金屬壓力加工中的干摩擦理論

2金屬壓力加工中的干摩擦理論

本章要求1了解金屬壓力加工中干摩擦理論2理解掌握金屬壓力加工中的摩擦機(jī)理3掌握生產(chǎn)中摩擦的利用潤(rùn)滑的效果：潤(rùn)滑油填充凹谷，減少了表面凸起的穿插深度。表面越粗糙，外壓力越大，表面凸起相互作用穿插越深，摩擦阻力就越大。由于這一理論完全是從表面的微觀幾何形狀以及這種表面凹凸不平的機(jī)械作用出發(fā)，故有機(jī)械（幾何）或變形摩擦理論之稱。根據(jù)圖2-1，假設(shè)兩表面的凹凸完全處于彼此嚙合的狀態(tài)。那么，當(dāng)上面的B物體相對(duì)下面的A物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，則B首先要沿著A物體凸起的斜面，克服N力作用而被抬起、越過(guò)A物體凸起的頂端。此時(shí)，相當(dāng)于物體在斜面上的摩擦，其開(kāi)始滑動(dòng)時(shí)的前摩擦系數(shù)有靜=tans由此看見(jiàn)，摩擦系數(shù)的大小只取決于s，即取決于物體表面的幾何形態(tài)，而與載荷及接觸面積的大小無(wú)關(guān)。但是，實(shí)際上如圖2-1所示嚙合狀態(tài)的理想表面是不存在的，而且?guī)靵鲎约涸谡砟Σ亮εc正壓力之間關(guān)系的試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，也曾寫出一個(gè)試驗(yàn)式F=A+1N式中1---一種摩擦系數(shù)；A------一個(gè)與正應(yīng)力的平方根成正比的常數(shù)。因此，作為整體的摩擦系數(shù)，其表達(dá)式有=1+由上式不難看出，當(dāng)正壓力很小時(shí)，摩擦系數(shù)顯得較大，在-N曲線中，存在一個(gè)“高摩擦系數(shù)區(qū)”，然后隨正壓力的增加而降低，并趨近于某已定值（圖2-2）。上式中A的本質(zhì)是粘著力，但當(dāng)時(shí)庫(kù)侖并不知道這一點(diǎn)。正由于這樣，他任何時(shí)候都把這個(gè)A看作是摩擦力中輔助性的、偶然的數(shù)值，予以輕視與忽略。圖2-2干摩擦過(guò)程中f、n與間的關(guān)系曲線但是，實(shí)際的粗糙表面相接觸時(shí)，表面凸起的相互作用穿插（機(jī)械嚙合）以及表面凸起間的壓接是兼而有之。摩擦是這兩種機(jī)制同時(shí)在起作用的結(jié)果，摩擦阻力是克服機(jī)械嚙合、使凸起變形的阻力Fd與切斷粘著點(diǎn)需力Fa的總合，即F=Fa+Fd用摩擦系數(shù)表示，則=d+a設(shè)在接觸面上i點(diǎn)處的接觸面積為Ai，切斷粘著點(diǎn)之剪切應(yīng)力為si,整個(gè)接觸面積之真實(shí)接觸面積為Ar,平均剪切應(yīng)力為s，接觸點(diǎn)數(shù)目為n，則由于粘著而產(chǎn)生的摩擦阻力為Fa=即使C、D粘著點(diǎn)被切斷，而表面仍不能自由地相對(duì)運(yùn)動(dòng)，還要克服表面凹凸機(jī)械嚙合，如圖中B凸起點(diǎn)的阻力。若上表面材料比下表面材料更硬，那么B將變形，這就是上表面凸起對(duì)下表面的“犁削”過(guò)程。如果把這種阻力稱為變形阻力或“犁削力”Fp，而且假設(shè)在上表面有在j處出現(xiàn)B的情況，則有2.3影響金屬壓力加工中外摩擦的因素

