第6章 金属塑性成形中的摩擦

高度H
此法较简单，不需测定压力，也不需制备许多压头
和试件。可测定各种温度、速度条件下的摩擦系数， 应用广泛。但由于圆环试件在镦粗时会出现鼓形。 环孔出现椭圆形等，引起测量上的误差，影响结果 的精确性。
塑性加工常用摩擦系数 热锻时的摩擦系数
材料 45 钢 坯料温度 （℃） 1000 1200 400 不同润滑剂的 值 无润滑 0. 37 0. 43 无润滑 0. 48 汽缸油 +10%石墨 0. 09 炭 末 0. 18 0. 25 胶体石墨 0. 10 精制石蜡 +10%石墨 0. 09 机油石墨 0. 29 0. 31 精制石蜡 0. 16
第6章 金属塑性成形中的摩擦和润滑
第6章 金属塑性成形中的摩擦和润滑 §6.1 金属塑性加工时摩擦的特点 §6.2 塑性加工中摩擦的分类及机理 §6.3 摩擦系数及其影响因素
§6.4 测定摩擦系数的方法
§6.5 塑性成形中的润滑
6.1 金属塑性加工中的摩擦特点与影响
1 塑性成形时摩擦的特点 1）接触面单位压力大 热加工:100~150MPa，冷加工: 50~2500MPa。润滑剂难以带入或易从变形区挤出，即润滑困难 及润滑方法特殊。 2）接触面温度较高 热加工温度：800~1200℃，冷加工：200 300℃ 。内部组织和性能变化，表面氧化，润滑剂受影响。 3）接触面更新和分区 工具与金属间接触条件改变。接触面上各 处塑性流动不同，有滑动、粘着，有快、慢，接触面上各点 摩擦不同。 4）摩擦副性质差别大，工具无塑性变形、组织不发生变化；工 件较大塑性变形。二者性质与作用差异大，变形摩擦特殊。
Q
2
H h 2
R T Px Nx Ny N
P Py
H

T 2Px 2 N x
其中： Px P sin , N x P cos
2


2
图 13-8 夹钳轧制法
推出：
P
2( cos

T 2 sin

2
)
h
轧辊打滑时，板料试样在垂直方向所受的力平衡条件为：
其中：
Py P cos

2
Py N y Q
, N y P sin

2

又因为：
P
2( cos

T 2 sin

2
)
把以上参数胡代入垂直方向的力平衡条件中，得：
T tan 2 2 2 2Q T 2Q cos T sin 1 tan 2 2 2Q 2 T cos

其数学表达式为： F N 或 N 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 好的冷加工过程，此定律较适用。
认为与轧制过程及一般的平锤下镦粗相似，故可用来确 定这两种过程中的摩擦系数。此法应用较方便，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。
3 圆环镦粗法 该方法是把一定尺寸的圆环试样（如D：do：H= 20 ： 10 ： 7 ）放在平砧上镦粗。由于试样和砧面间摩擦系数的 不同，圆环的内、外径在压缩过程中将有不同的变化。在 任何摩擦情况下，外径总是增大的，而内径则随摩擦系数 而变化，或增大或缩小。
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。
3. 接触面上的单位压力
单位压力较小时，μ 可以认为是常数。 单位压力↑，μ ↑
0.14 0.13
0.12
0.11 0.10 0.09
摩 擦 系数μ0.08
0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0 N/mm2
200
600
1000
1400
1800
2200
正压力对摩擦系数的影响
当 角很小时， 2
sin



2
,
cos

2
1
L' c L" c L" c L' c 2 2
由（4. 15）式得：

( L'c L"c )

2 ( L'c L"c )
当
角已知，并在实验后能测出 L'
c
及 L"c 的长度，
即可按公式（4. 16）算出摩擦系数。 此法的实质可以
D d0 h H D d0 Rn
h
H
（a） 图13-9 圆环镦粗时金属的流动
（b）
用上限法或应力分析法可求出分 流面半径Rn、摩擦系数µ和圆环尺寸的 理论关系式。据此可绘制成如图13-10 所示的理论校准曲线。 欲测摩擦系数时，把试件做成图 13-10 所示的尺寸，在特定的条件下 进行多次镦粗，每次应取很小的压下 量，记下每次镦粗后圆环的高度 H 和 内径 do 。可利用图 13-10 理论校正曲 线，查到欲测接触面间的摩擦系数 µ 。
夹钳轧制法 楔形件压缩法 圆环镦粗法

