1、2金屬壓力加工中的干摩擦理論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理理解掌握金屬壓力加工中的摩擦機理3掌握生產中摩擦的利用掌握生產中摩擦的利用 潤滑的效果：潤滑的效果：潤滑油填充凹谷，減少了表潤滑油填充凹谷，減少了表面凸起的穿插深度。面凸起的穿插深度。 表面越粗糙，外壓力越大，表面凸起相表面越粗糙，外壓力越大，表面凸起相互作用穿插越深，摩擦阻力就越大。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械作用出發，狀以及這種表面

2、凹凸不平的機械作用出發，故有機械（幾何）或變形摩擦理論之稱。故有機械（幾何）或變形摩擦理論之稱。 根據圖根據圖2-1，假設兩表面的凹凸完全處于彼，假設兩表面的凹凸完全處于彼此嚙合的狀態。那么，當上面的此嚙合的狀態。那么，當上面的B物體相對物體相對下面的下面的A物體運動時，則物體運動時，則B首先要沿著首先要沿著A物物體凸起的斜面，克服體凸起的斜面，克服N力作用而被抬起、越力作用而被抬起、越過過A物體凸起的頂端。此時，相當于物體在物體凸起的頂端。此時，相當于物體在斜面上的摩擦，其開始滑動時的前摩擦系斜面上的摩擦，其開始滑動時的前摩擦系數有數有 靜靜=tan s 由此看見，摩擦系數的大小只由此看見，

3、摩擦系數的大小只取決于取決于 s，即取決于物體表面的幾何形態，而與載荷即取決于物體表面的幾何形態，而與載荷及接觸面積的大小無關。及接觸面積的大小無關。 但是，實際上如圖但是，實際上如圖2-1所示嚙合狀態的理想所示嚙合狀態的理想表面是不存在的，而且庫侖自己在整理摩表面是不存在的，而且庫侖自己在整理摩擦力與正壓力之間關系的試驗數據時，也擦力與正壓力之間關系的試驗數據時，也曾寫出一個試驗式曾寫出一個試驗式 F=A+ 1N 式中式中 1-一種摩擦系數；一種摩擦系數； A-一個與正應力的平方根成正比一個與正應力的平方根成正比 的常數。的常數。 因此，作為整體的摩擦系數，其表達式有因此，作為整體的摩擦系數

4、，其表達式有 = 1+NA 由上式不難看出，當正壓力很小時，摩擦由上式不難看出，當正壓力很小時，摩擦系數顯得較大，在系數顯得較大，在 -N曲線中，存在一個曲線中，存在一個“高摩擦系數區高摩擦系數區”，然后隨正壓力的增加，然后隨正壓力的增加而降低，并趨近于某已定值而降低，并趨近于某已定值 （圖（圖2-2）。）。 上式中上式中A的本質是粘著力，但當時庫侖的本質是粘著力，但當時庫侖并不知道這一點。正由于這樣，他任何時并不知道這一點。正由于這樣，他任何時候都把這個候都把這個A看作是摩擦力中輔助性的、偶看作是摩擦力中輔助性的、偶然的數值，予以輕視與忽略。然的數值，予以輕視與忽略。圖2-2 干摩擦過程中f

5、、n與間的關系曲線 但是，實際的粗糙表面相接觸時，表面凸但是，實際的粗糙表面相接觸時，表面凸起的相互作用穿插（機械嚙合）以及表面起的相互作用穿插（機械嚙合）以及表面凸起間的壓接是兼而有之。摩擦是這兩種凸起間的壓接是兼而有之。摩擦是這兩種機制同時在起作用的結果，摩擦阻力是克機制同時在起作用的結果，摩擦阻力是克服機械嚙合、使凸起變形的阻力服機械嚙合、使凸起變形的阻力Fd 與切斷與切斷粘著點需力粘著點需力Fa的總合，即的總合，即 F=Fa+Fd 用摩擦系數表示，則用摩擦系數表示，則 = d+ a 設在接觸面上設在接觸面上i點處的接觸面積為點處的接觸面積為Ai，切斷，切斷粘著點之剪切應力為粘著點之剪切

