第4章金属塑性加工的摩擦与润滑

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1、第4章金属塑性加工的摩擦与润滑§4.1概述金属塑性加工中是在工具与工件相接触的条件下进行的，这时必然产生阻止金属流动的摩擦力。这种发生在工件和工具接触面间，阻碍金属流动的摩擦，称外摩擦。由于摩擦的作用，工具产生磨损，工件被擦伤；金属变形力、能增加造成金属变形不均；严重时使工件出现裂纹，还要定期更换工具。因此，塑性加工中，须加以润滑。润滑技术的开发能促进金属塑性加工的发展。随着压力加工新技术新材料新工艺的出现，必将要求人们解决新的润滑问题。§4.2金属塑性加工时摩擦的特点及作用4.2.1塑性成形时摩擦的特点塑性成形中的摩擦与机械传动中的摩擦相比，有下列特点

2、：（1）在高压下产生的摩擦。塑性成形时接触表面上的单位压力很大，一般热加工时面压力为100~150MPa，冷加工时可高达500~2500MPa。但是，机器轴承中，接触面压通常只有20~50MPa，如此高的面压使润滑剂难以带入或易从变形区挤出，使润滑困难及润滑方法特殊。（2）较高温度下的摩擦。塑性加工时界面温度条件例恶劣。对于热加工，根据金属不同，温度在数百度至一千多度之间，对于冷加工，则由于变形热效应、表面摩擦热，温度可达到颇高的程度。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。（3）伴随着塑性变形而产生的摩擦

3、，在塑性变形过程中由于高压下变形，会不断增加新的接触表面，使工具与金属之间的接触条件不断改变。接触面上各处的塑性流动情况不同，有的滑动，有的粘着，有的快，有的慢，因而在接触面上各点的摩擦也不一样。（4）摩擦副（金属与工具）的性质相差大，一般工具都硬且要求在使用时不产生塑性变形；而金属不但比工具柔软得多，且希望有较大的塑性变形。二者的性质与作用差异如此之大，因而使变形时摩擦情况也很特殊。4.2.2外摩擦在压力加工中的作用塑性加工中的外摩擦，大多数情况是有害的，但在某些情况下，亦可为我所用。摩擦的不利方面：（1）改变物体应力状态，使变形力和能耗增加。以平锤锻

4、造圆柱体试样为例（图4-1），当无摩擦时，为单向压应力状态，即，而有摩擦时，则呈现三向应力状态，即。为主变形力，为摩擦力引起的。若接触面间摩擦越大，则越大，即静水压力愈大，所需变形力也随之增大，从而消耗的变形功增加。一般情况下，摩擦的加大可使负荷增加30%。110图4-1塑压时摩擦力对应力及变形分布的影响σ3σ1σ2σ3σyσ3σ2σ1ⅠⅡⅢⅢσ2（2）引起工件变形与应力分布不均匀。塑性成形时，因接触摩擦的作用使金属质点的流动受到阻碍，此种阻力在接触面的中部特别强，边缘部分的作用较弱，这将引起金属的不均匀变形。如图4-1中平塑压圆柱体试样时，接触面受摩擦

5、影响大，远离接触面处受摩擦影响小，最后工件变为鼓形。此外，外摩擦使接触面单位压力分布不均匀，由边缘至中心压力逐渐升高。变形和应力的不均匀，直接影响制品的性能，降低生产成品率。（3）恶化工件表面质量，加速模具磨损，降低工具寿命。塑性成形时接触面间的相对滑动加速工具磨损；因摩擦热更增加工具磨损；变形与应力的不均匀亦会加速工具磨损。此外，金属粘结工具的现象，不仅缩短了工具寿命，增加了生产成本，而且也降低制品的表面质量与尺寸精度。摩擦的利用：亦可利用摩擦变害为利。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

6、废品。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减少摩擦有害影响的同时，积极开展了有效利用摩擦的研究。即通过强制改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。作为例子，下面介绍一种有效利用摩擦的方法。Conform连续挤压法的基本原理如图4-2所示。当从挤压型腔的入口端连续喂入挤压坯料时，由于它的三面是向前运动的可动边，在摩擦力的作用下，轮槽咬着坯料，并牵引着金属向模孔移动，当夹持长度足够长时，摩擦力的作用足以在模孔附近，产生高达1000N/mm2的挤压应力，和高达400~500℃的温度，使金属从模孔流出。可

7、见Conform连续挤压原理上十分巧妙地利用挤压轮槽壁与坯料之间的机械摩擦作为挤压力。同时，由于摩擦热和变形热的共同作用，可使铜、铝材挤压前无需预热，直接喂入冷坯（或粉末粒）而挤压出热态制品，这比常规挤压节省3/4左右的热电费用。此外因设置紧凑、轻型、占地小以及坯料适应性强，材料成材率高达90%以上。所以，目前广泛用于生产中小型铝及铝合金管、棒、线、型材生产上。§4.3塑性加工中摩擦的分类及机理4.3.1外摩擦的分类及机理塑性成形时的摩擦根据其性质可分为干摩擦、边界摩擦和流体摩擦三种，分述如下：1．干摩擦110干摩擦是指不存任何外来介质时金属与工具的接触

8、表面之间的摩擦（图4-3所示）。但在实际生产中，这种绝对理想的干摩擦是不存在的。