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1、金属塑性加工原理本讲稿第一页，共三十一页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。本讲稿第二页，共三十一页4.2 金属塑性加工时摩擦的特点及作用塑性成形时摩擦的特点l在高压下产生的摩擦l较高温度下的摩擦l摩擦副（金属与工具）的性质
2、相差大l在接触面上各点的摩擦也不一样1000热压100150MPa，冷压5002500MPa本讲稿第三页，共三十一页外摩擦在压力加工中的作用 摩擦的不利方面l改变物体应力状态，使变形力和能耗增加l引起工件变形与应力分布不均匀l恶化工件表面质量，加速模具磨损，降低工具寿命本讲稿第四页，共三十一页外摩擦在压力加工中的作用 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。咬入条件咬入条件咬入条件咬入条件ftgftg 本讲稿第五页，共三十一页4.3 塑性加工中摩擦的分类及机理外摩擦的分类 l干摩擦 l流体摩擦l边界摩擦 摩擦机理 l
3、分子吸附说l表面凸凹学说本讲稿第六页，共三十一页4.3.1 4.3.1 4.3.1 4.3.1 外摩擦的分类及机理外摩擦的分类及机理外摩擦的分类及机理外摩擦的分类及机理 干摩擦干摩擦 干摩擦是指不存任何外来介质时金属与工具的接触表面之间的摩擦。但在实际生产中，这种绝对理想的干摩擦是不存在的。因为金属塑性加工过程中，其表面多少存在氧化膜，或吸附一些气体和灰尘等其它介质。但通常说的干摩擦指的是不加润滑剂的摩擦状态。本讲稿第七页，共三十一页流体摩擦流体摩擦 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（图4-3），摩擦发生在流体内部分子之间者称为流流体体摩摩擦擦
4、。它不同于干摩擦，摩擦力的大小与接触面的表面状态无关，而是与流体的粘度、速度梯度等因素有关。因而流体摩擦的摩擦系数是很小的。塑性加工中接触面上压力和温度较高，使润滑剂常易挤出或被烧掉，所以流体摩擦只在有条件的情况下发生作用流体摩擦只在有条件的情况下发生作用。本讲稿第八页，共三十一页本讲稿第九页，共三十一页3 3边界摩擦边界摩擦 这是一种介于干摩擦与流体摩擦之间的摩擦状态，称为边界摩擦。本讲稿第十页，共三十一页表面凸凹学说表面凸凹学说 所所有有经经过过机机械械加加工工的的表表面面并并非非绝绝对对平平坦坦光光滑滑，都都有有不不同同程程度度的的微微观观凸凸起起和和凹凹入入。当当凹凹凸凸不不平平的的两
5、两个个表表面面相相互互接接触触时时，产产生生机机械械咬咬合合。当当这这两两个个相相互互接接触触的的表表面面在在外外力力的的作作用用下下发发生生相相对对运运动动时时，相相互互咬咬合合的的部部分分会会被被剪剪断断，此此时时摩摩擦擦力力表表现现为为这这些些凸凸峰峰被被剪剪切切时时的的变变形阻力形阻力。4.4.4.4.摩擦机理摩擦机理摩擦机理摩擦机理 本讲稿第十一页，共三十一页分子吸附说分子吸附说 分分子子吸吸附附学学说说认认为为：摩摩擦擦产产生生的的原原因因是是由由于于接接触触面面上上分分子子之之间间的的相相互互吸吸引引的的结结果果。物物体体表表面面越越光光滑滑，实实际际接接触触面面积积就就越越大大
6、，接接触触面面间间的的距距离离也也就就越越小小，分分子子吸吸引引力力就就越越强强，因因此此，滑滑动动摩摩擦擦力力也也就就越越大。大。本讲稿第十二页，共三十一页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）摩擦力与滑动速度的大小无关；（3）静摩擦系数大于动摩擦系数。本讲稿第十三页，共三十一页 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
7、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。本讲稿第十四页，共三十一页2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 本讲稿第十五页，共三十一页4.4 摩擦系数及其影响因素 摩擦系数随金属性质、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 2.工具材料及
