力学冶金课件6

1、 4-1 引言引言 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塑性加工时摩擦的特性 1） 与一般机械传动中摩擦相比 塑性加工机械传动 1 高温、中温、室温 （一次加工）（二次加工） 室温 2 高的工作载荷，约等于材料 屈服应力的几倍几百几千 Mpa 工作载荷一定少于材料的屈服 应力，仅产生很少弹性变形， 几十Mpa 3 接触面积不断更新和扩大摩 擦不断变化 几乎保持不变 2）塑性加工时的摩擦作用）塑性加工时的摩

2、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.

3、 摩擦模型及机理 1）摩擦模型）摩擦模型 库仑摩擦定律库仑摩擦定律 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。 f f 摩擦因子为常数 a. 该模型用 =mk ：摩擦力 m：摩擦因子 k：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

4、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 。 f f max 10 m ss P, min 3 s k 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滑层，表面上的微凸体不能直接 接触，但仍然互相嵌入。 577. 0 3 1 min max max s k p 577. 00 液体摩擦液体摩擦 当交界面上有较厚的润滑层并能使工具与

5、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。 f v f 2) 摩擦机理：摩擦机理： 接触表面的局部粘结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

6、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，对摩擦过程有很大影响。通常其强

7、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影响摩擦的主要因素及测定方法 1) 工具表面不同工具表面不同，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) 变形温度变形温度：轧制时，氧化铁皮生成，使f值增高

8、，当变形温度达 到较高 时，氧化铁皮熔点低，易生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：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

9、，多余功随增加而增加） 6) 载荷的变化载荷的变化 测定方法：针对性很强的应用科学，实验测试很重要，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