金属压力加工中的干摩擦理论

1、2金属压力加工中的干摩擦理论金属压力加工中的干摩擦理论 本章要求1了解金属压力加工中干摩擦理论了解金属压力加工中干摩擦理论2理解掌握金属压力加工中的摩擦机理理解掌握金属压力加工中的摩擦机理3掌握生产中摩擦的利用掌握生产中摩擦的利用 润滑的效果：润滑的效果：润滑油填充凹谷，减少了表润滑油填充凹谷，减少了表面凸起的穿插深度。面凸起的穿插深度。 表面越粗糙，外压力越大，表面凸起相表面越粗糙，外压力越大，表面凸起相互作用穿插越深，摩擦阻力就越大。互作用穿插越深，摩擦阻力就越大。 由于这一理论完全是从表面的微观几何形由于这一理论完全是从表面的微观几何形状以及这种表面凹凸不平的机械作用出发，状以及这种表面

2、凹凸不平的机械作用出发，故有机械（几何）或变形摩擦理论之称。故有机械（几何）或变形摩擦理论之称。 根据图根据图2-1，假设两表面的凹凸完全处于彼，假设两表面的凹凸完全处于彼此啮合的状态。那么，当上面的此啮合的状态。那么，当上面的B物体相对物体相对下面的下面的A物体运动时，则物体运动时，则B首先要沿着首先要沿着A物物体凸起的斜面，克服体凸起的斜面，克服N力作用而被抬起、越力作用而被抬起、越过过A物体凸起的顶端。此时，相当于物体在物体凸起的顶端。此时，相当于物体在斜面上的摩擦，其开始滑动时的前摩擦系斜面上的摩擦，其开始滑动时的前摩擦系数有数有 静静=tan s 由此看见，摩擦系数的大小只由此看见，

3、摩擦系数的大小只取决于取决于 s，即取决于物体表面的几何形态，而与载荷即取决于物体表面的几何形态，而与载荷及接触面积的大小无关。及接触面积的大小无关。 但是，实际上如图但是，实际上如图2-1所示啮合状态的理想所示啮合状态的理想表面是不存在的，而且库仑自己在整理摩表面是不存在的，而且库仑自己在整理摩擦力与正压力之间关系的试验数据时，也擦力与正压力之间关系的试验数据时，也曾写出一个试验式曾写出一个试验式 F=A+ 1N 式中式中 1-一种摩擦系数；一种摩擦系数； A-一个与正应力的平方根成正比一个与正应力的平方根成正比 的常数。的常数。 因此，作为整体的摩擦系数，其表达式有因此，作为整体的摩擦系数

4、，其表达式有 = 1+NA 由上式不难看出，当正压力很小时，摩擦由上式不难看出，当正压力很小时，摩擦系数显得较大，在系数显得较大，在 -N曲线中，存在一个曲线中，存在一个“高摩擦系数区高摩擦系数区”，然后随正压力的增加，然后随正压力的增加而降低，并趋近于某已定值而降低，并趋近于某已定值 （图（图2-2）。）。 上式中上式中A的本质是粘着力，但当时库仑的本质是粘着力，但当时库仑并不知道这一点。正由于这样，他任何时并不知道这一点。正由于这样，他任何时候都把这个候都把这个A看作是摩擦力中辅助性的、偶看作是摩擦力中辅助性的、偶然的数值，予以轻视与忽略。然的数值，予以轻视与忽略。图2-2 干摩擦过程中f

5、、n与间的关系曲线 但是，实际的粗糙表面相接触时，表面凸但是，实际的粗糙表面相接触时，表面凸起的相互作用穿插（机械啮合）以及表面起的相互作用穿插（机械啮合）以及表面凸起间的压接是兼而有之。摩擦是这两种凸起间的压接是兼而有之。摩擦是这两种机制同时在起作用的结果，摩擦阻力是克机制同时在起作用的结果，摩擦阻力是克服机械啮合、使凸起变形的阻力服机械啮合、使凸起变形的阻力Fd 与切断与切断粘着点需力粘着点需力Fa的总合，即的总合，即 F=Fa+Fd 用摩擦系数表示，则用摩擦系数表示，则 = d+ a 设在接触面上设在接触面上i点处的接触面积为点处的接触面积为Ai，切断，切断粘着点之剪切应力为粘着点之剪切