6、應力為 si,整個接觸面積之真整個接觸面積之真實接觸面積為實接觸面積為Ar,平均剪切應力為平均剪切應力為 s，接觸，接觸點數目為點數目為n，則由于粘著而產生的摩擦阻力，則由于粘著而產生的摩擦阻力為為 Fa= nisrsiiAA1 即使C、D粘著點被切斷，而表面仍不能自由地相對運動，還要克服表面凹凸機械嚙合，如圖中B凸起點的阻力。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下表面的“犁削”過程。如果把這種阻力稱為變形阻力或“犁削力”Fp，而且假設在上表面有在j處出現B的情況，則有mjpjpdfFF12.3 影響金屬壓力加工中外摩擦的因素影響金屬壓力加工中外摩擦的因素 在金屬壓力

7、加工中，除了有一般滑動摩擦在金屬壓力加工中，除了有一般滑動摩擦中所出現的共同現象外，還有許多固有的特性。中所出現的共同現象外，還有許多固有的特性。其中最主要的一點就是其中最主要的一點就是摩擦阻力產生于基體金屬摩擦阻力產生于基體金屬塑性變形且沿工具表面流動的過程中。塑性變形且沿工具表面流動的過程中。 因此，阻止這種流動的摩擦應力的大小，與變因此，阻止這種流動的摩擦應力的大小，與變形區中金屬所處的應力應變狀態有關，即與變形區中金屬所處的應力應變狀態有關，即與變形過程的力學條件有關。此外，金屬塑性流動出形過程的力學條件有關。此外，金屬塑性流動出現的接觸摩擦應力的大小及分布，反過來又對金現的接觸摩擦應

8、力的大小及分布，反過來又對金屬變形特點產生很大影響。壓力加工中普遍存在屬變形特點產生很大影響。壓力加工中普遍存在的不均勻變形現象正是與外摩擦的作用密切相關。的不均勻變形現象正是與外摩擦的作用密切相關。 研究表明，影響壓力加工中外摩擦應力的因素可區分為兩類：1）工具表面與變形金屬表面狀態以及它們之間的物理化學或機械交互作用，接觸界面物質（潤滑劑、氧化膜）的存在。-影響摩擦過程。2）接觸表面金屬力學性質以及應力應變狀態。-影響摩擦應力沿接觸表面的分布及大小。 金屬壓力加工時，在接觸表面上某一點處的摩擦應力數值取決于：表面上的力學條件、變形材料的流變性質、摩擦表面狀態等。通常可以用下列函數表示這種關

9、系 ff（U，n，M，） 式中 U-考慮了接觸表層某點處金屬的接觸滑移與 變形的因素； n-研究點處的正應力狀況； M-考慮了變形金屬的力學性質與變形溫度-速 度及變形程度關系的因素； -接觸表面的物理-化學與力學狀態的特性。 對于接觸表面分三區時的金屬質點流動界面、正應力及摩擦應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程。開始外力較小，表面凸起為彈性接觸（a）；隨N的增大，在較軟金屬內出現逐漸擴大的塑性區（b、c）；以至最后塑性區相互交錯，并擴及整個金屬基體，出現金屬的塑性流動。 ac階段： = ss/H,與與N無關，無關， ，阿芒頓庫侖

10、定律所描述的，適應與負荷較輕階段。d階段:塑性區交錯， 降低，降低，表層的剪切流動，阿芒頓庫侖定律不適應。M.C.肖提出的，阿芒頓庫侖定律不完全適用金屬壓力加工過程，以及壓力加工過程中的摩擦主要由于層下金屬塑性流動的觀點，與.塔爾諾夫斯基觀點是一致的。而且圖2-10中彈性區E存在的必然性，對于解釋實際生產中有些坯料表面已有的劃痕等表面缺陷，即使經過很大的變形也難以完全消除的現象（存在潤滑劑時更明顯），也是頗有意義的。2.6金屬壓力加工中的外摩擦金屬壓力加工中的外摩擦種類及其影響種類及其影響 在實際的金屬壓力加工生產中，由于變形在實際的金屬壓力加工生產中，由于變形方式不同，特點各異，情況要復雜得

