第一章 最小阻力定律

1、1.5 金属塑性加工的宏观规律1.最小阻力定律1）定律 金属塑性加工时，质点的流动规律可以应用最小阻力定律分析。最小阻力定律可表述为：变形过程中，当变形体中的质点有可能沿着不同的方向发生流动时，质点将向着阻力最小的方向流动。即“做最少的功，走最短的路”。 矩形断面棱柱体镦粗时的金属流动模型 变形足够大时，将变成边长最小的圆形周边，因此，最小阻力定律在镦粗中也称为最小周边法则 塑性加工时，根据体积不变条件和最小阻力定律，便可大体确定出塑性成形时的金属流动规律。有时还可用来选择坯料的断面和尺寸、加工工具的形状和尺寸等 2）应用举例 A.模锻 B. 平锤间压缩方坯 C.平砧拔长矩形截面坯料为提高拔长

2、的效率，应适当减少送给量L若要使坯料展宽时，送进量L应大些 D.压下量、辊径相同的条件，坯料宽度不同的轧制 2.影响金属塑性流动和变形的因素 1）摩擦的影响 圆柱体镦粗时摩擦力对变形及应力分布影响 圆环镦粗的金属流动(a)变形前 (b)摩擦系数很小或为零 (c)有摩擦2）变形区的几何因素的影响 钢球压缩时的流线受塑压时物体内部质点滑移变形的近似模型3）工具的形状和坯料形状的影响 型砧中拔长（a）弧型砧 (b)V型砧 (c)凸型砧4）外端的影响 变形中的某一时刻，变形体中没有产生塑性变形的部分拔长时外端对变形的影响 5）变形温度的影响 变形物体的温度不均匀，会造成金属各部分变形和流动的差异。变形

3、首先发生在那些变形抗力最小的部分。一般地，在同一变形物体中高温部分的变形抗力低，低温部分的变形抗力高。这样，在同一外力的作用下，高温部分变形量大，低温部分变形量小。而变形物体是一整体，限制了物体各部分不均匀变形的自由发展，从而产生相互平衡的附加应力。此外，在变形体内因温度不同所产生热膨胀的不同而引起的热应力，与由不均匀变形所引起的附加应力相叠加后，有时会增大应力的不均匀分布，甚至会引起变形物体的断裂。(*_*) 嘻嘻无图了6）金属性质不均的影响 吭吭 还是美图变形金属中的化学成分、组织结构、夹杂物、相的形态等分布不均会造成金属各部分的变形和流动的差异 3.不均匀变形、附加应力和残余应力 这么多

4、？1）均匀变形与不均匀变形要实现均匀变形状态，必须满足以下条件：A.变形物体的物理性质必须均匀且各向同性；B. 整个物体任何瞬间承受相等的变形量；C. 接触表面没有外摩擦，或没有接触摩擦所引起的阻力；D. 整个变形体处于工具的直接作用下，即处于无外端的情况下。说什么说！好好听很难实现均匀变形，所以 ，一般的塑性加工中都是不均匀变形。 不均匀变形有三种类型： A.第一类不均匀变形 由于摩擦力、变形体外端等条件的影响，使变形体中不同区域的变形不同。 B.第二类不均匀变形 由于变形体中各晶粒的位相不同，使变形体中不同晶粒的变形不同。 C.第三类不均匀变形 由于同一晶粒内各滑移系的取向不同，使变形体中

5、同一晶粒内的各部分的变形不同。 唉！不如-2）研究变形分布的方法 A.网格法 B.硬度法 在冷变形情况下，变形金属的硬度随变形程度的增加而提高 ，不同变形程度的区域，其硬度不同如此简单！在冷变形情况下，变形金属的硬度随变形程度的增加而提高C.比较晶粒法 变形越大，再结晶后晶粒越小。利用再结晶图，近似地得出变形体内各处的变形程度 地球人都知道3)基本应力与附加应力 金属变形时体内变形分布不均匀，不但使物体外形歪扭和内部组织不均匀，而且还会在变形体内产生应力。这种由不均匀变形引起的应力称为附加应力；而把由外力作用所引起的应力叫基本应力。我呢？A.附加应力 根据不均匀变形的分类，附加应力也分为三类。

