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1、金属塑性加工原理,山东建筑大学 材料科学与工程学院 2010.5,第四章 金属塑性成形中的摩擦,了解金属塑性加工时的摩擦的特点及作用， 了解塑性加工中摩擦的分类及机理， 掌握摩擦系数及其影响因素， 掌握测定摩擦系数的方法 了解主要的润滑剂特点及分类 掌握塑性加工工艺中的常见润滑手段。,本章知识点：,相对运动或相对运动趋势产生摩擦,在机械传动与金属成形中：,第四章 金属塑性成形中的摩擦,金属成形中的摩擦又可分为内摩擦与外摩擦。,内摩擦：指变形金属内晶界面上或晶内滑移面上产生的摩擦。 外摩擦是指变形金属与工具之间接触面上产生的摩擦。 外摩擦力简称为摩擦力。 单位接触面上的摩擦力称为摩擦切应力，其方
2、向与质点运动方向相反，它阻碍金属质点的流动。,摩擦的危害：,使塑性加工所需的力、能增加 模具磨损加剧，寿命下降，成本增加 使工件表面发生粘结、擦伤等现象，产品质量下降 引起不均匀变形，出现附加应力、残余应力，导致裂纹,模锻时，桥部摩擦阻力有利于充填型腔,轧辊与坯料的摩擦使坯料易于咬入,薄板拉延时，增加凸缘处的摩擦阻力可避免工件起皱,在多数情况下，外摩擦是个不利因素，因此必须在被加工金属与工、模具之间加入润滑物质，以减小摩擦，这就是润滑。,摩擦的益处,一、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,伴随有变形金属的塑性流动 接触面上接触压力高 实际接触面积大 不断有新的摩擦面产
3、生 常在高温下产生摩擦,以上特点决定了塑性成形过程中的摩擦比一般机械传动中的摩擦要复杂得多，润滑要困难的多。,二、摩擦对塑性成形过程的影响,1、改变变形体内应力状态，增大变形抗力,例如单向压缩：,无摩擦：,有摩擦：,2、引起不均匀变形，产生附加应力和残余应力,由于变形体内各部位的不均匀变形受到变形体整体性的限制，各部位不能独立地改变自己的尺寸而不对相邻部分发生影响，因而引起其间相互平衡的内力及相应的应力，这种应力称为附加应力。,附加应力是由变形不均匀所引起的相互平衡的内力，它是成对出现的,二、摩擦对塑性成形过程的影响,引起变形体的应力状态发生变化，使应力分布更不均匀； 使变形体塑性降低，甚至可
4、能造成破坏； 造成变形物体形状的歪扭、形成残余应力等,由于附加应力是由变形不均匀引起，并对塑性成形带来许多不良后果，因此避免附加应力产生的根本途径是要创造均匀变形的条件，例如降低模具的粗糙度和采用适当的润滑措施，以减小接触面的摩擦力等。,附加应力的影响,当卸载后，塑性变形不消失，应变梯度不消失，仍相互牵制，因此引起应力的外因去除后在变形物体内仍保留下来的应力称为残余应力。,残余应力的影响：,使制品的尺寸和形状发生变化；、 缩短制品的寿命； 增大变形抗力； 降低金属的塑性、冲击韧度及抗疲劳强度等。,3、降低模具寿命,残余应力的影响,第二节 塑性成形中摩擦的分类及机理,一、阿蒙顿-库仑定律 (经典
5、摩擦理论1）,1摩擦力的大小与接触面上的法向载荷成正比,2摩擦力的大小与接触面积无关； 3摩擦力的大小与两接触面相对滑动速度无关； 4静摩擦系数大于动摩擦系数。,其局限:,1当摩擦表面非常光滑，两相接触表面分子力的作用增强时,摩擦力就会随接触面积的大小而变化； 2当摩擦面承受很大压力、使实际接触面积按近名义接触面积时,会出现严重的摩擦，摩擦力与摩擦面间的法向载荷不成比例关系； 3. 摩擦面是粘弹性材料时，静摩擦系数不一定大于动摩擦系数。,阿蒙顿-库仑定律,二、塑性成形中摩擦的分类,1、干摩擦,当变形金属与工具之间的接触表面上不存在任何外来的介质，即直接接触时所产生的摩擦称为干摩擦。,实践中的干