11、多。方式不同，特點各異，情況要復雜得多。而且變形的工藝條件（變形溫度、變形程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，可能屬壓力加工中。按接觸界面的狀態，可能出現如下摩擦類型：出現如下摩擦類型：干摩擦，流體潤滑摩擦和邊界摩擦干摩擦，流體潤滑摩擦和邊界摩擦。干摩擦實際是干摩擦實際是指表面上沒有潤滑劑的摩擦指表面上沒有潤滑劑的摩擦。潤滑。潤滑較困難的鐓、鍛過程，無潤滑擠壓鋁及鋁合金以較困難的鐓、鍛過程，無潤滑擠壓鋁及鋁合金以及其他任何不加潤滑劑的加工過程，都可能出現及其他任何不加潤滑劑的加工過程，都可

12、能出現干摩擦的狀態。干摩擦的狀態。邊界摩擦是指邊界摩擦是指由于潤滑劑對金屬表面的物理、化由于潤滑劑對金屬表面的物理、化學吸附作用，形成一層只有幾個分子厚的邊界潤學吸附作用，形成一層只有幾個分子厚的邊界潤滑膜的摩擦。滑膜的摩擦。流體潤滑摩擦是指流體潤滑摩擦是指在接觸界面上存在一層較厚的在接觸界面上存在一層較厚的流體潤滑膜，摩擦發生在潤滑膜內流體潤滑膜，摩擦發生在潤滑膜內。在高速軋制。在高速軋制與拉拔生產時容易出現這種狀態。與拉拔生產時容易出現這種狀態。 由于壓力加工時摩擦條件比較惡劣，理想的流由于壓力加工時摩擦條件比較惡劣，理想的流體潤滑及邊界潤滑狀態較難出現。整個接觸面上體潤滑及邊界潤滑狀態較

13、難出現。整個接觸面上為單一的摩擦潤滑狀態較少，多為混合狀態。如為單一的摩擦潤滑狀態較少，多為混合狀態。如流體邊界摩擦、邊界干摩擦以及流體干摩流體邊界摩擦、邊界干摩擦以及流體干摩擦等。擦等。 比如，有人認為在高速冷軋以及拉拔時，比如，有人認為在高速冷軋以及拉拔時，分別測出摩擦系數為分別測出摩擦系數為0.020.03及及0.040.09，較一般的邊界潤滑的摩擦系數（油，較一般的邊界潤滑的摩擦系數（油脂系數潤滑油為脂系數潤滑油為0.10.2、礦物油為、礦物油為0.20.3）低一個數量級，從而認為加工過程是）低一個數量級，從而認為加工過程是處于流體潤滑摩擦狀態。然而，在這兩種處于流體潤滑摩擦狀態。然而

14、，在這兩種情況下卻同樣可觀察到軋輥或模具上粘附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滑油中存在散落的金屬磨金屬微粒及在潤滑油中存在散落的金屬磨損粒子。這就表明，上述的加工過程實際損粒子。這就表明，上述的加工過程實際是處在一種以流體潤滑摩擦為主，并出現是處在一種以流體潤滑摩擦為主，并出現邊界摩擦、甚至有干摩擦的混合摩擦狀態。邊界摩擦、甚至有干摩擦的混合摩擦狀態。 對于加工過程中的上述各類摩擦，就其摩對于加工過程中的上述各類摩擦，就其摩擦的規律，可歸結到如下兩個摩擦定律：擦的規律，可歸結到如下兩個摩擦定律： 阿芒頓庫侖摩擦定律阿芒頓庫侖摩擦定律。摩擦應力正比。摩擦應力正比于法向應力，摩

15、擦系數為常量，故又成常于法向應力，摩擦系數為常量，故又成常摩擦系數定律。對于水靜壓強度較小的沖摩擦系數定律。對于水靜壓強度較小的沖壓、拉拔以及其他潤滑效果較好的加工過壓、拉拔以及其他潤滑效果較好的加工過程，此定律較適用。程，此定律較適用。 常摩擦應力摩擦定律常摩擦應力摩擦定律。在面壓較高的擠。在面壓較高的擠壓以及潤滑較困難的熱軋等變形過程中，壓以及潤滑較困難的熱軋等變形過程中，由于金屬的剪切流動主要出現在次表層內，由于金屬的剪切流動主要出現在次表層內，故有故有fs，摩擦應力為相應變形條件下金，摩擦應力為相應變形條件下金屬的性能參數。屬的性能參數。 在實際金屬壓力加工過程中，接觸面上的在實際金屬