6、应力为 si,整个接触面积之真整个接触面积之真实接触面积为实接触面积为Ar,平均剪切应力为平均剪切应力为 s，接触，接触点数目为点数目为n，则由于粘着而产生的摩擦阻力，则由于粘着而产生的摩擦阻力为为 Fa= nisrsiiAA1 即使C、D粘着点被切断，而表面仍不能自由地相对运动，还要克服表面凹凸机械啮合，如图中B凸起点的阻力。若上表面材料比下表面材料更硬，那么B将变形，这就是上表面凸起对下表面的“犁削”过程。如果把这种阻力称为变形阻力或“犁削力”Fp，而且假设在上表面有在j处出现B的情况，则有mjpjpdfFF12.3 影响金属压力加工中外摩擦的因素影响金属压力加工中外摩擦的因素 在金属压力

7、加工中，除了有一般滑动摩擦在金属压力加工中，除了有一般滑动摩擦中所出现的共同现象外，还有许多固有的特性。中所出现的共同现象外，还有许多固有的特性。其中最主要的一点就是其中最主要的一点就是摩擦阻力产生于基体金属摩擦阻力产生于基体金属塑性变形且沿工具表面流动的过程中。塑性变形且沿工具表面流动的过程中。 因此，阻止这种流动的摩擦应力的大小，与变因此，阻止这种流动的摩擦应力的大小，与变形区中金属所处的应力应变状态有关，即与变形区中金属所处的应力应变状态有关，即与变形过程的力学条件有关。此外，金属塑性流动出形过程的力学条件有关。此外，金属塑性流动出现的接触摩擦应力的大小及分布，反过来又对金现的接触摩擦应

8、力的大小及分布，反过来又对金属变形特点产生很大影响。压力加工中普遍存在属变形特点产生很大影响。压力加工中普遍存在的不均匀变形现象正是与外摩擦的作用密切相关。的不均匀变形现象正是与外摩擦的作用密切相关。 研究表明，影响压力加工中外摩擦应力的因素可区分为两类：1）工具表面与变形金属表面状态以及它们之间的物理化学或机械交互作用，接触界面物质（润滑剂、氧化膜）的存在。-影响摩擦过程。2）接触表面金属力学性质以及应力应变状态。-影响摩擦应力沿接触表面的分布及大小。 金属压力加工时，在接触表面上某一点处的摩擦应力数值取决于：表面上的力学条件、变形材料的流变性质、摩擦表面状态等。通常可以用下列函数表示这种关

9、系 ff（U，n，M，） 式中 U-考虑了接触表层某点处金属的接触滑移与 变形的因素； n-研究点处的正应力状况； M-考虑了变形金属的力学性质与变形温度-速 度及变形程度关系的因素； -接触表面的物理-化学与力学状态的特性。 对于接触表面分三区时的金属质点流动界面、正应力及摩擦应力大小的分布曲线示于图2-8。 图2-10还示出了这种理想化表面在外力作用下与金属表面的接触过程。开始外力较小，表面凸起为弹性接触（a）；随N的增大，在较软金属内出现逐渐扩大的塑性区（b、c）；以至最后塑性区相互交错，并扩及整个金属基体，出现金属的塑性流动。 ac阶段： = ss/H,与与N无关，无关， ，阿芒顿库仑

10、定律所描述的，适应与负荷较轻阶段。d阶段:塑性区交错， 降低，降低，表层的剪切流动，阿芒顿库仑定律不适应。M.C.肖提出的，阿芒顿库仑定律不完全适用金属压力加工过程，以及压力加工过程中的摩擦主要由于层下金属塑性流动的观点，与.塔尔诺夫斯基观点是一致的。而且图2-10中弹性区E存在的必然性，对于解释实际生产中有些坯料表面已有的划痕等表面缺陷，即使经过很大的变形也难以完全消除的现象（存在润滑剂时更明显），也是颇有意义的。2.6金属压力加工中的外摩擦金属压力加工中的外摩擦种类及其影响种类及其影响 在实际的金属压力加工生产中，由于变形在实际的金属压力加工生产中，由于变形方式不同，特点各异，情况要复杂得