6、摩擦是指不加任何润滑剂的摩擦。,2、流体摩擦,当变形金属与工具表面之间的润滑剂层较厚，两表面完全被润滑剂隔开，此时的润滑状态称为流体润滑，这种状态下的摩擦称为流体摩擦。,流体摩擦的摩擦特征与所加润滑刑的性质(粘度)和相对速度梯度有关，而与接触表面的状态无关。,3、边界摩擦,接触表面就处在被单分子膜隔开的状态，这种单分子膜润滑的状态称为边界润滑，这种状态下产生的摩擦称为边界摩擦。,大多数塑性成形中的摩擦属于边界摩擦。 4. 混合摩擦 干摩擦和边界摩擦混合半干摩擦 边界摩擦和流体摩擦混合半流体摩擦,二、塑性成形中摩擦的分类,三、摩擦机理,1、表面凹凸学说,认为摩擦是由于接触面上的凹凸不平引起的，要
7、使凸凹不平的接触面在外力作用下产生相互运动，就必须给以一定的能量，使相互咬合的凸牙部分被折断或产生剪切变形，这就是所需克服的摩擦力。表面越粗糙，摩擦力越大。T与N成正比，与面积无关。又称“凹凸理论”或“机械理论”。,对一般粗糙度表面适用，解释不了特别光滑表面摩擦力大的现象。,2、分子吸附学说,认为摩擦产生的原因是由于接触表面上分子相互吸引的结果。表面越光滑，距离越小，吸引力越大，摩擦力越大，摩擦力与接触面积成正比。又称“分子吸附理论”或“分子理论”。,摩擦力的增加来源于两接触表面上的分子吸引力,3、粘着理论,此种理论认为，当两表面接触时，在某些接触点上的单位压力很大，以致这些点将发生粘着或焊合
8、，当两表面发生相对运动时，粘着点即被剪断而产生相对滑动。T与N不成正比。又称“粘着学说”。,摩擦力是剪断金属粘着点所需要的剪切力。,第三节 描述接触面上摩擦力的数学表达式,一、库仑摩擦条件,不考虑接触面上的粘着现象，认为摩擦符合库仑定律：,T 摩擦力 Pn接触面上的正压力 摩擦切应力 n接触面上的正压应力 外摩擦系数（摩擦系数） 由实验确定。,应用库仑摩擦条件时，除了要知道摩擦系数外，还应知道接触面上的正压应力分布。,注意： 不能无限制的随n的增大而增大，当= max=K时，金属将产生塑性流动，此时n=Y。,因为：,所以的极值：,库仑摩擦条件适合正压力不大，变形量较小的冷成形工序。,用适当的数
9、学表达式定量表示摩擦力即为摩擦条件。,二、常摩擦力条件（一种假设）,认为：接触面上的摩擦切应力与被加工金属的剪切屈服强度K成正比,即： =mK,m摩擦因子，0m1,当m=1时，即= max=K最大摩擦力条件。,在热塑性成形时，常采用最大摩擦力条件，在用上限元法或有限元法分析时，一般采用常摩擦力条件。,第四节 影响摩擦系数的主要因素,一、金属的化学成分,粘着性强的金属摩擦系数大，如铅、铝、锌等； 硬度、强度高的金属摩擦系数小； 对黑色金属而言，含碳量高、合金元素含量高，摩擦系数小。,塑性成形中的摩擦系数通常是指接触面上的平均摩擦系数。,二、工具表面状态,工具表面越光滑，摩擦系数越小，但太光滑摩擦
10、系数变大（吸附作用）金属成形中一般不会出现； 工具表面粗糙度在各方向不同时，摩擦系数也不相同。顺加工方向摩擦系数比垂直加工方向低20%； 坯料粗糙也会使摩擦系数增加。,三、接触面上的单位压力,单位压力小，吸附作用不明显，摩擦系数为常数，与压力无关； 单位压力大，表面氧化膜被破坏，润滑剂被挤掉，真实接触面积增大，吸附作用增强，摩擦系数大。,四、变形温度,变形温度的影响十分复杂 温度较低，金属强度、硬度大，氧化膜薄，质地较硬，摩擦系数小； 温度升高，强度、硬度降低，氧化膜增厚，吸附作用增强，润滑剂性能变差，摩擦系数增大； 高温下，氧化膜变软或脱离金属基体，在金属与工、模具之间形成一隔绝层，起润滑作
11、用，摩擦系数下降。,热轧时温度对碳钢摩擦系数的影响,五、变形速度,变形速度增加，摩擦系数下降,干摩擦速度大，凹凸部分来不及啮合，摩擦系数小； 速度大，热效应明显，接触面上形成“热点”，金属变软；,原因：,边界摩擦速度大，润滑油膜增厚，摩擦系数小。,纯铝轧制时轧制速度对摩擦系数的影响,金属塑性加工原理,山东建筑大学 材料科学与工程学院 2010.5,圆环镦粗法测定摩擦系数,摩擦系数很小或无摩擦时：则圆环上每一质点均沿径向作辐射状向外流动，变形后内外径均扩大；,由于接触面上的摩擦系数不同，圆环的内外径在压缩过程中将有着不同的变化。,摩擦系数增加到某一临界值之后，靠近内径的金属质点向外流动的阻力大于