6、第一类附加应力 ：第二类附加应力 ：第三类附加应力 ：附加应力是变形体为保持自身的完整和连续，约束不均匀变形而产生的内力。就是说，附加应力是由不均匀变形所引起的，但同时它又限制不均匀变形的自由发展。附加应力是互相平衡、成对出现的，当一处受附加压应力 时，另一处必受附加拉应力 B.附加应力对金属的塑性变形造成的不良后果a.引起变形体的应力状态发生变化，使应力分布更不均匀 b. 造成物体的破坏c.使材料变形抗力提高和塑性降低d.使产品质量降低e.使生产操作复杂化f.形成残余应力C.克服或减轻变形及应力不均的有害影响常采用的措施 a.正确选定变形的温度速度规程 b.尽量减小接触面上外摩擦的有害影响

7、c.合理设计加工工具形状 d.尽可能保证变形金属的成分及组织均匀 4）残余应力 A.残余应力的来源 残余应力是塑性变形完毕后保留在变形物体内的附加应力 ；总是成对出现，大小相等，方向相反分为三类：B.残余应力所引起的后果 a.引起物体尺寸和形状的变化 b.使零件的使用寿命缩短 c.降低了金属的塑性加工性能 d.降低金属的耐蚀性以及冲击韧性和疲劳强度 5）减小或消除残余应力的措施 a.热处理方法 b.机械处理 总算完了总算完了总算完了1.6 金属塑性加工时摩擦的特点及作用1.塑性成形时摩擦的特点在高压下产生的摩擦较高温度下的摩擦摩擦副（金属与工具）的性质相差大有新的摩擦面产生塑性成形时接触表面上

8、的单位压力很大，一般热加工时面压力为500Mpa左右，冷加工时可高达25003000MPa。但在机器轴承中，接触面压通常只有2050MPa 高温下的金属材料，除了内部组织和性能变化外，金属表面要发生氧化，给摩擦润滑带来很大影响 2.外摩擦在压力加工中的作用 1)摩擦的不利方面改变物体应力状态，使变形力和能耗增加引起工件变形与应力分布不均匀恶化工件表面质量，加速模具磨损，降低工具寿命2)摩擦的利用 例如，用增大摩擦改善咬入条件，强化轧制过程；增大冲头与板片间的摩擦，强化工艺，减少起皱和撕裂等造成的废品。 不利影响的如圆柱体镦粗有利的如模锻飞边槽处的摩擦3.塑性加工中摩擦的分类及机理1)外摩擦的分

9、类 干摩擦 流体摩擦边界摩擦不存任何外来介质时金属与工具的接触表面之间的摩擦 当金属与工具表面之间的润滑层较厚，摩擦副在相互运动中不直接接触，完全由润滑油膜隔开，摩擦发生在流体内部分子之间者称为流体摩擦 当坯料与工具之间的接触表面上加润滑剂时，随着接触压力的增加，坯料表面凸起部分被压平，润滑剂被挤入凹坑中，被封存在里面，这时在压平部分与模具之间存在一层极薄的润滑膜，其厚度约为10-6mm左右。这种润滑膜一般是一种流体的单分子膜，接触表面就处在被这种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 摩擦分类示意图a）干摩擦 b）边界摩擦 c）流体摩擦这图？

10、呼噜- 2)摩擦机理 表面凸凹学说所有经过机械加工的表面并非绝对平坦光滑，都有不同程度的微观凸起和凹入。当凹凸不平的两个表面相互接触时，一个表面的部分“凸峰”可能会陷入另一表面的凹坑 ，产生机械咬合。当这两个相互接触的表面在外力的作用下发生相对运动时，相互咬合的部分会被剪断，此时摩擦力表现为这些凸峰被剪切时的变形阻力。根据这一观点，相互接触的表面越粗糙，相对运动时的摩擦力就越大。降低接触表面的粗糙度，或涂抹润滑剂以填补表面凹坑，都可以起到减少摩擦的作用 分子吸附说摩擦产生的原因是由于接触面上分子之间的相互吸引的结果。物体表面越光滑，实际接触面积就越大，接触面间的距离也就越小，分子吸引力就越强，