在金屬壓力加工中，除了有一般滑動(dòng)摩擦中所出現(xiàn)的共同現(xiàn)象外，還有許多固有的特性。其中最主要的一點(diǎn)就是摩擦阻力產(chǎn)生于基體金屬塑性變形且沿工具表面流動(dòng)的過(guò)程中。因此，阻止這種流動(dòng)的摩擦應(yīng)力的大小，與變形區(qū)中金屬所處的應(yīng)力－應(yīng)變狀態(tài)有關(guān)，即與變形過(guò)程的力學(xué)條件有關(guān)。此外，金屬塑性流動(dòng)出現(xiàn)的接觸摩擦應(yīng)力的大小及分布，反過(guò)來(lái)又對(duì)金屬變形特點(diǎn)產(chǎn)生很大影響。壓力加工中普遍存在的不均勻變形現(xiàn)象正是與外摩擦的作用密切相關(guān)。研究表明，影響壓力加工中外摩擦應(yīng)力的因素可區(qū)分為兩類：1）工具表面與變形金屬表面狀態(tài)以及它們之間的物理－化學(xué)或機(jī)械交互作用，接觸界面物質(zhì)（潤(rùn)滑劑、氧化膜）的存在。----影響摩擦過(guò)程。2）接觸表面金屬力學(xué)性質(zhì)以及應(yīng)力－應(yīng)變狀態(tài)。-----影響摩擦應(yīng)力沿接觸表面的分布及大小。金屬壓力加工時(shí)，在接觸表面上某一點(diǎn)處的摩擦應(yīng)力數(shù)值取決于：表面上的力學(xué)條件、變形材料的流變性質(zhì)、摩擦表面狀態(tài)等。通?？梢杂孟铝泻瘮?shù)表示這種關(guān)系f＝f（U，n，M，）式中U----考慮了接觸表層某點(diǎn)處金屬的接觸滑移與變形的因素；

n---研究點(diǎn)處的正應(yīng)力狀況；M----考慮了變形金屬的力學(xué)性質(zhì)與變形溫度-速度及變形程度關(guān)系的因素；-----接觸表面的物理-化學(xué)與力學(xué)狀態(tài)的特性。對(duì)于接觸表面分三區(qū)時(shí)的金屬質(zhì)點(diǎn)流動(dòng)界面、正應(yīng)力及摩擦應(yīng)力大小的分布曲線示于圖2-8。圖2-10還示出了這種理想化表面在外力作用下與金屬表面的接觸過(guò)程。開(kāi)始外力較小，表面凸起為彈性接觸（a）；隨N的增大，在較軟金屬內(nèi)出現(xiàn)逐漸擴(kuò)大的塑性區(qū)（b、c）；以至最后塑性區(qū)相互交錯(cuò)，并擴(kuò)及整個(gè)金屬基體，出現(xiàn)金屬的塑性流動(dòng)。ac階段：=ss/H,與N無(wú)關(guān)，，阿芒頓－庫(kù)侖定律所描述的，適應(yīng)與負(fù)荷較輕階段。d階段:塑性區(qū)交錯(cuò)，降低，表層的剪切流動(dòng)，阿芒頓－庫(kù)侖定律不適應(yīng)。M.C.肖提出的，阿芒頓－庫(kù)侖定律不完全適用金屬壓力加工過(guò)程，以及壓力加工過(guò)程中的摩擦主要由于層下金屬塑性流動(dòng)的觀點(diǎn)，與И.Я.塔爾諾夫斯基觀點(diǎn)是一致的。而且圖2-10中彈性區(qū)E存在的必然性，對(duì)于解釋實(shí)際生產(chǎn)中有些坯料表面已有的劃痕等表面缺陷，即使經(jīng)過(guò)很大的變形也難以完全消除的現(xiàn)象（存在潤(rùn)滑劑時(shí)更明顯），也是頗有意義的。2.6金屬壓力加工中的外摩擦

種類及其影響在實(shí)際的金屬壓力加工生產(chǎn)中，由于變形方式不同，特點(diǎn)各異，情況要復(fù)雜得多。而且變形的工藝條件（變形溫度、變形程度，及變形速度）又苛刻多變。因此在金屬壓力加工中。按接觸界面的狀態(tài)，可能出現(xiàn)如下摩擦類型：干摩擦，流體潤(rùn)滑摩擦和邊界摩擦。干摩擦實(shí)際是指表面上沒(méi)有潤(rùn)滑劑的摩擦。潤(rùn)滑較困難的鐓、鍛過(guò)程，無(wú)潤(rùn)滑擠壓鋁及鋁合金以及其他任何不加潤(rùn)滑劑的加工過(guò)程，都可能出現(xiàn)干摩擦的狀態(tài)。邊界摩擦是指由于潤(rùn)滑劑對(duì)金屬表面的物理、化學(xué)吸附作用，形成一層只有幾個(gè)分子厚的邊界潤(rùn)滑膜的摩擦。流體潤(rùn)滑摩擦是指在接觸界面上存在一層較厚的流體潤(rùn)滑膜，摩擦發(fā)生在潤(rùn)滑膜內(nèi)。在高速軋制與拉拔生產(chǎn)時(shí)容易出現(xiàn)這種狀態(tài)。