12、向内流动的阻力，出现分流面(半径Rn）,内径变小。分流面半径 Rn 随摩擦系数的增大而增大。,第五节 测定外摩擦系数的方法,将 40 2010 的圆环试样在平砧间以不同的摩擦条件压缩，观察内外径的变化。,圆环镦粗法测定摩擦系数,m=0,m=0.15,m=0.3,圆环镦粗法测定摩擦系数,第六节 塑性成形中的润滑,一、对润滑剂的要求,良好的耐压性能：高压下润滑膜仍能吸附在接触面上； 良好的耐热性：高温下不分解失效； 有冷却作用：防止模具过热； 对工模具和金属坯料无腐蚀作用； 无毒，无有害气体，不污染环境； 使用、清理方便，来源丰富、价格便宜。,二、常用润滑剂,1. 液体润滑剂,这是用量最大、品种最
13、多的一类润滑材料，包括矿物油、合成油、动植物油和乳液等。,液体润滑剂有较宽的粘度范围，对不同的负荷、速度和温度条件下工作的运动部件提供了较宽的选择余地。,可提供低的、稳定的摩擦系数，能有效地从摩擦表面带走热量，保证相对运动部件的尺寸稳定和设备精度,多数是价格便宜,常把机油作配置润滑油的基油，再加入各种添加剂以制成所需的润滑油,矿物油：主要是机油,优点：化学稳定性好，不与金属起化学作用，价格便宜，来源充足 缺点：形成稳定润滑膜的张力较差，摩擦系数大，着火点低,优点：含有脂肪酸，与金属能起化学作用，在金属表面生成脂肪酸的润滑膜，附着力强，润滑性能好 缺点：化学性能不稳定，氧化安定性和热稳定性较差，
14、低温性能也不够好，因而长期贮存易变质,动植物油：猪油、牛油、鲸油、蓖麻油、棕榈油等,1. 液体润滑剂,合成油：磷酸酯（低温润滑剂）、硅酸盐酯（高温润滑剂）、氟化物（耐氧化润滑剂）,优点：除具有润滑作用外，还对模具有较强的冷却作用。,乳液：由矿油、乳化剂、石蜡、肥皂和水所组成的水包油或油包水的乳状稳定混合物。,塑性加工时，一般是根据加工条件选用不同粘度的润滑剂。板料厚、变形程度大、加工速度低时，用粘度较大的润滑油；当材料薄、加工速度快时，可选用粘度较小的稀油。,可以制成具有不同粘度的均相流体，多使用在条件比较苛刻的工况下，首先用于军用，逐渐向民用推广。,1. 液体润滑剂,2. 固体润滑剂,固体润
15、滑剂适用于高温、大载荷以及不宜采用液体润滑剂和润滑脂的场合，如宇航设备及卫生要求较高的机械设备中。,固体润滑剂有无机化合物（石墨、二硫化钼、硼砂等）与有机化合物（金属皂、动物脂等）,使用时常将润滑剂粉末与胶粘剂混合起来应用，也可与金属或塑料等混合后制成自润滑复合材料使用。,石墨：,=0.050.19,具有六方晶系的层状结构，同层原子间的结合力比层与层间的结合力大，因而层与层之间容易滑移。,当金属坯料与工、模具间涂有石墨的两接触面发生摩擦时，事实上是石墨层与层之间的内摩擦，起到润滑作用。,石墨具有良好的导热性和热稳定性，滑动速度对它的摩擦特性影响很小，石墨的摩擦系数随着压力的增大而增大。,石墨吸
16、附气体后，摩擦系数减小,二硫化钼：具有六方晶系的层状结构，层与层之间容易滑移，=0.120.15,2. 固体润滑剂,玻璃：用于热挤钢材和高温合金,无明显熔点，随温度升高逐渐软化，包在坯料表面起润滑作用 随温度升高，粘度变小，可根据加工温度和所需的粘度选用不同成分玻璃 使用温度4502200 成分稳定，不起化学作用 =0.040.06,加工后不易清理,皂类（硬脂酸锌、硬脂酸钠、一般肥皂）：适合冷挤压铝及合金,盐类（硼砂、氧化钠、碳酸钾、磷酸盐等）,塑料类（聚四氟乙烯等）,2. 固体润滑剂,三、润滑油中的添加剂,为了提高润滑油的润滑、耐磨、防腐等性能，常在润滑油中加入少量的活性物质，这种活性物质总称为添加剂。,四、塑性成形时的润滑方法,特种流体润滑法,特种流体润滑法常用于线材拉拔，在模具入口处加一个套管，套管与坯料之间的间隙很小，并充满润滑液体。当坯料从套管中高速通过时，如模具的锥角合适且表面光洁，坯料就可把润滑剂带入模具内，金属坯料与模具之间就可得到流体润滑膜。
