金屬塑性加工的摩擦與潤滑

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1、第4章金屬塑性加工的摩擦與潤滑§4.1概述金屬塑性加工中是在工具與工件相接觸的條件下進行的，這時必然產生阻止金屬流動的摩擦力。這種發生在工件和工具接觸面間，阻礙金屬流動的摩擦，稱外摩擦。由於摩擦的作用，工具產生磨損，工件被擦傷；金屬變形力、能增加造成金屬變形不均；嚴重時使工件出現裂紋，還要定期更換工具。因此，塑性加工中，須加以潤滑。潤滑技術的開發能促進金屬塑性加工的發展。隨著壓力加工新技術新材料新工藝的出現，必將要求人們解決新的潤滑問題。§4.2金屬塑性加工時摩擦的特點及作用4.2.1塑性成形時摩擦的特點塑性成形中

2、的摩擦與機械傳動中的摩擦相比，有下列特點：（1）在高壓下產生的摩擦。塑性成形時接觸表面上的單位壓力很大，一般熱加工時面壓力為100~150MPa，冷加工時可高達500~2500MPa。但是，機器軸承中，接觸面壓通常只有20~50MPa，如此高的面壓使潤滑劑難以帶入或易從變形區擠出，使潤滑困難及潤滑方法特殊。（2）較高溫度下的摩擦。塑性加工時介面溫度條件例惡劣。對於熱加工，根據金屬不同，溫度在數百度至一千多度之間，對於冷加工，則由於變形熱效應、表面摩擦熱，溫度可達到頗高的程度。高溫下的金屬材料，除了內部組織和性能變化

3、外，金屬表面要發生氧化，給摩擦潤滑帶來很大影響。（3）伴隨著塑性變形而產生的摩擦，在塑性變形過程中由於高壓下變形，會不斷增加新的接觸表面，使工具與金屬之間的接觸條件不斷改變。接觸面上各處的塑性流動情況不同，有的滑動，有的粘著，有的快，有的慢，因而在接觸面上各點的摩擦也不一樣。（4）摩擦副（金屬與工具）的性質相差大，一般工具都硬且要求在使用時不產生塑性變形；而金屬不但比工具柔軟得多，且希望有較大的塑性變形。二者的性質與作用差異如此之大，因而使變形時摩擦情況也很特殊。4.2.2外摩擦在壓力加工中的作用塑性加工中的外摩擦

4、，大多數情況是有害的，但在某些情況下，亦可為我所用。摩擦的不利方面：（1）改變物體應力狀態，使變形力和能耗增加。以平錘鍛造圓柱體試樣為例（圖4-1），當無摩擦時，為單向壓應力狀態，即，而有摩擦時，則呈現三向應力狀態，即。為主變形力，為摩擦力引起的。若接觸面間摩擦越大，則越大，即靜水壓力愈大，所需變形力也隨之增大，從而消耗的變形功增加。一般情況下，摩擦的加大可使負荷增加30%。110圖4-1塑壓時摩擦力對應力及變形分佈的影響σ3σ1σ2σ3σyσ3σ2σ1ⅠⅡⅢⅢσ2（2）引起工件變形與應力分佈不均勻。塑性成形時，因

5、接觸摩擦的作用使金屬質點的流動受到阻礙，此種阻力在接觸面的中部特別強，邊緣部分的作用較弱，這將引起金屬的不均勻變形。如圖4-1中平塑壓圓柱體試樣時，接觸面受摩擦影響大，遠離接觸面處受摩擦影響小，最後工件變為鼓形。此外，外摩擦使接觸面單位壓力分佈不均勻，由邊緣至中心壓力逐漸升高。變形和應力的不均勻，直接影響製品的性能，降低生產成品率。（3）惡化工件表面品質，加速模具磨損，降低工具壽命。塑性成形時接觸面間的相對滑動加速工具磨損；因摩擦熱更增加工具磨損；變形與應力的不均勻亦會加速工具磨損。此外，金屬粘結工具的現象，不僅縮

6、短了工具壽命，增加了生產成本，而且也降低製品的表面品質與尺寸精度。摩擦的利用：亦可利用摩擦變害為利。例如，用增大摩擦改善咬入條件，強化軋製過程；增大沖頭與板片間的摩擦，強化工藝，減少起皺和撕裂等造成的廢品。近年來，在深入研究接觸摩擦規律，尋找有效潤滑劑和潤滑方法來減少摩擦有害影響的同時，積極開展了有效利用摩擦的研究。即通過強制改變和控制工具與變形金屬接觸滑移運動的特點，使摩擦應力能促進金屬的變形發展。作為例子，下面介紹一種有效利用摩擦的方法。Conform連續擠壓法的基本原理如圖4-2所示。當從擠壓型腔的入口端連續

7、喂入擠壓坯料時，由於它的三面是向前運動的可動邊，在摩擦力的作用下，輪槽咬著坯料，並牽引著金屬向模孔移動，當夾持長度足夠長時，摩擦力的作用足以在模孔附近，產生高達1000N/mm2的擠壓應力，和高達400~500℃的溫度，使金屬從模孔流出。可見Conform連續擠壓原理上十分巧妙地利用擠壓輪槽壁與坯料之間的機械摩擦作為擠壓力。同時，由於摩擦熱和變形熱的共同作用，可使銅、鋁材擠壓前無需預熱，直接喂入冷坯（或粉末粒）而擠壓出熱態製品，這比常規擠壓節省3/4左右的熱電費用。此外因設置緊湊、輕型、占地小以及坯料適應性強，材料

8、成材率高達90%以上。所以，目前廣泛用於生產中小型鋁及鋁合金管、棒、線、型材生產上。§4.3塑性加工中摩擦的分類及機理4.3.1外摩擦的分類及機理塑性成形時的摩擦根據其性質可分為幹摩擦、邊界摩擦和流體摩擦三種，分述如下：1．幹摩擦幹摩擦是指不存任何外來介質時金屬與工具的接觸表面之間的摩擦（圖4-3110所示）。但在實際生產中，這種絕對理想的幹摩擦是不存在的。