第四章金属塑性成形中的摩擦和润滑2013

拔长
27
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。
28
金 属 塑 性 成 形 原 理 第 四 章 金 属 塑 性 成 形 中 的 摩 擦
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。
32
金 属 塑 性 成 形 原 理 第 四 章 金 属 塑 性 成 形 中 的 摩 擦
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。
• 流体力学
•
13
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
14
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
定律。
44
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。
45
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
25
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。
26
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。
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。
20
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
21
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。
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
35
镦粗（..\第一章 绪论\锻压连接源文件\duncu.exe整体或局部）
36
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
22
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。
23
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。
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。
的阻力称为摩擦。
金属流动方向 摩擦力方向
镦粗时的摩擦
15
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
16
伴随有变 形金属的 塑性流动
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。
48
49
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。
• 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.
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。
30
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。
31
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。
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。
Ⅰ难变形区
Ⅲ小变形区
Ⅱ易变形区
37
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
6
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。
7
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
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。
29
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。
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
33
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，
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。
缩短制品的寿命