金属塑性加工技术2-金属塑性加工的流动与变形规律

金属塑性加工原理与技术金 属 塑 性 加 工 原 理Principle of Plastic Deformation in Metals Processing 金属塑性加工原理与技术第 3章 金 属 塑 性 加 工 的 宏 观 规 律 3. 1 塑 性 流 动 规 律 （ 最 小 阻 力 定 律 ） 3. 2 影 响 金 属 塑 性 流 动 和 变 形 的 因 素 3. 3 不 均 匀 变 形 、 附 加 应 力 和 残 余 应 力 3. 4 金 属 塑 性 加 工 诸 方 法 的 应 力 与 变 形 特 点 3. 5 塑 性 加 工 过 程 的 断 裂 与 可 加 工 性 (归 入 金 属 学 基 础 ) 金属塑性加工原理与技术 3.1 塑 性 流 动 规 律 （ 最 小 阻 力 定 律 ）概 念 ： 最 小 阻 力 定 律最 小 周 边 法 则实 际 应 用 分 析 金属塑性加工原理与技术最 小 阻 力 定 律 变 形 过 程 中 ， 物 体 各 质 点 将 向着 阻 力 最 小 的 方 向 移 动 。 即 做 最 少 的功 ， 走 最 短 的 路 。 与 应 力 应 变 增 量 理 论 相 一 致(应 变 增 量 与 应 力 偏 量 成 正 比 ) 金属塑性加工原理与技术修 磨 圆 角 ， 减 少 阻 力增 加 飞 边 阻 力图 3-1 开 式 模 锻 的 金 属 流 动 金属塑性加工原理与技术俯 视 图 ， 外 力 P方 向 向 里接 触 面 上 质 点 向 周 边 流 动 的 阻力 与 质 点 离 周 边 的 距 离 成 正 比质 点 向 距 离 最 短 的 周 边 移 动 分 成 四 个 区流 动 的 结 果 是 变 成 椭 圆 形图 3-2 最 小 周 边 法 则 金属塑性加工原理与技术方 锭 变 圆（ a）（ b）B-B剖 面 （ c） 图 3-3 正 方 形 断 面 变 形 模 式 金属塑性加工原理与技术宽 展 多 于 延 伸 ， 拔 长 效 率 低延 伸 多 于 宽 展 ， 拔 长 效 率 高(俯 视 图 )图 3-4 拔 长 坯 料 的 变 形 模 式 金属塑性加工原理与技术（ D D， B 2 B2） 小 辊 径 大 辊 径小辊径D 延伸变形区大大辊径D宽展变形区大H、h、B 1相同时 B2B2图 3-6 辊 径 不 同 时 轧 件 变 形 区 纵 横 方 向 阻 力 图 金属塑性加工原理与技术轧件坯料宽度不同 B1B2H、h、D相同时：宽展部分相同而窄板延伸宽板延伸其结果导致窄板宽展率大，延伸率小图 3-5 不 同 宽 度 坯 料 轧 制 时 宽 展 情 况 金属塑性加工原理与技术 3. 2 影 响 金 属 塑 性 流 动 和 变 形 的 因 素 3. 2. 1 摩 擦 的 影 响 3. 2. 2 变 形 区 的 几 何 因 素 的 影 响3. 2. 3 工 具 的 形 状 和 坯 料 形 状 的 影 响 3. 2. 4 外 端 的 影 响3. 2. 5 变 形 温 度 的 影 响 3. 2. 6 金 属 性 质 不 均 的 影 响 金属塑性加工原理与技术摩 擦 影 响 的 实 质 ：由 于 摩 擦 力 的 作 用 ， 在 一 定 程 度 上 改 变 了 金 属 的流 动 特 性 并 使 应 力 分 布 受 到 影 响 。 金属塑性加工原理与技术镦 粗 时 摩 擦 力 对 变 形 及 应 力 分 布 的 影 响接 触 面 附 近 摩 擦 力 ， 中 心 大 ， 边 部 小变 形 分 成 三 个 区难 变 形 区 、 易 变 形 区 、 自 由 变 形 区三 个 区 的 主 应 力 图 有 区 别 ， 主 变 形 图 不 同1=2=3 1=2=3=00 2 = 133 0 1=2= - 3 /210 3 2 =0 1=-3 2= ？ 0思 考 ： 没 有 摩 擦 力 ， 怎 么 变 形 ？ 金属塑性加工原理与技术圆 柱 镦 粗 时 接 触 表 面 单 位 压 力 分 布 图用 有 孔 的 玻 璃 锤 头 压 缩 塑 料发 现 中 间 进 入 圆 孔 的 塑 料 高 度 高 于边 部从 边 缘 到 中 心 应 力 逐 渐 升 高 ，边 缘 应 力 等 于 屈 服 应 力试 样 高 /径 比 h/d越 小 ， 应 力 分 布越 不 均 匀思 考 ： 高 向 怎 么 变 化 ？ 