由于壓力加工時(shí)摩擦條件比較惡劣，理想的流體潤(rùn)滑及邊界潤(rùn)滑狀態(tài)較難出現(xiàn)。整個(gè)接觸面上為單一的摩擦潤(rùn)滑狀態(tài)較少，多為混合狀態(tài)。如流體－邊界摩擦、邊界－干摩擦以及流體－干摩擦等。比如，有人認(rèn)為在高速冷軋以及拉拔時(shí)，分別測(cè)出摩擦系數(shù)為0.02～0.03及0.04～0.09，較一般的邊界潤(rùn)滑的摩擦系數(shù)（油脂系數(shù)潤(rùn)滑油為0.1～0.2、礦物油為0.2～0.3）低一個(gè)數(shù)量級(jí)，從而認(rèn)為加工過(guò)程是處于流體潤(rùn)滑摩擦狀態(tài)。然而，在這兩種情況下卻同樣可觀察到軋輥或模具上粘附金屬微粒及在潤(rùn)滑油中存在散落的金屬磨損粒子。這就表明，上述的加工過(guò)程實(shí)際是處在一種以流體潤(rùn)滑摩擦為主，并出現(xiàn)邊界摩擦、甚至有干摩擦的混合摩擦狀態(tài)。對(duì)于加工過(guò)程中的上述各類摩擦，就其摩擦的規(guī)律，可歸結(jié)到如下兩個(gè)摩擦定律：⑴阿芒頓－庫(kù)侖摩擦定律。摩擦應(yīng)力正比于法向應(yīng)力，摩擦系數(shù)為常量，故又成常摩擦系數(shù)定律。對(duì)于水靜壓強(qiáng)度較小的沖壓、拉拔以及其他潤(rùn)滑效果較好的加工過(guò)程，此定律較適用。⑵常摩擦應(yīng)力摩擦定律。在面壓較高的擠壓以及潤(rùn)滑較困難的熱軋等變形過(guò)程中，由于金屬的剪切流動(dòng)主要出現(xiàn)在次表層內(nèi)，故有τf＝τs，摩擦應(yīng)力為相應(yīng)變形條件下金屬的性能參數(shù)。在實(shí)際金屬壓力加工過(guò)程中，接觸面上的摩擦規(guī)律，除與接觸表面的狀態(tài)（粗糙度、潤(rùn)滑劑等）有關(guān)外，還與變形區(qū)幾何因子密切相關(guān)，在某些條件下出現(xiàn)同一接觸面上存在常摩擦系數(shù)區(qū)與常摩擦應(yīng)力區(qū)的混合摩擦狀態(tài)。這些對(duì)于進(jìn)行變形力能計(jì)算時(shí)求解有關(guān)方程的邊界條件是十分重要的。接觸界面上的外摩擦對(duì)金屬壓力加工過(guò)程帶來(lái)很大的影響：使金屬變形時(shí)金屬的實(shí)際變形抗力增大，力能消耗加大；引起金屬不均勻變形，影響制品性能，降低生產(chǎn)成品率；使加工工模具磨損加大，進(jìn)而影響制品尺寸精度，并增加生產(chǎn)成本。在金屬壓力加工過(guò)程中很容易發(fā)生工具與變形金屬間的粘著（焊合）。相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，如果切斷發(fā)生在粘著點(diǎn)的深部，那就會(huì)出現(xiàn)金屬微粒的轉(zhuǎn)移，工具表面粘附著變形金屬，結(jié)果改變摩擦表面狀態(tài)與性質(zhì)。若工具表面粘附變形金屬嚴(yán)重，甚至?xí)兂伞巴N金屬間的摩擦?！币虼?，工具表面粘附金屬后，會(huì)增大摩擦與變形力能消耗，損傷制品表面，縮短工具壽命。在金屬壓力加工的摩擦過(guò)程中同樣伴隨有磨損現(xiàn)象。上述工具表面粘附金屬的過(guò)程，就是加工制品的粘著磨損過(guò)程，只是由于對(duì)制品而言，往往是發(fā)生在一個(gè)或幾個(gè)道次中，故磨損本身并不為人們所重視。加工所用的工模具，雖然其硬度比變形金屬高得多，但由于往往是在高壓、高速以及高溫條件下連續(xù)使用，其表面通過(guò)質(zhì)點(diǎn)轉(zhuǎn)移到變形金屬上或粘附金屬一起脫落等過(guò)程，出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，結(jié)果不僅影響制品表面質(zhì)量與尺寸精度，而且增加工具消耗，提高生產(chǎn)成本。