11、多。方式不同，特点各异，情况要复杂得多。而且变形的工艺条件（变形温度、变形程而且变形的工艺条件（变形温度、变形程度，及变形速度）又苛刻多变。因此在金度，及变形速度）又苛刻多变。因此在金属压力加工中。按接触界面的状态，可能属压力加工中。按接触界面的状态，可能出现如下摩擦类型：出现如下摩擦类型：干摩擦，流体润滑摩擦和边界摩擦干摩擦，流体润滑摩擦和边界摩擦。干摩擦实际是干摩擦实际是指表面上没有润滑剂的摩擦指表面上没有润滑剂的摩擦。润滑。润滑较困难的镦、锻过程，无润滑挤压铝及铝合金以较困难的镦、锻过程，无润滑挤压铝及铝合金以及其他任何不加润滑剂的加工过程，都可能出现及其他任何不加润滑剂的加工过程，都可

12、能出现干摩擦的状态。干摩擦的状态。边界摩擦是指边界摩擦是指由于润滑剂对金属表面的物理、化由于润滑剂对金属表面的物理、化学吸附作用，形成一层只有几个分子厚的边界润学吸附作用，形成一层只有几个分子厚的边界润滑膜的摩擦。滑膜的摩擦。流体润滑摩擦是指流体润滑摩擦是指在接触界面上存在一层较厚的在接触界面上存在一层较厚的流体润滑膜，摩擦发生在润滑膜内流体润滑膜，摩擦发生在润滑膜内。在高速轧制。在高速轧制与拉拔生产时容易出现这种状态。与拉拔生产时容易出现这种状态。 由于压力加工时摩擦条件比较恶劣，理想的流由于压力加工时摩擦条件比较恶劣，理想的流体润滑及边界润滑状态较难出现。整个接触面上体润滑及边界润滑状态较

13、难出现。整个接触面上为单一的摩擦润滑状态较少，多为混合状态。如为单一的摩擦润滑状态较少，多为混合状态。如流体边界摩擦、边界干摩擦以及流体干摩流体边界摩擦、边界干摩擦以及流体干摩擦等。擦等。 比如，有人认为在高速冷轧以及拉拔时，比如，有人认为在高速冷轧以及拉拔时，分别测出摩擦系数为分别测出摩擦系数为0.020.03及及0.040.09，较一般的边界润滑的摩擦系数（油，较一般的边界润滑的摩擦系数（油脂系数润滑油为脂系数润滑油为0.10.2、矿物油为、矿物油为0.20.3）低一个数量级，从而认为加工过程是）低一个数量级，从而认为加工过程是处于流体润滑摩擦状态。然而，在这两种处于流体润滑摩擦状态。然而

14、，在这两种情况下却同样可观察到轧辊或模具上粘附情况下却同样可观察到轧辊或模具上粘附金属微粒及在润滑油中存在散落的金属磨金属微粒及在润滑油中存在散落的金属磨损粒子。这就表明，上述的加工过程实际损粒子。这就表明，上述的加工过程实际是处在一种以流体润滑摩擦为主，并出现是处在一种以流体润滑摩擦为主，并出现边界摩擦、甚至有干摩擦的混合摩擦状态。边界摩擦、甚至有干摩擦的混合摩擦状态。 对于加工过程中的上述各类摩擦，就其摩对于加工过程中的上述各类摩擦，就其摩擦的规律，可归结到如下两个摩擦定律：擦的规律，可归结到如下两个摩擦定律： 阿芒顿库仑摩擦定律阿芒顿库仑摩擦定律。摩擦应力正比。摩擦应力正比于法向应力，摩

15、擦系数为常量，故又成常于法向应力，摩擦系数为常量，故又成常摩擦系数定律。对于水静压强度较小的冲摩擦系数定律。对于水静压强度较小的冲压、拉拔以及其他润滑效果较好的加工过压、拉拔以及其他润滑效果较好的加工过程，此定律较适用。程，此定律较适用。 常摩擦应力摩擦定律常摩擦应力摩擦定律。在面压较高的挤。在面压较高的挤压以及润滑较困难的热轧等变形过程中，压以及润滑较困难的热轧等变形过程中，由于金属的剪切流动主要出现在次表层内，由于金属的剪切流动主要出现在次表层内，故有故有fs，摩擦应力为相应变形条件下金，摩擦应力为相应变形条件下金属的性能参数。属的性能参数。 在实际金属压力加工过程中，接触面上的在实际金属