金属塑性加工原理与技术a)变 形 前 b) 摩 擦 系 数 很 小 或 为 零 c) 有 摩 擦 圆 环 镦 粗 时 金 属 的 流 动 无 摩 擦 力 2 = 1=0 3 0 3 0 1= 2= - 3 /2有 摩 擦 力 2 、 10 3 0出 现 中 性 面 金属塑性加工原理与技术变 形 区 的 几 何 因 子 （ 如 H/D、 H/L、 H/B等 ）是 影 响 变 形 和 应 力 分 布 很 重 要 的 因 素 。描 述 变 形 区 的 几 何 形 状 的 参 数 金属塑性加工原理与技术球 压 缩 时 的 流 线45度 角 剪 切 最 大 ，屈 服 准 则 ， 滑 移 带 形 成 正 交 网 线形 成 变 形 锥随 变 形 程 度 ， 滑 移 带 向 内 、 外 扩 展向 外 深 入 ， 上 下 变 形 锥 相 交 金属塑性加工原理与技术内 部 质 点 滑 移 变 形 的 近 似 模 型变 形 锥 模 型向 内 ， 难 变 形 区 ， 摩 擦 力 影 响 ， 静 水 压 力 大向 外 ：当 H/D很 大 时 ， 滑 移 锥 不 相 交 ，离 接 触 面 越 远 ， 滑 移 线 不 容 易 到 达中 间 难 变 形 ， 形 成 双 鼓 形当 H/D较 小 时 ， 滑 移 锥 相 交 ，难 变 形 区 不 变 形 ，易 变 形 区 和 自 由 变 形 区 变 形形 成 单 鼓 形 当 H/D很 小 时 ， 滑 移 锥 相 互 干 涉 最 严 重 ，相 互 插 入 难 变 形 区 ， 变 形 较 均 匀 ，需 要 很 大 的 变 形 力 金属塑性加工原理与技术h2 为 各 种 数 值 时 的 情 况变 形 锥 之 间 距 离 h对 变 形 模 式 的 影 响 接 触 面 是 否 产 生 滑 动 与 摩 擦 力 和 变 形 因 子 有 关 ？ 金属塑性加工原理与技术变 形 几 何 因 子 的 思 考 变 形 是 否 深 入 取 决 于 H/D 接 触 面 是 否 滑 移 与 H/D密 切 相 关 可 以 解 释 几 何 因 子 影 响 变 形 力 ， 即 变 形 力 随 H/D减少 而 增 加 金属塑性加工原理与技术 工 具 （ 或 坯 料 ） 形 状 是 影 响 金 属 塑 性 流 动 方 向 的 重要 因 素 。 工 具 与 金 属 形 状 的 差 异 ， 是 造 成 金 属 沿 各 个 方向 流 动 的 阻 力 有 差 异 ， 因 而 金 属 向 各 个 方 向 的 流 动 （ 即变 形 量 ） 也 有 相 应 差 别 。 金属塑性加工原理与技术a) 圆 型 砧 （ zhen） b) V型 砧 c) 凸 型 砧 图 3-13 型 钻 中 拔 长圆 型 砧 和 V型 砧 不 利 于 宽 展拔 长 效 率 高凸 型 砧 利 于 宽 展 ， 拔 长 效 率 低 金属塑性加工原理与技术图 3-14 沿 孔 型 宽 度 上 延 伸 分 布 图方 形 坯 入 椭 圆 形 轧 孔 ， 沿宽 向 的 延 伸 不 均 匀 ， 易 造成 制 品 歪 扭 金属塑性加工原理与技术 外 端 （ 未 变 形 的 金 属 ） 对 变 形 区 金 属 的 影 响 主 要 是阻 碍 变 形 区 金 属 流 动 ， 进 而 产 生 或 加 剧 附 加 的 应 力 和应 变 。外 端 是 指 临 接 变 形 区 ， 而 未 变 形 的 金 属因 为 金 属 塑 性 变 形 要 保 持 整 体 性 和 连 续 性 ， 因 此 外 端会 影 响 到 变 形 区 内 金 属 的 流 动 。 金属塑性加工原理与技术图 3-15 拔 长 时 外 端 的 影 响外 端 限 制 宽 展当 送 料 比 l/a大 时 ， 宽 展 延 伸当 送 料 比 l/a小 时 ， 宽 展 增 大 金属塑性加工原理与技术图 3-16 开 式 冲 孔 时 的 “ 拉 缩 ”造 成 非 变 形 区 金 属 变 形 金属塑性加工原理与技术图 3-17 弯 曲 变 形 对 外 端 的 影 响造 成 非 变 形 区 金 属 变 形 金属塑性加工原理与技术 变 形 物 体 的 温 度 不 均 匀 ， 会 造 成 金 属 各 部 分 变形 和 流 动 的 差 异 。 变 形 首 先 发 生 在 那 些 变 形 抗 力 最小 的 部 分 。 一 般 ， 在 同 一 变 形 物 体 中 高 温 部 分 的 变形 抗 力 低 ， 低 温 部 分 的 变 形 抗 力 高 。 