利用库伦定律
求正应力、剪条件。 实验方法：用钳子夹住板材的未轧入部 分，钳子的另一端与测力仪相联，由该 测力仪可测得轧辊打滑时的水平力T和轧 制力Q。 轧辊打滑时，板料试样在水平方向 所受的力平衡条件为：
2Q sin
式中，接触角 可用几关系算出：

H h R
由于T、Q可测得，即求出摩擦系数 。
2 楔形件压缩法
在倾斜的平锤头间塑压楔型试件，可根据试件变形情况以确定摩 擦系数。 如图4-11所示，试件受塑压时，水平方向的尺寸要扩大。按照金 属流动规律，接触表面金属质点要朝着流动阻力最小的方向流动， 因此，在水平方向的中间，一定有一个金属质点朝两个方向流动 的分界面——中立面，那么根据图示建立力的平衡方程时，可得 出： 设锤头倾角为 ，试件的宽度为b，平均单位压力为P，那么
6. 润滑剂


润滑剂作用: 防粘减摩,减少工模具磨损。 不同润滑剂所起的效果不同 热挤压时的摩擦系数
润 滑
无润滑 μ值 铜 黄 铜 青 铜 铝
0.28
铝合金
0.35
镁合金
0. 28
0. 25 0. 18~0.27 0. 27~0.29
石墨+油
比上面相应数值降低0. 030~0. 035
§6.4 测定摩擦系数的方法
P' x PbL 'c sin
T ' x PbL ' c cos
P' x P" x T " x T ' x


2
P" x PbL "c sin

2
2
T " x PbL " c cos

2
将这些数值代入（4. 9）式并化简后，得： L' c sin L" c sin L" c cos L' c cos 2 2 2 2
4 .变形温度
0.5
μ
0.4 0.3 0.2 0.2 0.1
0
0.4
0
℃
200
400
600
800
400
600
800
℃
温度对钢的摩擦系数的影响 温度对铜的摩擦系数的影响
5.变形速度
随着变形速度的增加，摩擦系数下降。
0.20 0.15 0.10 0.05 0
500
轧制速度v, m/min
1000
轧制速度对摩擦系数的影响 1—压下率60%，润滑油中无添加剂； 2—压下率60%，润滑油中加入酒精； 3—压下率25%，润滑油中加入酒精
μ =0.5—按屈雷斯加屈服准则。 μ =0.577—按密席斯屈服准则。
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
此时，只是较软金属（金属）粘附于硬金属（工具）发 生剪切变形。热变形常采用最大摩擦条件。
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： =m· k 式中，m为摩擦因子 0～1

铜 0. 25 黄 铜 0. 18~0.27 青 铜 0. 27~0.29
值
铝 0.28
铝合金 0.35
镁合金 0. 28
比上面相应数值降低 0. 030~0. 035
§6.5 塑性成形中的润滑 工艺润滑的目的及润滑机理 润滑的目的 减少工模具磨损，延长工具使用寿命 提高制品质量 降低金属变形时的能耗
N
在塑性成形中，当摩擦应力达到被加工坯料的最大剪应力K 时，坯料相对于工具的滑动将停滞而转变为坯料内部晶体 的滑移，摩擦应力不再增加。 这时， k ,固 S
N
K 0.5 ~ 0.577 S
式中
屈服时的最大剪应力 K S 2 按密席斯准则，K （ 0 . 5 ~ 0 . 577 ） S
2 外摩擦在压力加工中的作用
外摩擦大多数有害，主要为： 1）改变物体应力状态，增加变形抗力和能耗。一般情况下，摩 擦加大使负荷增加30%。 2）引起工件变形与应力分布不均匀 3）恶化工件表面质量 4）加速模具磨损，降低工具寿命。