2.7生產(chǎn)中摩擦有效性的利用在實(shí)際生產(chǎn)中，摩擦并非是百害無(wú)益的東西，有時(shí)可以直接加以利用，有時(shí)則設(shè)法變害為利，這就是生產(chǎn)中利用外摩擦有效性的問(wèn)題。在實(shí)際生產(chǎn)中，通常也并非摩擦越小越好，對(duì)潤(rùn)滑劑的要求則是適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑性與良好的綜合性能。在開(kāi)坯軋制中，增大摩擦可以改變咬如條件，強(qiáng)化軋制過(guò)程；在沖壓生產(chǎn)中增大沖頭與板片之間的摩擦可以強(qiáng)化生產(chǎn)工藝，減少由于縮頸沖裂等造成的廢品；無(wú)潤(rùn)滑擠壓或增加擠壓墊片端面摩擦阻力等措施，有利于減少制品中“擠壓縮尾”。在精軋板帶材時(shí)，為了提高成品表面光潔度，人們常使用粘度較小的所謂“薄油”，以利用軋輥對(duì)其表面的磨光作用。類似例子在實(shí)際生產(chǎn)中是很多的。近年來(lái)，在深入研究接觸摩擦規(guī)律，尋找有效潤(rùn)滑劑和潤(rùn)滑方法來(lái)減少摩擦有害影響的同時(shí)，積極開(kāi)展了利用摩擦有效性的研究。所謂摩擦有效性，就是通過(guò)強(qiáng)制改變和控制工具與變形金屬接觸滑移運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，使摩擦應(yīng)力能促進(jìn)金屬的變形發(fā)展。通過(guò)接觸滑移運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，使摩擦應(yīng)力能促進(jìn)金屬的變形發(fā)展。通過(guò)這種方法可以減少或消除摩擦力的有害影響。2.7.1有效摩擦力擠壓法有效摩擦力擠壓法的特點(diǎn)，在于擠壓筒前進(jìn)的速度ν比擠壓桿的前進(jìn)速度ν快，使坯料表面上的摩擦力方向指向金屬流動(dòng)方向，摩擦力產(chǎn)生有效作用。此時(shí)，K＝ν筒/ν桿>1可作為實(shí)現(xiàn)有效摩擦力擠壓法的運(yùn)動(dòng)學(xué)條件。當(dāng)K＝1.05～1.10時(shí)，表層金屬流動(dòng)不顯著；K＝1.4～1.6時(shí)，金屬流動(dòng)發(fā)生根本性變化，變形擴(kuò)及到整個(gè)坯料體內(nèi)，同時(shí)多半是壓縮變形，大大減少了變形不均勻分布。因此，當(dāng)選擇K值適當(dāng)，有效摩擦作用達(dá)到最大時(shí)，可以完全消除擠壓縮尾現(xiàn)象。研究表明，反向擠壓、有效摩擦力擠壓以及通常使用的正向擠壓法的最大總擠壓力之比為1：1.3：1.7。采用有效摩擦力擠壓法對(duì)難變形的LY12、LF6及LD8等鋁合金特別有效。與正向無(wú)潤(rùn)滑擠壓相比，有效摩擦力擠壓法能：降低擠壓力15～20％，保證制品性能所需要的最低延伸系數(shù)可降到2.5～3.0，提高金屬流出速度3～5倍，擠壓機(jī)生產(chǎn)能力可提高1～1.5倍，大大提高制品的成品率和質(zhì)量。2.7.2異步軋制法目前在薄帶材生產(chǎn)中采用一種稱為異步軋制的方法。異步軋制是指兩個(gè)軋輥速度不等的軋制過(guò)程，其速差可以由兩工作輥輥徑或轉(zhuǎn)速的不等而產(chǎn)生。在一般軋制過(guò)程中，由于金屬相對(duì)軋輥表面滑動(dòng)而產(chǎn)生的摩擦力的方向如圖2-13a所示，在前后滑區(qū)內(nèi)的摩擦力方向，均與金屬滑移方向相反，即均指向中性面。在異步軋制條件下（圖2-13b），如果上軋輥表面線速度比下輥的大，那么它的運(yùn)動(dòng)就可能超前于與其接觸的金屬表面質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，因此，金屬上表面的摩擦力方向總是朝前的。反之，下接觸面的摩擦力方向卻總