金属塑性加工原理与技术不 均 匀 变 形 产 生 的 弯 曲 现 象1 铝 ； 2 钢铝 钢 双 金 属 轧 制 变 形 抗 力 不 同 ，造 成 流 动 不 均 金属塑性加工原理与技术 变 形 金 属 中 的 化 学 成 分 、 组 织 结 构 、 夹 杂 物 、相 的 形 态 等 分 布 不 均 会 造 成 金 属 各 部 分 的 变 形和 流 动 的 差 异 。 金属塑性加工原理与技术3. 3. 1 均 匀 变 形 与 不 均 匀 变 形 3. 3. 2 研 究 变 形 分 布 的 方 法3. 3. 3 基 本 应 力 与 附 加 应 力 3. 3. 4 残 余 应 力 金属塑性加工原理与技术3. 3. 1 均 匀 变 形 与 不 均 匀 变 形 若 变 形 区 内 金 属 各 质 点 的 应 变 状 态 相 同 ， 即 它 们 相 应的 各 个 轴 向 上 变 形 的 发 生 情 况 ， 发 展 方 向 及 应 变 量 的 大 小都 相 同 ， 这 个 体 积 的 变 形 可 视 为 均 匀 的 。 不 均 匀 变 形 实 质 上 是 由 金 属 质 点 的 不 均 匀 流 动 引 起 的。 因 此 ， 凡 是 影 响 金 属 塑 性 流 动 的 因 素 ， 都 会 对 不 均 匀 变形 产 生 影 响 。 金属塑性加工原理与技术均 匀 变 形 的 条 件 变 形 体 均 匀 、 各 向 同 性 任 意 瞬 间 、 任 意 小 单 元 上 应 力 相 同 、 应 变 增 量 相 同 无 摩 擦 无 外 端 金属塑性加工原理与技术3. 3. 2 研 究 变 形 分 布 的 方 法 金 属 塑 性 加 工 中 ， 研 究 变 形 物 体 内变 形 分 布 （ 即 金 属 流 动 ） 的 方 法 很 多 。 常 用 的 方 法 有 ： 网 格 法 ； 硬 度 法 ； 比 较晶 粒 法 。 金属塑性加工原理与技术图 3-19 不 同 变 形 程 度 下 镦 粗 圆 柱 体 金属塑性加工原理与技术图 3-20 冷 镦 粗 后 垂 直 断 面 上 洛 氏 硬 度 变 化 金属塑性加工原理与技术3. 3. 3 基 本 应 力 与 附 加 应 力 金 属 变 形 时 体 内 变 形 分 布 不 均 匀 ， 不 但 使 物 体 外 形 歪扭 和 内 部 组 织 不 均 匀 ， 而 且 还 使 变 形 体 内 应 力 分 布 不 均 匀。 此 时 ， 除 基 本 应 力 外 还 产 生 附 加 应 力 。定 义 ：基 本 应 力 是 由 外 力 作 用 所 引 起 的 应 力附 加 应 力 是 物 体 不 均 匀 变 形 受 到 整 体 性 的 限 制 ， 而 引 起 的物 体 内 相 互 平 衡 的 应 力 金属塑性加工原理与技术基 本 应 力 图 与 工 作 应 力 图工 作 应 力 图 是 处 于 应 力 状 态 的 物 体 在 变 形 时 用 各 种 方法 测 出 来 的 应 力 图 。不 均 匀 变 形 时 ， 工 作 应 力 等 于 基 本 应 力 与 附 加 应 力 的代 数 和 。 金属塑性加工原理与技术la 若 边 缘 部 分 自 成 一 体 时轧 制 后 的 可 能 长 度 lb 若 中 间 部 分 自 成 一 体 时轧 制 后 的 可 能 长 度l 整 个 轧 制 后 的 实 际 长 度l 图 3-21 在 凸 形 轧 辊 上 轧 制 矩 形 坯 产 生 的 附 加 应 力 中 间 延 伸 大 ， 边 部 延 伸 少 ，受 整 体 性 制 约 ， 中 间 受 压 应 力 ， 边 部 受 拉 应 力 金属塑性加工原理与技术l 图 3-22 相 邻 晶 粒 的 变 形宏 观 级 、 显 微 级 、 原 子 级 变 形 不 均几 何 区 域 之 间 ， 第 一 类 附 加 应 力相 临 晶 粒 之 间 ， 第 二 类 附 加 应 力晶 粒 内 部 滑 移 面 ， 第 三 类 附 加 应 力 金属塑性加工原理与技术附 加 应 力 的 作 用 附 加 应 力 是 为 了 保 持 变 形 体 的 完 整 和 变 形 连 续 而产 生 的 内 力 附 加 应 力 由 不 均 匀 变 形 产 生 ， 同 时 又 限 制 不 均 匀变 形 的 自 由 发 展 附 加 应 力 相 互 平 衡 、 成 对 出 现附 加 应 力 定 律 ：由 于 物 体 塑 性 变 形 总 是 不 均 匀 的 ， 因 此 在 变 形 过 程 中总 有 相 互 平 衡 的 附 加 应 力 金属塑性加工原理与技术不 均 匀 变 形 对 金 属 塑 性 变 形 的 不 良 后 果 引 起 应 力 状 态 发 生 变 化 ， 使 应 力 分 布 不 均 匀 造 成 变 形 过 程 物 体 破 坏 使 材 料 变 形 抗 力 提 高 、 塑 性 降 低 使 产 品 质 量 降 低 使 生 产 操 作 复 杂 化 形 成 残 余 应 力 金属塑性加工原理与技术 （ a） 及 纵 向 应 力 分 布 （ b） 、 （ c） ， 其 中 （ c） 为 摩 擦 很 大 时 应力 分 布 ； （ 实 线 ） 基 本 应 力 ； （ 虚 线 ） 附 加 应 力 ；（ 点 画 线 ） 工 作 应 力 =基 本 附 加 应 力挤 压 时 金 属 流 动 表 面 工 作应 力 为 拉应 力 金属塑性加工原理与技术假想应力，9.8 N/mm 2 18 201） 带 缺 口 试 样 =2% 2） 未 带 缺 口 试 样 =35% 图 3-24 拉 伸 实 验 曲 线使 变 形 抗 力 提 高塑 性 降 低 金属塑性加工原理与技术 变 形 程 度 应力sbsa1)无 缺 口 试 样 拉 伸 时 的 真 应 力 的 曲 线2） 有 缺 口 样 拉 伸 的 真 应 力 曲 线 图 3-25 拉 伸 时 真 应 力 与 变 形 程 度 的 关 系 金属塑性加工原理与技术使 产 品 质 量 降 低变 形 不 均 过 大 ， 附 加 应 力 不 同 平 衡 ， 而 导 致 产 品 形 状缺 陷变 形 不 均 ， 造 成 组 织 、 性 能 不 均 金属塑性加工原理与技术3. 3. 4 残 余 应 力 定 义塑 性 变 形 完 毕 后 保 留 在 变 形 体 内 的 附 加 应 力也 分 三 类 金属塑性加工原理与技术残 余 应 力1 残 余 应 力 的 来 源 2 变 形 条 件 对 残 余 应 力 的 影 响 3 残 余 应 力 所 引 起 的 后 果 4 减 小 或 消 除 残 余 应 力 的 措 施 5 研 究 残 余 应 力 的 主 要 方 法 金属塑性加工原理与技术3. 4. 1 金 属 在 平 锤 间 镦 粗 时 的 应 力 及 变 形 特 点 3. 4. 2 平 辊 轧 制 时 金 属 的 应 力 及 变 形 特 点 3. 4. 3 棒 材 挤 压 时 的 应 力 及 变 形 特 点 3. 4. 4 棒 材 拉 伸 时 的 应 力 及 变 形 特 点 3. 4 金 属 塑 性 加 工 诸 方 法 的 应 力 与 变 形 特 点 金属塑性加工原理与技术3. 4. 1 金 属 在 平 锤 间 镦 粗 时 的 应 力 及 变 形 特 点1 镦 粗 时 组 合 件 的 变 形 特 点 2 基 本 应 力 的 分 布 特 点 3 第 一 类 附 加 应 力 的 分 布 特 点 金属塑性加工原理与技术3. 4. 2 平 辊 轧 制 时 金 属 的 应 力 及 变 形 特 点1 基 本 应 力 特 点 2 变 形 区 内 金 属 质 点 流 动 特 点 3 平 辊 轧 制 时 ， 第 一 类 附 加 应 力 的 分 布 特 点 金属塑性加工原理与技术3. 4. 3 棒 材 挤 压 时 的 应 力 及 变 形 特 点1. 棒 材 挤 压 时 的 基 本 应 力 状 态2. 棒 材 挤 压 时 的 金 属 流 动 规 律3. 棒 材 挤 压 时 的 附 加 应 力 金属塑性加工原理与技术3. 4. 4 棒 材 拉 伸 时 的 应 力 及 变 形 特 点1 棒 材 拉 伸 时 的 基 本 应 力 状 态2 棒 材 拉 伸 时 金 属 的 流 动 规 律 3 棒 材 拉 拔 时 的 附 加 应 力 金属塑性加工原理与技术第 4章 金 属 塑 性 加 工 的 摩 擦 与 润 滑 4.1 概 述 4.2 金 属 塑 性 加 工 时 摩 擦 的 特 点 及 作 用 4.3 塑 性 加 工 中 摩 擦 的 分 类 及 机 理 4.4 摩 擦 系 数 及 其 影 响 因 素 4.5 测 定 摩 擦 系 数 的 方 法 4.6 塑 性 加 工 的 工 艺 润 滑 金属塑性加工原理与技术 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 。 