩擦的定义 塑性成形中摩擦的分类和机理 金属塑性成形用的润滑剂 摩擦系数及其影响因素
1
摩擦学的历史
• 说起摩擦，大家一定不陌生，因为摩擦是我们生 活中司空见惯的现象，我们每时每刻都在和摩擦
打交道。我们走路、吃饭、洗衣服依靠摩擦；各
种车辆行驶依靠摩擦，机器运转离不开摩擦。
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最小阻力定律实际上是 力学的 普遍原 理 ，它 可以 定 性地用 来分析 金属质 点的流 动方向 。或者 通过调 整某个 方 向 的 流 动 阻力，来改变金 属在某些方向的流动量，使得 成形更为合理。
图 开式模锻的金属流动
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例如，在开式模锻中（如图），增加金属流向飞 边的阻力，以保证金属充填模腔；或者修磨圆角r 减少金属流向A腔的阻力，使金属充填得更好。
由于变形不均匀，造成坯料在模具表面上的 各个质点流动不相同，有的快，有的慢，有 的粘着不动，因此各点的摩擦情况也不相同。 机械传动摩擦特点是摩擦产生在机械零件之 间的弹性形变，因此它的表面摩擦是比较均 匀的。
接触面上 的单位压 强高
一般来说，塑性变形的摩擦是在高压下产生 的。承受的压力一般在500N/mm2 左右，在冷 挤压时达到 2500N/mm2 。相比之下，重载荷 下的轴承工作压力也就是在20-40 N/mm2。
• 流体力学
•
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摩擦学研究的主要内容
• 摩擦：摩擦理论与起因 • 磨损：磨损理论与减磨措施 • 润滑：
① 润滑理论 ② 润滑剂极其添加剂 ③ 固体润滑材料
• 摩擦学测试技术：摩擦系数及表面分析 等
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金属塑性成形中摩擦的定义 在塑性成形中，被加工金属与模具之间存在相对运动
或有相对运动的趋势，在接触表面间产生阻止切向运动
损失量 • • • • • •
亿美元/年 200 100 100 100 100 200
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• 工程实例：活塞环与气缸套之间摩擦
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摩擦磨损产生的难题
• 在现代汽车中，20％的功率要用来克服摩 擦； • 飞机上的活塞式发动机因摩擦损耗的功率 要占10％，就是最先进的涡轮喷气发动机 也要为克服摩擦损耗2％的功率。 • 据报道，英国在材料磨损上损失每年要超 过20亿美元。 • 航空和航天器过度发热，这更是现代科技 遇到的又一难题。
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实际接触 面积大
在塑性成形过程中，由于发生塑性变形，接 触面上凸起部分被压平，实际接触面积接近 名义接触面积，使摩擦力增大。
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不断有新 的摩擦产 生
在塑性成形过程中，原来非接触面在变 形过程中会成为新的接触面，使摩擦力 增大。
常在高温 下产生摩 擦
很多情况下，塑性变形是在高温下进行， 它会使金属的组织性能发生变化。加之， 温度分不均匀。一般来说，表面温度低， 内部温度高。因此，给摩擦带来了复杂的 影响。另外还要考虑氧化皮等因素的影响。
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摩擦学的定义
• 摩擦学是研究作相对运动的相互作用 表面及其有关的理论和实践的一门科 学技术。
机床导轨
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• 定义中二个主要的部分：
1. 相对运动 2. 相互作用表面
机床导轨
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摩擦学涉及的学科
• 摩擦学是一门交叉、边缘学科
– 摩擦学主要涉及学科：
• 物理学
• 化学 • 机械工程 • 材料学 • 力学
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又比如： 地质摩擦学
研究岩石摩擦力和地震破坏力之间 的关系（意大利、美国） 针对大地震的滑移特性，在室内模 拟岩石的摩擦学特性。发现滑移速度超 过1mm/s时，摩擦力意外地逐渐下降，阐 明了大地震时主要断层出现低强度的现 象。
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损失在摩擦界面上的资源
根据 1986统计
• • • • • •
界面 活塞环/汽缸 轮胎/路面 刀具/工件 钻头/油井 磁头/磁介质 人体/座位
伸长受阻， 压应力
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由于金属的整体性迫使伸长相等，因此中间部 分将给边缘部分施以拉力使其增加伸长，而边缘 部分将给中间部分施以压力使其减少伸长。
