第四章模具摩擦磨損

1、第四章 模具的摩擦和磨損v1 引言v2 摩擦與磨損v3 磨損分類和特性v 一 粘附磨損v 二 磨粒磨損v 三 腐蝕磨損v 四 疲勞磨損v4 模具的磨損失效1 引言 磨損是摩擦學(xué)三大基本內(nèi)容（摩擦、磨損和潤滑）之一，磨損又是金屬機(jī)械零件失效的三種主要形式（磨損、疲勞、腐蝕）之一。隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，材料與能源的節(jié)約變得越來越重要，減少磨損的任何措施，都可節(jié)約材料、能源、人力和物力，因此防磨和抗磨對國民經(jīng)濟(jì)有重要意義。 在工業(yè)比較發(fā)達(dá)國家里，據(jù)分析，目前能源消耗約有1/3是由于摩擦和磨損造成的。約1965年英國的教育科研部提出關(guān)于摩擦學(xué)教育和研究的報(bào)告之后，人們?nèi)找嬷匾暷Σ梁湍p對整個(gè)工業(yè)的影

2、響。H.peter Jost曾估計(jì)美國常年為摩擦和磨損開支1000億美元；據(jù)西德研究和技術(shù)部估計(jì)，摩擦和磨損使西德經(jīng)濟(jì)每年損失約100億馬克，其中一半“是磨料磨損”造成的。 另據(jù)U.S.A評議局（OAT）報(bào)導(dǎo),美國切削機(jī)床每年維護(hù)費(fèi)為750億美 元,鐵道車輛為30億美元,而一架值勤的海軍飛機(jī)飛行每小時(shí)磨損消耗值為245美元，耗油只有376美元，可見磨損消耗之大。又如在農(nóng)業(yè)機(jī)械及建材行業(yè)，40%的配件是由于摩擦磨損消耗的。其它如礦山、建筑、煤炭、電力、鑄造機(jī)械中磨料磨損也十分嚴(yán)重。 我國關(guān)于摩擦磨損的研究開展的也很早，60年代初在蘭州召開了第一次全國摩擦、磨損會(huì)議，有關(guān)課題也列入了全國科學(xué)規(guī)劃。

3、1975年機(jī)械部召開的摩擦、磨損 會(huì)議上的調(diào)查報(bào)告指出：國家分給機(jī)械部 鋼材有一半作為配件，而配件又大部分用于維修。如1974年汽車產(chǎn)值16.6億元，耗用鋼材27萬噸，配件產(chǎn)值為14億元，耗用鋼材23萬噸，這其中絕大部分用于維修易磨損件，可見磨損問題在我國也相當(dāng)嚴(yán)重。 關(guān)于磨損研究是投資少、收益大。美國機(jī)械工程協(xié)會(huì)報(bào)告講：1976年美花在交通運(yùn)輸、發(fā)電、透平機(jī)械和工業(yè)生產(chǎn)四個(gè)主要領(lǐng)域中關(guān)于發(fā)展摩擦磨損方面研究費(fèi)用為2400萬美元，而總節(jié)約量估計(jì)為美國每年能源消耗的11%，相當(dāng)于160億美元。 摩擦與磨損對人類生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，摩擦生火使人與動(dòng)物分開。車的發(fā)明是一種由滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦，減少

4、磨損的實(shí)例。但摩擦磨損的研究長期以來只限于力學(xué)范疇類，阿通庫倫定律幾乎統(tǒng)治了兩個(gè)世紀(jì)。磨損是一種十分復(fù)雜的現(xiàn)象，涉及的范圍很廣，特別是磨損是一種微觀和動(dòng)態(tài)的過程，僅從力學(xué)觀點(diǎn)去研究顯然是無法解決摩擦磨損這一復(fù)雜問題的。60年代以后，由于電鏡的大量應(yīng)用，磨損研究才快速發(fā)展起來，掃描電鏡、 透射電鏡、俄歇電子能譜技術(shù)、X光電譜 技術(shù)、掃描離子譜和離子衍射譜技術(shù)等新技術(shù)的應(yīng)用，加之鐵譜技術(shù)的發(fā)展，使得磨損機(jī)理失效分析、監(jiān)測和維修各方面都有很大發(fā)展。 摩擦磨損分析研究是解決磨損問題之關(guān)鍵，具體到模具，首先必須了解造成磨損的原因，揭露磨損之機(jī)理。本章就是關(guān)于這方面的講述。希望大家認(rèn)真重視。2 摩擦與磨損