16、压力加工过程中，接触面上的摩擦规律，除与接触表面的状态（粗糙度、摩擦规律，除与接触表面的状态（粗糙度、润滑剂等）有关外，还与变形区几何因子润滑剂等）有关外，还与变形区几何因子密切相关，在某些条件下出现同一接触面密切相关，在某些条件下出现同一接触面上存在常摩擦系数区与常摩擦应力区的混上存在常摩擦系数区与常摩擦应力区的混合摩擦状态。这些对于进行变形力能计算合摩擦状态。这些对于进行变形力能计算时求解有关方程的边界条件是十分重要的。时求解有关方程的边界条件是十分重要的。 接触界面上的外摩擦对金属压力加工过程接触界面上的外摩擦对金属压力加工过程带来很大的影响：带来很大的影响：使金属变形时金属的实际变形抗

17、力增大，使金属变形时金属的实际变形抗力增大，力能消耗加大；力能消耗加大；引起金属不均匀变形，影响制品性能，降引起金属不均匀变形，影响制品性能，降低生产成品率；低生产成品率；使加工工模具磨损加大，进而影响制品尺使加工工模具磨损加大，进而影响制品尺寸精度，并增加生产成本。寸精度，并增加生产成本。 在金属压力加工过程中很容易发生工具与在金属压力加工过程中很容易发生工具与变形金属间的粘着（焊合）。相对滑动时，变形金属间的粘着（焊合）。相对滑动时，如果切断发生在粘着点的深部，那就会出如果切断发生在粘着点的深部，那就会出现金属微粒的转移，工具表面粘附着变形现金属微粒的转移，工具表面粘附着变形金属，结果改变

18、摩擦表面状态与性质。若金属，结果改变摩擦表面状态与性质。若工具表面粘附变形金属严重，甚至会变成工具表面粘附变形金属严重，甚至会变成“同种金属间的摩擦。同种金属间的摩擦。”因此，工具表面因此，工具表面粘附金属后，会增大摩擦与变形力能消耗，粘附金属后，会增大摩擦与变形力能消耗，损伤制品表面，缩短工具寿命。损伤制品表面，缩短工具寿命。 在金属压力加工的摩擦过程中同样伴随有在金属压力加工的摩擦过程中同样伴随有磨损现象。上述工具表面粘附金属的过程，磨损现象。上述工具表面粘附金属的过程，就是加工制品的粘着磨损过程，只是由于就是加工制品的粘着磨损过程，只是由于对制品而言，往往是发生在一个或几个道对制品而言，

19、往往是发生在一个或几个道次中，故磨损本身并不为人们所重视。次中，故磨损本身并不为人们所重视。 加工所用的工模具，虽然其硬度比变加工所用的工模具，虽然其硬度比变形金属高得多，但由于往往是在形金属高得多，但由于往往是在高压、高高压、高速以及高温条件下连续使用，速以及高温条件下连续使用，其表面通过其表面通过质点转移到变形金属上或粘附金属一起脱质点转移到变形金属上或粘附金属一起脱落等过程，出现严重磨损，结果不仅影响落等过程，出现严重磨损，结果不仅影响制品表面质量与尺寸精度，而且增加工具制品表面质量与尺寸精度，而且增加工具消耗，提高生产成本。消耗，提高生产成本。2.7生产中摩擦有效性的利用生产中摩擦有效

20、性的利用 在实际生产中，摩擦并非是百害无益的东在实际生产中，摩擦并非是百害无益的东西，有时可以直接加以利用，有时则设法西，有时可以直接加以利用，有时则设法变害为利，这就是生产中利用外摩擦有效变害为利，这就是生产中利用外摩擦有效性的问题。在实际生产中，通常也并非摩性的问题。在实际生产中，通常也并非摩擦越小越好，对润滑剂的要求则是适当的擦越小越好，对润滑剂的要求则是适当的润滑性与良好的综合性能。润滑性与良好的综合性能。 在开坯轧制中，增大摩擦可以改变咬如条在开坯轧制中，增大摩擦可以改变咬如条件，强化轧制过程；件，强化轧制过程； 在冲压生产中增大冲头与板片之间的摩擦在冲压生产中增大冲头与板片之间的摩