金属塑性加工原理与技术 4.1 概 述 在 金 属 塑 性 加 工 中 ， 必 须 在 工 模 具 与 加 工 坯 料 之 间加 入 润 滑 介 质 ， 以 减 少 摩 擦 ， 防 止 粘 接 ， 称 为 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 。 金属塑性加工原理与技术 4.2 金 属 塑 性 加 工 时 摩 擦 的 特 点 及 作 用在 高 压 下 产 生 的 摩 擦较 高 温 度 下 的 摩 擦摩 擦 副 （ 金 属 与 工 具 ） 的 性 质 相 差 大在 接 触 面 上 各 点 的 摩 擦 也 不 一 样 金属塑性加工原理与技术接 触 表 面 工 作 压 力 ： 热 加 工 时 ， 100 150MPa 冷 加 工 时 ， 500 2500MPa 机 械 传 动 时 ： 20 50MPaA. 压 力 为 工 具 作 用 于 变 形 金 属 表 面 的 力 ， 与 变 形 抗 力 密 切 相 关B. 高 压 力 使 一 般 润 滑 剂 难 以 带 入 接 触 表 面 ， 或 易 从 接 触 表 面 挤 出润 滑 剂 。 C. 需 采 用 特 殊 的 润 滑 剂 和 润 滑 方 法 。在 高 压 下 产 生 的 摩 擦 金属塑性加工原理与技术热 加 工 温 度 可 达 1000度 以 上冷 加 工 ， 变 形 热 和 摩 擦 热 会 使 表 面 温 度 升 高变 形 过 程 中 ， 存 在 工 模 具 、 润 滑 剂 的 冷 却 过 程 ； 变 形 和摩 擦 的 发 热 过 程 。 因 此 温 度 会 产 生 变 化 ， 接 触 表 面 还 会由 于 冷 却 和 发 热 不 均 匀 而 造 成 温 度 不 均还 会 出 现 表 面 金 属 氧 化 、 相 变 ， 润 滑 剂 性 能 变 化 ， 产 生表 面 反 应 等 现 象 较 高 温 度 下 的 摩 擦 金属塑性加工原理与技术一 般 要 求 工 具 硬 度 高 而 不 易 变 形 ；变 形 金 属 柔 软 而 塑 性 大材 质 和 性 能 不 同 给 润 滑 剂 的 选 择 和 使 用 带 来 困 难摩 擦 副 （ 金 属 与 工 具 ） 的 性 质 相 差 大 金属塑性加工原理与技术 变 形 过 程 中 不 断 形 成 新 的 接 触 表 面 变 形 金 属 的 性 质 在 不 断 变 化 (加 工 硬 化 ) 温 度 、 速 度 和 润 滑 条 件 可 能 改 变 接 触 表 面 各 点 的 摩 擦 方 式 可 能 不 同 ： 如 滑 动 摩 擦 、 粘 着 摩 擦在 接 触 面 上 各 点 的 摩 擦 也 不 一 样 金属塑性加工原理与技术外 摩 擦 在 压 力 加 工 中 的 作 用 摩 擦 的 不 利 方 面改 变 物 体 应 力 状 态 ， 使 变 形 力 和 能 耗 增 加引 起 工 件 变 形 与 应 力 分 布 不 均 匀恶 化 工 件 表 面 质 量 ， 加 速 模 具 磨 损 ， 降 低 工具 寿 命 金属塑性加工原理与技术外 摩 擦 在 压 力 加 工 中 的 作 用 摩 擦 的 利 用用 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 金属塑性加工原理与技术外 摩 擦 在 压 力 加 工 中 的 作 用 为 Conform 连 续 挤 压 机 提 供 挤 压 力 金属塑性加工原理与技术 4.3 塑 性 加 工 中 摩 擦 的 分 类 及 机 理一 、 外 摩 擦 的 分 类 干 摩 擦流 体 摩 擦边 界 摩 擦二 、 摩 擦 机 理 分 子 吸 附 说表 面 凸 凹 学 说 金属塑性加工原理与技术(1) 干 摩 擦干 摩 擦 ： 不 存 在 任 何 外 来 介 质 时 ， 金 属 与工 具 接 触 面 之 间 的 摩 擦 。理 想 干 摩 擦 状 态 很 难 存 在 ， 因 为 金 属 表 面 可 能存 在 氧 化 膜 、 灰 尘 、 气 体 等工 程 上 称 不 加 润 滑 剂 的 状 态 即 为 干 摩 擦 金属塑性加工原理与技术 (2)流 体 摩 擦当 金 属 与 工 具 表 面 之 间 的 润 滑 层 较 厚 ， 两 摩 擦 副 在 相 互运 动 中 不 直 接 接 触 ， 完 全 由 润 滑 油 膜 隔 开 ， 摩 擦 发 生 在流 体 分 子 之 间 的 摩 擦 称 为 流 体 摩 擦 。