8、其表面状态 3.接触面上的单位压力 4.变形温度 5.变形速度 6.润滑剂本讲稿第十六页，共三十一页 1.金属的种类和化学成分 摩擦系数随着不同的金属、不同的化学成分而异。由于金属表面的硬度、强度、吸附性、扩散能力、导热性、氧化速度、氧化膜的性质以及金属间的相互结合力等都与化学成分有关，因此不同种类的金属，摩擦系数不同。用光洁的钢压头在常温下对不同材料进行压缩时测得摩擦系数：软钢为0.17，铝为0.18，黄铜为0.10，电解铜为0.17。本讲稿第十七页，共三十一页化学成分变化时，摩擦系数也不同。如钢中的碳含量增加时，摩擦系数会减小。一般说。随着合金元素的增加，摩擦系数下降。材料的强度、硬度越高
9、，摩擦系数就越小。材料的强度、硬度越高，摩擦系数就越小。因而，凡是能提高材料强度、硬度的化学成分因而，凡是能提高材料强度、硬度的化学成分都可以使摩擦系数减小。都可以使摩擦系数减小。本讲稿第十八页，共三十一页 2.工具材料及其表面状态本讲稿第十九页，共三十一页图4-6 正压力对摩擦系数的影响3.接触面上的单位压力本讲稿第二十页，共三十一页4.变形温度 温度较低时，金属的硬度大，氧化膜薄，摩擦系数小。随着温度升高，金属硬度降低，氧化膜增厚，表面吸附力、原子扩散能力加强；同时，高温使润滑剂性能变坏，所以，摩擦系数增大。当温度继续升高，由于氧化质软化和脱落，氧化质在接触表面间起润滑剂的作用，摩擦系数反
10、而减小。本讲稿第二十一页，共三十一页 变形速度的增加引起摩擦系数下降的原因，与摩擦状态有关。在于摩擦时，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。本讲稿第二十二页，共三十一页4.5 测定摩擦系数的方法夹钳轧制法楔形件压缩法塑性加工常用摩擦系数圆环镦粗法本讲稿第二十三页，共三十一页1.夹钳轧制法简单易做，也比较精确，可用来测定冷、热态下的摩擦系数简单易做，也比较精确，可用来测定冷、热态下的摩擦系数。RhH-=aa&sin本讲稿第二十四页，共三十一页2.2.楔形件压缩法楔形件压缩法与轧制过程及一般的平锤下
11、镦粗相似，应用较方便，主要困难是在于较难准与轧制过程及一般的平锤下镦粗相似，应用较方便，主要困难是在于较难准确的确定中立面的位置及精确的测定有关数据。确的确定中立面的位置及精确的测定有关数据。本讲稿第二十五页，共三十一页塑性加工常用摩擦系数热锻时的摩擦系数热锻时的摩擦系数磷化处理后冷锻的摩擦系数磷化处理后冷锻的摩擦系数拉深时的摩擦系数拉深时的摩擦系数热挤压时的摩擦系数热挤压时的摩擦系数本讲稿第二十六页，共三十一页4.6 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l减少工模具磨损，延长工具使用寿命l提高制品质量l降低金属变形时的能耗 润滑机理l流体力学原理l吸附机制本讲稿第二十七页，
12、共三十一页润滑剂的选择 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）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）有良好耐高温性能，热加工时不分解不变质；（3）润滑剂有冷却模具的作用；（4）润滑剂不应对金属和模具有腐蚀作用；（5）润滑剂应对人体无毒，不污染环境；（6）使用、清理方便、来源丰富、价格便宜等。本讲稿第二十八页，共三十一页2常用的润滑剂l液体润滑剂 包括矿物油、动植物油、乳液等l固体润滑剂 包括石墨、二硫化钼、肥皂等l液-固型润滑剂 包括二硫化钼油剂等l熔体润滑剂 包括玻璃、沥青、石蜡等本讲稿第二十九页，共三十一页
13、润滑剂中的添加剂 目目的的：为为了了提提高高润润滑滑剂剂的的耐耐磨磨、润润滑滑和和防防腐腐等等性性能能，需需在在润润滑滑油油中中加加入入少少量量的活性物质，这些活性物质称为添加剂。的活性物质，这些活性物质称为添加剂。要要求求：一一般般应应易易溶溶于于机机油油，热热稳稳定定性性要要好好，且且应应具具有有良良好好的的物物理理化化学学性性能能，常常用用的的添加剂有油性剂、极压剂、抗磨剂和防锈剂等。添加剂有油性剂、极压剂、抗磨剂和防锈剂等。本讲稿第三十页，共三十一页润滑方法的改进润滑方法的改进1流体润滑2表面处理（1）表面磷化处理 表面形成多孔磷化膜以吸附润滑剂。（2）表面氧化处理 表面形成多孔氧化膜以吸附润滑剂。（3）表面镀层 较软的镀膜可以直接作为润滑剂。凹模套管润滑剂毛坯图4-20 强制润滑拉拔示意图冲头润滑剂凹模毛坯图4-21 反挤压时的润滑情况本讲稿第三十一页，共三十一页