16、壓力加工過程中，接觸面上的摩擦規律，除與接觸表面的狀態（粗糙度、摩擦規律，除與接觸表面的狀態（粗糙度、潤滑劑等）有關外，還與變形區幾何因子潤滑劑等）有關外，還與變形區幾何因子密切相關，在某些條件下出現同一接觸面密切相關，在某些條件下出現同一接觸面上存在常摩擦系數區與常摩擦應力區的混上存在常摩擦系數區與常摩擦應力區的混合摩擦狀態。這些對于進行變形力能計算合摩擦狀態。這些對于進行變形力能計算時求解有關方程的邊界條件是十分重要的。時求解有關方程的邊界條件是十分重要的。 接觸界面上的外摩擦對金屬壓力加工過程接觸界面上的外摩擦對金屬壓力加工過程帶來很大的影響：帶來很大的影響：使金屬變形時金屬的實際變形抗

17、力增大，使金屬變形時金屬的實際變形抗力增大，力能消耗加大；力能消耗加大；引起金屬不均勻變形，影響制品性能，降引起金屬不均勻變形，影響制品性能，降低生產成品率；低生產成品率；使加工工模具磨損加大，進而影響制品尺使加工工模具磨損加大，進而影響制品尺寸精度，并增加生產成本。寸精度，并增加生產成本。 在金屬壓力加工過程中很容易發生工具與在金屬壓力加工過程中很容易發生工具與變形金屬間的粘著（焊合）。相對滑動時，變形金屬間的粘著（焊合）。相對滑動時，如果切斷發生在粘著點的深部，那就會出如果切斷發生在粘著點的深部，那就會出現金屬微粒的轉移，工具表面粘附著變形現金屬微粒的轉移，工具表面粘附著變形金屬，結果改變

18、摩擦表面狀態與性質。若金屬，結果改變摩擦表面狀態與性質。若工具表面粘附變形金屬嚴重，甚至會變成工具表面粘附變形金屬嚴重，甚至會變成“同種金屬間的摩擦。同種金屬間的摩擦。”因此，工具表面因此，工具表面粘附金屬后，會增大摩擦與變形力能消耗，粘附金屬后，會增大摩擦與變形力能消耗，損傷制品表面，縮短工具壽命。損傷制品表面，縮短工具壽命。 在金屬壓力加工的摩擦過程中同樣伴隨有在金屬壓力加工的摩擦過程中同樣伴隨有磨損現象。上述工具表面粘附金屬的過程，磨損現象。上述工具表面粘附金屬的過程，就是加工制品的粘著磨損過程，只是由于就是加工制品的粘著磨損過程，只是由于對制品而言，往往是發生在一個或幾個道對制品而言，

19、往往是發生在一個或幾個道次中，故磨損本身并不為人們所重視。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，但由于往往是在形金屬高得多，但由于往往是在高壓、高高壓、高速以及高溫條件下連續使用，速以及高溫條件下連續使用，其表面通過其表面通過質點轉移到變形金屬上或粘附金屬一起脫質點轉移到變形金屬上或粘附金屬一起脫落等過程，出現嚴重磨損，結果不僅影響落等過程，出現嚴重磨損，結果不僅影響制品表面質量與尺寸精度，而且增加工具制品表面質量與尺寸精度，而且增加工具消耗，提高生產成本。消耗，提高生產成本。2.7生產中摩擦有效性的利用生產中摩擦有效

20、性的利用 在實際生產中，摩擦并非是百害無益的東在實際生產中，摩擦并非是百害無益的東西，有時可以直接加以利用，有時則設法西，有時可以直接加以利用，有時則設法變害為利，這就是生產中利用外摩擦有效變害為利，這就是生產中利用外摩擦有效性的問題。在實際生產中，通常也并非摩性的問題。在實際生產中，通常也并非摩擦越小越好，對潤滑劑的要求則是適當的擦越小越好，對潤滑劑的要求則是適當的潤滑性與良好的綜合性能。潤滑性與良好的綜合性能。 在開坯軋制中，增大摩擦可以改變咬如條在開坯軋制中，增大摩擦可以改變咬如條件，強化軋制過程；件，強化軋制過程； 在沖壓生產中增大沖頭與板片之間的摩擦在沖壓生產中增大沖頭與板片之間的摩