流 体 摩 擦 的 大 小 与 接 触 面 的 表 面 状 态 无 关与 流 体 的 粘 度 、 速 度 梯 度 等 因 素 有 关摩 擦 系 数 较 小由 于 压 力 、 温 度 高 ， 流 体 易 挤 出 或 烧 掉 ， 只 能 是 部 分 金属塑性加工原理与技术工 具 与 工 件 界 面 接 触 示 意 图 金属塑性加工原理与技术(3) 边 界 摩 擦接 触 面 放 大 模 型在 塑 性 加 工 中 ， 无 论 是 坯 料 表 面 还 是 工 具 表 面 ， 总 是处 于 介 质 包 围 之 中 ， 总 是 有 一 层 敷 膜 吸 附 在 表 面 上 ，使 表 面 接 触 处 于 干 摩 擦 与 流 体 摩 擦 之 间 的 摩 擦 状 态 ，称 为 边 界 摩 擦自 然 污 染 膜 、 油 性 吸 附 的 金 属 膜 、 物 理 吸 附 形 成 的 边 界 膜 、 润滑 剂 形 成 的 化 学 反 应 膜 、 氧 化 膜 等 。 金属塑性加工原理与技术混 合 摩 擦 、 半 干 摩 擦 、 半 流 体 摩 擦混 合 摩 擦 ： 由 干 摩 擦 、 边 界 摩 擦 和 流 体 摩 擦 组 成 的 混 合 状 态半 干 摩 擦 ： 由 边 界 摩 擦 和 干 摩 擦 的 混 合 状 态半 流 体 摩 擦 ： 由 流 体 摩 擦 与 边 界 摩 擦 的 混 合 状 态 金属塑性加工原理与技术摩 擦 机 理 (1) 表 面 凸 凹 学 说 表 面 凸 凹 学 说 认 为 ： 当 凹 凸 不 平 的 两 个 表 面 相 互 接 触 时 ， 产 生 机 械 咬合 。 当 这 两 个 相 互 接 触 的 表 面 在 外 力 作 用 下 发 生 相 对运 动 时 ， 相 互 咬 合 的 部 分 会 被 剪 断 ， 此 时 的 摩 擦 力 表面 为 这 些 凸 峰 被 剪 切 时 的 变 形 阻 力 。现 象 ：表 面 越 粗 糙 ， 相 对 运 动 时 的 摩 擦 力 越 大解 决 办 法 ：降 低 表 面 粗 糙 度 ， 涂 抹 润 滑 剂 以 填 补 表 面 凹 坑 金属塑性加工原理与技术摩 擦 机 理 (2) 分 子 吸 附 说 分 子 吸 附 说 认 为 ：摩 擦 产 生 的 原 因 是 由 于 分 子 之 间 的 相 互 吸 引 的 结 果 。现 象 ：接 触 表 面 非 常 光 滑 时 ， 接 触 摩 擦 力 不 但 不 降 低 ， 反而 会 提 高 。 用 分 子 吸 附 说 解 释 是 由 于 物 体 表 面 越 光 滑 ，实 际 接 触 面 积 越 大 ， 接 触 面 间 的 距 离 越 小 ， 分 子 吸 引 力越 大 金属塑性加工原理与技术摩 擦 机 理 (3) 近 代 摩 擦 理 论 表 面 凹 凸 说 和 分 子 吸 附 说 都 起 作 用 流 体 摩 擦 时 ， 摩 擦 力 是 润 滑 层 之 间 的 流 动 阻 力 金属塑性加工原理与技术塑 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 。 金属塑性加工原理与技术 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 ； N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 加 工 过 程 ， 此 定 律 较 适 用 。(1) 常 摩 擦 系 数 定 律 金属塑性加工原理与技术 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 对 于 轴 对 称 (单 向 变 形 )， k=0.5T,如 挤 压 棒 材对 于 平 面 变 形 (纯 剪 变 形 )， k=0.577 T， 如 轧 宽 板热 变 形 时 变 形 抗 力 小 ， 摩 擦 力 大 ， 易 发 生 粘 着 ， 适 合(2) 最 大 摩 擦 条 件 金属塑性加工原理与技术 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 m在 0 1之 间 ， 当 面 等 于 1时 ， 与 最 大 摩 擦 条 件 一 致 。