11、因此，滑动摩擦力也就越大粘着理论当两个表面接触时，接触面上某些接触点处压力很大，以致发生粘接或焊合，当两表面产生相对运动时，粘接点被切断而产生相对滑动。近代摩擦理论认为，摩擦力不仅来自接触表面凹凸部分互相咬合产生的阻力，而且还来自真实接触表面上原子、分子相互吸引作用产生的粘合力。对于流体摩擦来说，摩擦力则为润滑剂层之间的流动阻力 4.塑性加工时接触表面摩擦力的计算 在计算金属塑性加工时的摩擦力时，分下列三种情况考虑 1）库仑摩擦条件 这时不考虑接触面上的粘合现象（即全滑动），认为摩擦符合库仑定律。其内容如下：（1）摩擦力与作用于摩擦表面的垂直压力成正比例， 与摩擦表面的大小无关；（2）摩擦力与

12、滑动速度的大小无关；（3）静摩擦系数大于动摩擦系数。 其数学表达式为： 或 式中 F摩擦力； 外摩擦系数； N垂直于接触面正压力； 接触面上的正应力； 接触面上的摩擦切应力。 由于摩擦系数为常数（由实验确定），故又称常摩擦系数定律。对于像拉拔及其他润滑效果较好的加工过程，此定律较适用。 NFNN2）最大摩擦条件 当接触表面没有相对滑动，完全处于粘合状 态时，单位摩擦力（ ）等于变形金属流动 时的临界切应力k，即： = k 3）摩擦力不变条件 认为接触面间的摩擦力，不随正压力大小而变。其单位摩擦力是常数，即常摩擦力定律，其表达式为： =mk 式中，m为摩擦因子 5.摩擦系数及其影响因素 摩擦系数

13、随金属性质、工艺条件、表面状态、单位压力及所采用润滑剂的种类与性能等而不同。其主要影响因素有： 1 ）金属的种类和化学成分 0.60.50.40.30.20.100.40.60.81.01.2100011001200900800700含碳量%C图6-2 钢中碳含量对摩擦系数的影响2）工具材料及其表面状态 工具的表面状态视工具表面的精度及机加工方法的不同，摩擦系数可能在0.050.5范围内变化。一般来说，工具表面光洁度越高，摩擦系数越小。但如果两个接触面光洁度都非常高，由于分子吸附作用增强，反使摩擦系数增大。 工具表面加工刀痕常导致摩擦系数的异向性。例如，垂直刀痕方向的摩擦系数有时要比沿刀痕方向

14、高于20%。至于坯料表面的粗糙度对摩擦系数的影响，一般认为只有初次（第一道次）加工时才起明显作用，随着变形的进行，金属表面已成为工具表面的印痕，故以后的摩擦情况只与工具表面状态相关 0.130.120.110.100.090.080.070.060.050.040.030.020.0102006001000140018002200N/mm2摩 擦系数0.14图4-6 正压力对摩擦系数的影响3）接触面上的单位压力0.50.40.30.20.102004006008000.40.20400600800图4-7 温度对钢的摩擦系数的影响 图4-8 温度对铜的摩擦系数的影响4 ）变形温度变形温度对摩擦

15、系数的影响很复杂。因为温度变化时，材料的温度、硬度及接触面上的氧化质的性能都会发生变化，可能产生两个相反的结果：一方面随着温度的增加，可加剧表面的氧化而增加摩擦系数；另一方面，随着温度的提高，被变形金属的强度降低，单位压力也降低，这又导致摩擦系数的减小，所以，变形温度是影响摩擦系数变化因素中，最积极、最活泼的一个，很难一概而论 这么复杂5）变形速度随着变形速度增加，摩擦系数下降 在干摩擦时，变形速度增加，表面凹凸不平部分来不及相互咬合，表现出摩擦系数的下降。在边界润滑条件下，由于变形速度增加，油膜厚度增大，导致摩擦系数下降 6 ）润滑剂6.测定摩擦系数的方法夹钳轧制法 搞不懂楔形件压缩法锤间塑压楔形件圆环镦粗法（a） （b）圆环镦粗时金属的流动这么多图7.塑性加工的工艺润滑工艺润滑的目的及润滑机理 润滑的目的 减少工模具磨损，延长工具使用寿命 提高制品质量 降低金属变形时的能耗 润滑机理 流体力学原理 吸附机制8.润滑剂的选择 1）塑性成形中对润滑剂的要求在选择及配制润滑剂时，必符合下列要求：（1）润滑剂应有良好的耐压性能，在高压作用下，润滑膜仍能吸附在接触表面上，保持良好的润滑状态；（2）润滑剂应有良好耐高温性能，在热加工时，润滑剂应不分解，不变质；（3）润滑剂有冷却模具的作用；（4）