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1、4-1 引言 边界条件影响到: 1)变形区的变形力学方程 2)产品的几何形状和性能 边界条件受下列因素的影响: 1)坯料的几何学和性能 2)主设备传给工具的速度,4. (摩擦)边界条件,4.2 接触边界条件,4.2.1. 塑性加工时摩擦的特性 1) 与一般机械传动中摩擦相比,2)塑性加工时的摩擦作用,摩擦在加工过程中是不可避免的。它可以有助于变形,而且有时甚至是很必要 的,但是它更经常地是一种组碍。摩擦过大可能造成工具畸变以至失去对工件尺 寸的控制,降低表面光洁度,使工具磨损和加重金属流动的不均匀性。 金属与工具的接触面上存在着摩擦,摩擦力的方向只与接触面的切向重合。用单 位接触面积的剪切应力
2、表示,所以,摩擦力也是接触面上的切应力。摩擦特性十 分复杂的,它和材料的性质,交界面处物质的物理和化学特性,变形的温度、速度,加载特性等多种因素有关,根据现有的研究成果,还不可能用一个精确的函数关系定量确定摩擦力的分布规律,通常是用一些简化的模型, 常用的摩擦模型有以下三种:,4.2.2. 摩擦模型及机理,1)摩擦模型 库仑摩擦定律 该定律用 =p, 摩擦力,p为接触面上的正压力,为摩擦系数。公式表明,接触面上任一点的切应力和它的正压力成正比。对于一定的工具和金属材料,在界面和温度不变时,常假定摩擦系数为常数,与速度无关。, 摩擦因子为常数,a. 该模型用 =mk :摩擦力 m:摩擦因子 k:
3、加工材料的剪切屈服应力,这就意味着摩擦力与正压力无关。 对于一定的工具和变形材料,在界面和温度条件不变时,摩擦因子m取 为常数,也与速度无关。 b. 在无摩擦的理想状态下,m=0,为m的极小值。根据材料的屈服准则,材料 经受的最大切应力 =k,因此m的极大值为1,即m值的可能变化范围 为: 。 c. 在塑性变形时,交界面上的最小正压力为 为材料在拉伸时的 屈服应力 s与k的关系为 。,由此可得摩擦系数的极大值: 即: 因此值的变化范围为: 上述两种模型,无论对于干摩擦或边界摩擦情况都适用。 干摩擦时,交界面上无润滑剂,金属和工具的表面上微凸体能直接接触。 在边界摩擦时,交界面上存在一层薄薄的润
4、滑层,表面上的微凸体不能直接 接触,但仍然互相嵌入。, 液体摩擦,当交界面上有较厚的润滑层并能使工具与工件完全分开时,就形成了液体摩 擦,摩擦力就是润滑层之间的内摩擦。 在这种情况下,切应力 和润滑剂的粘度和相对运动的速度V成正比, 同润滑层的厚度成反比。 实际上,金属在塑性加工时接触表面上最常见的不是上述摩擦的单一形式,而 是它们的组合形式混合摩擦,可以是干摩擦和边界摩擦的混合,也可以是 边界摩擦与液体摩擦的混合,或者三种摩擦形式同时存在。,2) 摩擦机理:, 接触表面的局部粘结 在金属加工中,接触表面的压力很高,故表面间接合的很紧密。另外在变形过程中,有内部质点不断地迁移到接触表面上来,这
5、些都使接触表面间的原子吸引力增大,从而使接触表面见产生粘着的趋势增强。 当粘着时,当接触表面产生切向滑移时,必须切断粘着面。, 接触表面的机械咬合,工具不平度压入金属的表层,与金属形成机械咬合,当接触表面产 生滑动时,工具表面的凸起必须得碾平陷进工具凹痕内的金属。显然凸 起越高,压入变形金属内的深度越大,表面沿切向位移所需的力越大。 摩擦力主要是由接触表面的机械咬合引起,所以表面愈粗 ,摩擦力 愈大这一事实得以证明。, 中间物质的剪切,中间物质的存在,在工具和变性金属之间形成一定隔离层,部分地 或全部地屏蔽着纯金属的表面。这些中间物质主要为金属表面上的氧化 皮、工艺润滑剂、水和尘埃等,对摩擦过
6、程有很大影响。通常其强度大大 地低于变形金属。 当接触表面产生润滑时,将在中间物质的隔离层内发生剪切变形。故 在这部分接触表面上,单位摩擦力决定于中间物质的剪切拉力。 上述各机理的作用,决定于具体的摩擦条件。,4.2.3. 影响摩擦的主要因素及测定方法,1) 工具表面不同,摩擦系数可能发生很大变化,初轧:刻痕加大摩擦,以便咬入;冷轧板带:采用良好润滑,良好的表面及减少能耗。 2) 金属表面状态:金属的化学性质,氧化铁皮的性质,工件变形前放置 的时间长短(影响氧化铁皮的厚度),都将影响摩擦系数的大小。 3) 变形温度:轧制时,氧化铁皮生成,使f值增高,当变形温度达到较高 时,氧化铁皮熔点低,易生
7、成粘性体而引起润滑作用。 图(3-40)0.50.8%C钢的摩擦系数与温度关系,4) 变形速度:,随轧制速度的增加,摩擦系数降低。 图(3-41)轧制速度对摩擦系数的影响 原因解释:随速度增加时,润滑油的粘度改变,粘度高时,摩擦系数降低。 速度高时,接触面上的凸凹来不急粘合,使f降低。,5) 变形区的几何特征参数的影响,=1 变形区呈长方形l h 摩擦影响极为重要 随着的增加,摩擦减弱。 达一定值,摩擦的影响也不是重要因素,可忽视。 即在值小时,f较大,摩擦对工作载荷的影响随的增大而减小。 (摩擦功随增加而减小,多余功随增加而增加),6) 载荷的变化,测定方法:针对性很强的应用科学,实验测试很
8、重要,实验 室实验一般有两种类型: 有关润滑剂性能测定实验 如油墨强度,磨损、摩擦特性等,基本摩擦试验,如 四球机等。 摩擦模拟实验用来模拟压力加工过程中,诸如轧制、拉拔 和深拉深的摩擦工况等。 有好多例子:平面拉拔等。 参考:塑性加工摩擦学茹铮、余望等,4.2.4. 润滑剂的选用,目的:降摩擦,减少力、能耗,提高表面质量 1) 能大幅度的降低摩擦系数,润滑效果好。 2) 工具和谨慎表面上在高压、高速下能够有均匀而良好的润滑层,形成 均匀、致密的一层油膜,并有足够的强度,以保证润滑条件。 3) 润滑剂要有一定的化学稳定性,不能腐蚀金属工具的表面,而切不至 于游离、沉淀。 4) 当适当高的燃点,以避免在加工中由于变形导致温升而燃烧。 5) 加工后易于表面清除,同时含灰份要少,否则退火后在金属表面上留 下燃烧痕迹,使表面质量变坏。 6) 具有良好的冷却性能,以便把变形热代走,使变形稳定。 7) 价格便宜,质量好。,4-3 自由边界条件,把裸露的不与任何物体相接触的边界面称为自由边界面,处于自由边界 面上的金属不受任何约束力的作用(大气压力忽略不计),因此,自由边界 面上正应力和切应力都等于零,自由边界条件表示为 带材轧制的直角边和鼓形边自由边界。,