21、擦可以强化生产工艺，减少由于缩颈冲裂等可以强化生产工艺，减少由于缩颈冲裂等造成的废品；无润滑挤压或增加挤压垫片造成的废品；无润滑挤压或增加挤压垫片端面摩擦阻力等措施，有利于减少制品中端面摩擦阻力等措施，有利于减少制品中“挤压缩尾挤压缩尾”。 在精轧板带材时，为了提高成品表面光洁在精轧板带材时，为了提高成品表面光洁度，人们常使用粘度较小的所谓度，人们常使用粘度较小的所谓“薄油薄油”，以利用轧辊对其表面的磨光作用。类似例以利用轧辊对其表面的磨光作用。类似例子在实际生产中是很多的。子在实际生产中是很多的。 近年来，在深入研究接触摩擦规律，寻找近年来，在深入研究接触摩擦规律，寻找有效润滑剂和润滑方法来

22、减少摩擦有害影有效润滑剂和润滑方法来减少摩擦有害影响的同时，积极开展了利用摩擦有效性的响的同时，积极开展了利用摩擦有效性的研究。研究。所谓摩擦有效性，就是通过强制改所谓摩擦有效性，就是通过强制改变和控制工具与变形金属接触滑移运动的变和控制工具与变形金属接触滑移运动的特点，使摩擦应力能促进金属的变形发展。特点，使摩擦应力能促进金属的变形发展。通过接触滑移运动的特点，使摩擦应力能通过接触滑移运动的特点，使摩擦应力能促进金属的变形发展。促进金属的变形发展。通过这种方法可以通过这种方法可以减少或消除摩擦力的有害影响。减少或消除摩擦力的有害影响。2.7.1 有效摩擦力挤压法有效摩擦力挤压法 有效摩擦力挤

23、压法的特点，在于挤压筒前进的速有效摩擦力挤压法的特点，在于挤压筒前进的速度度比挤压杆的前进速度比挤压杆的前进速度快，使坯料表面上的摩快，使坯料表面上的摩擦力方向指向金属流动方向，摩擦力产生有效作擦力方向指向金属流动方向，摩擦力产生有效作用。此时，用。此时，K筒筒/杆杆1可作为实现有效摩擦力可作为实现有效摩擦力挤压法的运动学条件。当挤压法的运动学条件。当K1.051.10时，表时，表层金属流动不显著；层金属流动不显著；K1.41.6时，金属流动发时，金属流动发生根本性变化，变形扩及到整个坯料体内，同时生根本性变化，变形扩及到整个坯料体内，同时多半是压缩变形，大大减少了变形不均匀分布。多半是压缩变

24、形，大大减少了变形不均匀分布。因此，当选择因此，当选择K值适当，有效摩擦作用达到最大值适当，有效摩擦作用达到最大时，可以完全消除挤压缩尾现象。研究表明，反时，可以完全消除挤压缩尾现象。研究表明，反向挤压、有效摩擦力挤压以及通常使用的正向挤向挤压、有效摩擦力挤压以及通常使用的正向挤压法的最大总挤压力之比为压法的最大总挤压力之比为1：1.3：1.7。采用有。采用有效摩擦力挤压法对难变形的效摩擦力挤压法对难变形的LY12、LF6及及LD8等等铝合金特别有效。铝合金特别有效。 与正向无润滑挤压相比，有效摩擦力挤压与正向无润滑挤压相比，有效摩擦力挤压法能：法能：降低挤压力降低挤压力1520，保证制品性能所需要的最低延伸系数可降保证制品性能所需要的最低延伸系数可降到到2.53.0，提高金属流出速度提高金属流出速度35倍，挤压机生产能倍，挤压机生产能力可提高力可提高11.5倍，倍，大大提高制品的成品率和质量。大大提高制品的成品率和质量。2.7.2异步轧制法异步轧制法 目前在薄带材生产中采用一种称为目前在薄带材生产中采用一种称为异步轧制的方法。异步轧制是指两异步轧制的方法。异步轧制是指两个轧辊速度不等的轧制过程，其速个轧辊速度不等的轧制过程，其速差可以由两工作辊辊径或转速的不差可以由两工作辊辊径或转速的不等而产生。在一般轧制过程中，由等而产生