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1、第7卷第4期塑性工程学报Vol.7No.42000年12月JOURNALOFPLASTICITYENGINEERINGDec.2000金属成型过程中摩擦成因的分析(东北大学材料与冶金学院沈阳110006)许光明崔建忠摘要:本文从微观入手对金属压力成型过程中摩擦的形成原因进行了分析,认为摩擦主要是由于被压入工具表面凹坑金属的塑性流动所引起的。摩擦功率等于此部分金属的变形功率,当它的变形功率大于在界面产生剪切流动的功率时,摩擦由滑动摩擦转变为粘着摩擦。同时,根据对工具表面的某些假设,推导了摩擦应力与粗
2、糙度和静水压应力等之间的关系,并求出了发生粘着摩擦所需的静水压应力。计算结果表明,建立的摩擦模型是比较有效和合乎实际的,它为理论计算摩擦提供了方法。关键词:摩擦应力;变形功率;静水压应力中图分类号:TG356.6成型中,接触表面越粗糙,接触压力越大,变形体的1前言变形抗力越小或变形温度越高,就越易产生粘着摩擦,而光滑的表面不易产生大的摩擦。因此,我们在两个相互接触的物体在发生相对运动或具有相确定摩擦影响时必须考虑到粗糙度、变形抗力或温度对运动的趋势时,在接触表面就会产生摩擦。在金属及压力状态等诸多
3、方面的因素。压力成型过程中,克服摩擦力所损耗的功率占总功率在金属成型过程中,变形工具从宏观看来是很光的很大比重,摩擦力是金属压力成型过程中的一个重滑的,但微观观察时却似起伏的山峦,有凸峰也有凹[1]要参数,摩擦的大小对金属压力成型的力能参数有很谷,如图1所示。大的影响。因此,分析摩擦的形成,确定摩擦的大小有利于准确计算金属成型所需的力和功率,可提高机械设备的利用率。目前,在计算金属压力成型力能参数时,连最为先进的有限元法也通常采用假设摩擦系数,其大小根据计算结果是否与实际相符而定,因此,理论计算也
4、就失去了意义。本文从微观角度出发,对图1工具表面示意图金属压力成型过程的摩擦进行了分析,得出形成摩擦Fig.1Schematicdiagramoftoolsurface.的原因,并推导出计算摩擦应力的公式。在金属压力成型过程中,由于有很大的静水压应力,因此产生塑性变形的金属有部分被压入凹坑中。2金属压力成型过程中摩擦形成的分由于成型过程中凹坑中的金属沿凹凸的工具表面做析及模型的建立塑性流动,由这部分金属的塑性变形所引起的功率的增加即为摩擦功。当变形金属所受的压应力不大或变金属压力成型是通过工具把外
5、力施加到金属上,形金属的变形抗力较大时,将产生滑动摩擦;当静水利用金属的可塑性,使其尺寸和形状改变。当工具金压应力增加,或变形金属的变形抗力较小时,被压入属的表面与变形金属表面接触时,它们之间由于塑性凹谷的金属体积增加,其发生塑性变形所需的功率超流动,不可避免地产生摩擦。由常识可知,摩擦不仅过在界面处发生剪切变形所需功率时,变形金属将在与表面状态及接触面的应力状态有关,而且与变形过工具表面的凹凸界面产生剪切流动,即产生粘着摩程中的变形参数及材料的物理性能有关。在金属压力擦。为了计算金属压力成型过程
6、中的摩擦,采用以下收稿日期:1999-09-30;修订日期:2000-05-15假设:30塑性工程学报第7卷1)假设工具表面的粗糙度处处相同。=mV2)假设金属与工具间不发生原子间的结合。33mhtan3)摩擦功等于金属表面进入凹坑内部分的塑性2=mtT变形功,且此部分金属与变形金属整体有相同的变形°程度。式中——变形金属的变形速率——变形金属的变形程度t——金属完成整个变形过程所需时间由摩擦功与摩擦力之间的关系得:LP=Ft式中L——金属与工具整个接触表面长度则一个凹坑引起的
7、摩擦力为:233mhtan2F=图2工具与变形金属间的接触示意图TLFig.2Schematicdiagramofthecontact摩擦应力为:betweentoolandworkpiece.Ff=工具与变形金属之间接触如图2所示,假设粗糙l度为h,凹坑顶角为,变形金属的曲率半径为r,变233mhtan形金属的表面张力为T,变形金属的静水压力为m,=2与弯曲表面相对应的圆心角为,则:TL2htan2[2]静水压力在竖直方向上的合力为:222mhtan2F=∫mco
8、sds=-2TL=ml因此,在其它变形条件不变的情况下,摩擦应力由竖直方向的力平衡可得:随静水压应力的增加而成抛物线增加。但是,当摩擦2Tsin=F3应力达到s时将产生粘着摩擦,其摩擦应力达即:32Tsin=ml到最大值,即:由于很小,≈sin222mhtan32Ts=得:r=32TLm由此得到发生粘着摩擦所需的静水压应力为:l由l=2htan和rsin=得:2223sTLmhm==Ttan2223htan()2因此凹谷中的变形金属