正 压 力 非 常 高 ， 表 面 完 全 粘 着 ， 金 属 的 剪 切 流 动 主 要 出 现在 次 表 面 层 内 ， = s。与 相 应 条 件 下 变 形 金 属 的 性 能 有 关 。热 变 形 过 程 最 常 用 (3) 摩 擦 力 不 变 条 件 -常 摩 擦 力 定 律 金属塑性加工原理与技术 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 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 金属塑性加工原理与技术(1) 金 属 的 种 类 和 化 学 成 分与 金 属 种 类 和 化 学 成 分 有 关 的 性 质 ：硬 度 、 强 度 、 吸 附 性 、 扩 散 能 力 、 导 热 性 、 氧 化 速 度 、氧 化 膜 性 质 、 金 属 间 结 合 力 钢 中 碳 含 量 对 摩 擦 系 数 的 影 响材 料 的 硬 度 、 强 度 越 高 ， 小如 黄 铜 (0.10)、 青 铜粘 附 性 越 大 、 软 ， 大 如 ： 铝 (0.18)、 紫 铜 (0.17)、 铅 、锌 金属塑性加工原理与技术(2) 工 具 材 料 及 其 表 面 状 态工 具 硬 度 越 高 ， 越 小金 属 陶 瓷 硬 质 合 金 淬 火 合 金 钢 、 铸 铁 钢表 面 光 洁 度 不 同 ， 可 在 0.05 0.5范 围 变 化一 般 光 洁 度 高 ， 小 ； 但 光 洁 度 非 常 高 ， 增 加坯 料 表 面 的 粗 糙 度 也 会 影 响 金属塑性加工原理与技术(3) 接 触 面 上 的 单 位 压 力单 位 压 力 小 时 ， 与 压 力无 关压 力 增 大 到 一 定 程 度 ， 随 压 力 增 加 而 增 大 ，润 滑 剂 被 挤 掉 或 表 面 膜 破坏 ， 接 触 面 积 和 分 子 吸 附作 用 增 强压 力 继 续 增 大 ， 趋 于 稳定 金属塑性加工原理与技术(4) 变 形 温 度温 度 升 高 ， 硬 度 降 低 、 氧 化膜 增 厚 ， 表 面 吸 附 力 、 原 子 扩散 能 力 加 强 ； 润 滑 剂 效 果 变 坏 提 高温 度 继 续 升 高 ， 氧 化 膜 软 化 、脱 落 ， 起 润 滑 作 用 ， 降 低 钢 的 摩 擦 系 数铜 的 摩 擦 系 数 金属塑性加工原理与技术(5) 变 形 速 度变 形 速 度 增 加 ：干 摩 擦 时 咬 入 不 完 全边 界 摩 擦 时 油 膜 增 厚降 低温 度 升 高增 加变 形 程 度 增 加 ， 压 力 增 加增 加 1. 压 下 率 60%， 润 滑 剂 中 无 添 加 剂2. 压 下 率 60%， 润 滑 剂 中 加 入 酒 精3. 压 下 率 25%， 润 滑 剂 中 加 入 酒 精 金属塑性加工原理与技术(6) 润 滑 剂不 同 变 形 条 件 ， 采 用 不 同 的 润 滑 剂 金属塑性加工原理与技术 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 塑 性 加 工 常 用 摩 擦 系 数 金属塑性加工原理与技术不 同 金 属 变 形 时 摩 擦 系 数 与 温 度 的 关 系 金属塑性加工原理与技术热 锻 时 的 摩 擦 系 数 金属塑性加工原理与技术磷 化 处 理 后 的 摩 擦 系 数 金属塑性加工原理与技术拉 深 (冲 压 )时 的 摩 擦 系 数 金属塑性加工原理与技术热 挤 压 时 的 摩 擦 系 数 金属塑性加工原理与技术 4.6 塑 性 加 工 的 工 艺 润 滑工 艺 润 滑 的 目 的 及 润 滑 机 理 一 、 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 二 、 润 滑 机 理 流 体 力 学 原 理 吸 附 机 制 金属塑性加工原理与技术流 体 力 学 原 理润 滑 剂 与 固 体 层 不 产 生 相 对 滑 动 ， 被 带 入 变 形 区工 具 与 坯 料 的 夹 角 变 小 ， 压 力 增 大当 润 滑 剂 压 力 增 到 变 形 压 力 时 ， 润 滑 剂 进 入 变 形 区 接 触 面变 形 速 度 、 润 滑 剂 粘 度 越 大 ， 夹 角 越 小 ， 润 滑 剂 压 力 上 升 越 急 剧 摩 擦 力 为 润 滑 剂 的 内 摩 擦 