第四章金属塑性成形中的摩擦和润滑2013

1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2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。•摩擦学知识与吃、穿、住、行密不可分。3车辆行驶依靠摩擦4如果没有摩擦世界将会怎样?5摩擦学的历史•利用摩擦热取火，使人类告别了吃生食物的习惯。Eskimo,HudsonBay,1748比如：旧石器时代钻木取火6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.7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。8损失在摩擦界面上的资源界面•活塞环/汽缸•轮胎/路面•刀具/工件•钻头/油井•磁头/磁介质•人体/座位损失量亿美元/年•200•100•100•100•100•200根据1986统计9•工程实例：活塞环与气缸套之间摩擦10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。11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12•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13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•流体力学•14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15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的阻力称为摩擦。镦粗时的摩擦摩擦力方向金属流动方向16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17伴随有变形金属的塑性流动接触面上的单位压强高由于变形不均匀，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。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20-40N/mm2。18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。19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。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。由此可知，在塑性成形过程中的摩擦与润滑问题比一般机械传动中的摩擦要复杂很多。20二、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。21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22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。图开式模锻的金属流动23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。最小周边法则24图最小周边法则因此，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。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。25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。镦粗26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。27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。拔长28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（la）时，坯料宽度增加的多。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（la）时，坯料轴向伸长得多。29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。金属塑性成形原理第四章金属塑性成形中的摩擦30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。31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。32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。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。33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。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。金属塑性成形原理第四章金属塑性成形中的摩擦材料2010-第8周3,4，2013，5.534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，此时单位流动压力为sp3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s31sp13∴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%。352）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36镦粗（..\第一章绪论\锻压连接源文件\duncu.exe整体或局部）37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Ⅰ难变形区Ⅲ小变形区Ⅱ易变形区在此情况下，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。38当工件的高径比h/d2.5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。金属塑性成形原理第四章金属塑性成形中的摩擦中间处变形小两端产生变形大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。39当工件的高径比h/d3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/d0.5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。40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。41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。3）附加应力42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。伸长受阻，压应力产生附加应力的原因若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。4343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。伸长受阻，压应力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。44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定律。45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。残余应力残余应力是弹性应力，不超过材料的屈服应力。46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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。残余应力对塑性成形不良后果47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。48假设某圆柱体，心部受拉应力，力图缩短，表面受压，力图伸长。该圆柱体存在残余应力，但未变形。某圆柱体切削后的变形。切削前问题讨论产生畸变（变形）4950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，其残余应力大为缩小。减小或消除残余应力的方法515253544）摩擦会影响工件表面质量，加速工具、模具磨损，降低模具使用寿命。塑性成形时接触间的相对滑动加速工具磨损；因摩擦热增加工具磨损；变形与应力的不均匀亦会加速工具磨损；会产生金属粘结工具的现象，不仅缩短了工具寿命，且降低工件表面质量。金属塑性成形原理第四章金属塑性成形中的摩擦55摩擦对塑性成形的有利方面：利用摩擦，拉深可抑制起皱。开式模锻可利用飞边桥部的摩擦力保证金属充满模腔。轧制板材时，轧辊与坯料之间要有足够的摩擦力才能使坯料咬入。56利用摩擦，拉深可抑制起皱。57开式模锻可利用飞边桥部的摩擦力保证金属充满模腔