因此产生相互平衡 的内力，在中间部 分是附加压应力， 在边缘部分是附加 拉应力。
伸长受 阻，压 应力 43
物体的塑性变形总是不均匀的，因此可以认为，
任何塑性变形的物体中在变形过程中均有自相平 衡的附加应力，这就是金属塑性变形的附加压力
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3）附加应力 附加应力: 由于物体内各部分的不均匀变形要受到物体整 体性的限制，因而在各部分之间会产生相互平衡的应力，
该应力叫做附加应力，或称副应力。
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产生附加应力的原因 如图为在凸形轧制矩形坯，坯料边缘部分a的变形 程度小，而中间部分b的变形程度大。
若a、b部分不是同 一个整体时，则中 间部分将比边缘部 分发生更大的纵向 伸长，图中双点划 线所示。
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图
开式模锻的金属流动
当接触表面存在摩擦时，矩形断面的棱柱体镦 粗时的流动模型如图所示。 因为接触面上质点向周边流动的阻力与质点
离周边的距离成正比，因此离周边的距离愈近，
阻力愈小，金属质点必然沿这个方向流动。这个 方向恰好是周边的最短法线方向。
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最小周边法则
因此，可用点划线将矩形分成两个三角形和两个 梯形，形成了四个流动区域。点划线是流动的分 界线，线上各点至边界的距离相等，各个区域内 的质点到各自边界的法线距离最短。
该圆柱体存在 残余应力，但 未变形。
切削前
某圆柱体切削后的变形。
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减小或消除残余应力的方法
残余应力是附加应力的变化而来，其根本原因就是物体产 生了不均匀的变形。 减小材料在加工和处理过程中所产生的不均匀变形。 对加工件进行热处理。 去应力退火 人工时效 自然时效 进行机械处理。 使工件再产生一些表面变形，使残余应力得到一定的 释放和松弛。 如木锤敲打表面或喷丸加工。 表面层中具有残余拉应力的板材，经表面辗压后，其残 50 余应力大为缩小。
缩短制品的寿命
当残余应力和制品实际应力叠加，超过该零件的 许用应力时，零件将产生塑性变形或破坏。 降低金属的塑性、冲击韧性及抗疲劳强度。
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残余应力会降低金属的耐蚀性 例如：将冲压的黄铜制品置于潮湿的 气氛中，易产生裂纹，这种现象称为黄 铜的季裂。
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问题讨论
产生畸变 （变形）
假设某圆柱体，心部受 拉应力，力图缩短，表 面受压，力图伸长。
在圆环中就会出现一个以 Rn为半径的分流面。
分流面以外的金属向外 流动； 分流面以内的金属向内 流动。
材料2010-第8周3,4，2013，5.5
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摩擦对塑性成形的不利方面：
1）改变变形体内应力状态，增大变形抗力和能源消耗 例如单向压缩时，若工具与变形金属接触面上无摩擦存在，则变形 内应力状态为单向压应力状态。设单向压应力为σ3，
定律。
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残余应力
当卸载后，塑性变形不消失，应变梯度不消失，仍相互牵 制，因此引起内力的外因去除后在变形物体内仍然保留下 来的应力称为残余应力。
残余应力是弹性应力， 不超过材料的屈服应力。
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残余应力对塑性成形不良后果
使制品的尺寸和形状发生变化 当制品内残余应力的平衡受到破坏后，相应部分 的弹性变形部分也发生了变化，从而引起制品某 部分尺寸和形状的改变， 增大变形抗力
镦粗
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对于其他任意断面金属质 点的流动也符合上述定律。 方料在平锤间压缩时如
图所示。随着镦粗的进行，
方料逐渐变为圆截面。
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在拔长工序中应用上述变形模式，可以提高拔长 的生产效率。拔长实质上就是沿坯料的逐次镦粗，镦粗
过程中再伴随着翻转90º ，使坯料断面积逐渐减小，长度 逐渐增加的工序。如图所示。
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矩形断面的棱柱体在平板间镦粗时，若接触 面无摩擦力，则质点必然沿断面中心向四周辐射 方向流动，变形后仍然为矩形断面。当接触面有 摩擦时，用于摩擦的作用，使各个方向的阻力不 同，断面不再保持矩形，最终趋于圆形。
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圆环镦粗时，改变金属质点的流动方向。
环形件镦粗时，由于摩擦的作用，从而改变金属 质点的流动方向。