力 ， 由 粘 度 决 定 ： t =./ 金属塑性加工原理与技术吸 附 机 制极 性 或 非 极 性 分 子 对 金 属 表 面 具 有 吸 附 作 用 ， 吸 附 在 金 属 表 面 形成 油 膜润 滑 剂 的 活 性 是 指 极 性 分 子 在 摩 擦 表 面 形 成 结 实 表 面 层 的 能 力 粘 度 是 润 滑 剂 本 身 的 粘 稠 程 度 ， 过 小 易 挤 出 ， 过 大 阻 力 增 加 金属塑性加工原理与技术三 、 压 力 加 工 中 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 ： 润 滑 剂 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 ； 润 滑 剂 应 有 良 好 耐 高 温 性 能 ， 在 热 加 工 时 ， 润 滑 剂 应不 分 解 ， 不 变 质 ； 润 滑 剂 有 冷 却 模 具 的 作 用 ； 润 滑 剂 不 应 对 金 属 和 模 具 有 腐 蚀 作 用 ； 润 滑 剂 应 对 人 体 无 毒 ， 不 污 染 环 境 ； 润 滑 剂 要 求 使 用 、 清 理 方 便 、 来 源 丰 富 、 价 格 便 宜 等 金属塑性加工原理与技术液 体 润 滑 剂 包 括 矿 物 油 、 动 植 物 油 、 乳 液 等固 体 润 滑 剂 ， 包 括 石 墨 、 二 硫 化 钼 、 肥 皂 等液 -固 型 润 滑 剂熔 体 润 滑 剂 四 、 常 用 的 润 滑 剂 金属塑性加工原理与技术矿 物 油 ： 机 油 、 汽 缸 油 、 锭 子 油 、 齿 轮 油 ， 吸 附 性 差 ， 润 滑 效 果差 ， 只 做 基 础 油动 植 物 油 ： 牛 油 、 猪 油 、 蓖 麻 油 、 菜 籽 油 等 ， 压 力 小 ， 如 铜 材 拉拔 时 用 ， 表 面 光 洁 度 高乳 液 ： 添 加 乳 化 剂 形 成 的 可 溶 性 矿 物 油 与 水 的 均 匀 混 合 的 双 相 系 ，即 起 润 滑 作 用 ， 又 起 冷 却 作 用 。 如 铝 材 轧 制 、 高 速 拉 丝 、 深 拉 延 等液 体 润 滑 剂硬 脂 酸 钠 乳 化 剂作 用 机 理 示 意 图 金属塑性加工原理与技术包 括 石 墨 、 二 硫 化 钼 、 肥 皂 、 软 金 属 等金 属 塑 性 加 工 的 摩 擦 本 质 是 表 层 金 属 剪 切 流 动 过 程 ，剪 切 强 度 比 并 行 金 属 低 的 固 体 都 可 用 做 固 体 润 滑 剂 。（ 常 摩 擦 力 定 律 ）最 常 见 的 是 石 墨 、 MoS2、 硬 脂 酸 锌主 要 用 于 冷 变 形 或 较 低 温 度 的 高 速 、 大 变 形 场 合固 体 润 滑 剂 金属塑性加工原理与技术固 体 润 滑 粉 末 悬 浮 在 基 础 油 中 形 成 固 -液 双 向 分 散 系石 墨 乳 液 ， MoS2乳 液可 用 于 钨 、 钼 拉 拔 丝 ， 约 1000热 挤 压 铜 材 ， 约 700液 -固 型 润 滑 剂 金属塑性加工原理与技术玻 璃 、 沥 青 、 石 蜡在 高 温 下 熔 化 或 软 化 形 成 薄 膜可 做 成 粉 末 状 、 网 状 、 丝 状 、 玻 璃 布主 要 用 于 W、 Mo、 钽 、 铌 、 Ti、 Zr的 热 加 工熔 体 润 滑 剂 金属塑性加工原理与技术几 种 玻 璃 的 成 分 及 其 使 用 温 度 金属塑性加工原理与技术五 、 润 滑 剂 中 的 添 加 剂润 滑 油 中 的 添 加 剂 ， 一 般 应 易 溶 于 机 油 ， 热 稳 定 性 要 好 ，且 应 具 有 良 好 的 物 理 化 学 性 能 ， 常 用 的 添 加 剂 有 油 性 剂 、极 压 剂 、 抗 磨 剂 和 防 锈 剂 等 。 金属塑性加工原理与技术六 、 润 滑 方 法 的 改 进1 流 体 润 滑2 表 面 处 理 金属塑性加工原理与技术流 体 润 滑 金属塑性加工原理与技术流 体 润 滑5、 正 挤 压 、 6、 反 挤 压 ， 7、 静 液 挤 压 金属塑性加工原理与技术表 面 处 理（ 1） 表 面 磷 化 处 理（ 2） 表 面 氧 化 处 理（ 3） 表 面 镀 层形 成 结 合 力 强 ， 塑 性 好 、 强 度 低 的 表 面 膜