21、擦可以強化生產工藝，減少由于縮頸沖裂等可以強化生產工藝，減少由于縮頸沖裂等造成的廢品；無潤滑擠壓或增加擠壓墊片造成的廢品；無潤滑擠壓或增加擠壓墊片端面摩擦阻力等措施，有利于減少制品中端面摩擦阻力等措施，有利于減少制品中“擠壓縮尾擠壓縮尾”。 在精軋板帶材時，為了提高成品表面光潔在精軋板帶材時，為了提高成品表面光潔度，人們常使用粘度較小的所謂度，人們常使用粘度較小的所謂“薄油薄油”，以利用軋輥對其表面的磨光作用。類似例以利用軋輥對其表面的磨光作用。類似例子在實際生產中是很多的。子在實際生產中是很多的。 近年來，在深入研究接觸摩擦規律，尋找近年來，在深入研究接觸摩擦規律，尋找有效潤滑劑和潤滑方法來

22、減少摩擦有害影有效潤滑劑和潤滑方法來減少摩擦有害影響的同時，積極開展了利用摩擦有效性的響的同時，積極開展了利用摩擦有效性的研究。研究。所謂摩擦有效性，就是通過強制改所謂摩擦有效性，就是通過強制改變和控制工具與變形金屬接觸滑移運動的變和控制工具與變形金屬接觸滑移運動的特點，使摩擦應力能促進金屬的變形發展。特點，使摩擦應力能促進金屬的變形發展。通過接觸滑移運動的特點，使摩擦應力能通過接觸滑移運動的特點，使摩擦應力能促進金屬的變形發展。促進金屬的變形發展。通過這種方法可以通過這種方法可以減少或消除摩擦力的有害影響。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 有效摩擦力擠

23、壓法的特點，在于擠壓筒前進的速有效摩擦力擠壓法的特點，在于擠壓筒前進的速度度比擠壓桿的前進速度比擠壓桿的前進速度快，使坯料表面上的摩快，使坯料表面上的摩擦力方向指向金屬流動方向，摩擦力產生有效作擦力方向指向金屬流動方向，摩擦力產生有效作用。此時，用。此時，K筒筒/桿桿1可作為實現有效摩擦力可作為實現有效摩擦力擠壓法的運動學條件。當擠壓法的運動學條件。當K1.051.10時，表時，表層金屬流動不顯著；層金屬流動不顯著；K1.41.6時，金屬流動發時，金屬流動發生根本性變化，變形擴及到整個坯料體內，同時生根本性變化，變形擴及到整個坯料體內，同時多半是壓縮變形，大大減少了變形不均勻分布。多半是壓縮變

24、形，大大減少了變形不均勻分布。因此，當選擇因此，當選擇K值適當，有效摩擦作用達到最大值適當，有效摩擦作用達到最大時，可以完全消除擠壓縮尾現象。研究表明，反時，可以完全消除擠壓縮尾現象。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壓法的最大總擠壓力之比為1：1.3：1.7。采用有。采用有效摩擦力擠壓法對難變形的效摩擦力擠壓法對難變形的LY12、LF6及及LD8等等鋁合金特別有效。鋁合金特別有效。 與正向無潤滑擠壓相比，有效摩擦力擠壓與正向無潤滑擠壓相比，有效摩擦力擠壓法能：法能：降低擠壓力降低擠壓力1520，保證制品性能所需要的最低延伸系數可降保證制品性能所需要的最低延伸系數可降到到2.53.0，提高金屬流出速度提高金屬流出速度35倍，擠壓機生產能倍，擠壓機生產能力可提高力可提高11.5倍，倍，大大提高制品的成品率和質量。大大提高制品的成品率和質量。2.7.2異步軋制法異步軋制法 目前在薄帶材生產中采用一種稱為目前在薄帶材生產中采用一種稱為異步軋制的方法。異步軋制是指兩異步軋制的方法。異步軋制是指兩個軋輥速度不等的軋制過程，其速個軋輥速度不等的軋制過程，其速差可以由兩工作輥輥徑或轉速的不差可以由兩工作輥輥徑或轉速的不等而產生。在一般軋制過程中，由等而產生