5、v摩擦三種狀態(tài)（干摩擦、邊界摩擦及潤滑摩擦）與磨損。v關(guān)于摩擦，在有關(guān)方面課中已作過詳細(xì)分析，本課程不再贅述。這里僅就各種摩擦狀態(tài)下的磨損情況（有磨屑的產(chǎn)生）簡要予以說明。 1、干摩擦與磨損 干摩擦是指沒有任何污染（表層吸附物：油膜、氧或水分薄膜及其它非固體的第三種物質(zhì)薄膜）的固體之間的摩擦。 干燥條件下的接觸模型，示于下圖中，由于是干燥條件下，兩物體A與B間接觸面，可以看作是強(qiáng)有力地粘附在一起的。此時(shí)，磨屑脫落機(jī)理是很復(fù)雜的，有多種不同的說法。最廣泛的是下圖所示的模型（Archard模型）。 pdnP)4/(2載荷金屬流動(dòng)壓力Pp 因之，全滑動(dòng)距離L時(shí)全部磨損量為：WpPLndLdW31)/

6、(1213 p)/(pPLKW KKpK /kgfmm/2 則： 該值為磨損率 ，與均可用來表示材料的耐磨性。 （磨損量與時(shí)間之比值稱磨損率） 、邊界摩擦與磨損關(guān)于邊界潤滑條件的磨損機(jī)理，僅就磨屑脫落的概率來說，潤滑能減少磨屑脫落，在每個(gè)接點(diǎn)處，完全處于干摩擦和有潤滑情況下的脫落的比例是不同的。pK /pKPLW/)/( 、流體潤滑與磨損 在完全理想潤滑條件下，不會(huì)產(chǎn)生磨損，但現(xiàn)實(shí)中，任何一種流體潤滑的軸承，仍然會(huì)有一定的固體接觸，或多或少會(huì)產(chǎn)生少量磨損，已為實(shí)踐所證實(shí)。 、摩擦功與磨損及其相互關(guān)系引起磨屑脫落必然要付出一定能量。因此，在摩擦功中，包括了磨損功。但一般情況下，磨損功以外的摩擦與

7、變形所消耗的功多屬內(nèi)功而不呈現(xiàn)于表面。研究指出，干摩擦?xí)r磨損量 與成正比，（為6W(n2)nw 為摩擦系數(shù)） ， （實(shí)驗(yàn)結(jié)果 ， 與 、 、 成正比均有之） 。對于單位機(jī)械磨損有： 246W3 摩擦分類和特性 磨損分類的方法很多。有按磨損發(fā)生的 機(jī)理分類法，有按機(jī)械運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的分類法以及根據(jù)其它觀點(diǎn)的分類法，達(dá)幾十種之多。JT鮑維爾的分類法是：（1）粘附磨損（2）磨粒磨損（3）腐蝕磨損（4）表面疲勞磨損（或叫“麻點(diǎn)磨損”）（5）次要的磨損形式：浸蝕、沖擊等。 面壓在一起,正壓力 為 ，則可寫成： W)3(yprAWyp （ :屈服強(qiáng)度） （1） rA)4(2dnAr （2） 將（1）和（2）聯(lián)立

8、可得： 再假定，在滑過等于結(jié)點(diǎn)直徑d的距離后，原結(jié)點(diǎn)撕裂，并同時(shí)形成新結(jié)點(diǎn)，因此在每單位滑動(dòng)距離中重新生成結(jié)點(diǎn)的次數(shù)必須為1/d，而每單位滑動(dòng)距離中重新生成結(jié)點(diǎn)的總數(shù)為：22344dWdAnypr （3） 334)1(dWdnNyp （4） 如果磨粒生成概率為k，單位滑距內(nèi)生成結(jié)點(diǎn)總數(shù)為N，每生成一個(gè)磨粒的體積為 （半球狀），則每單位滑距 所生成的磨粒體積 可用下式求得： 聯(lián)立（4）、（5）兩式： 沿總滑距離Ls對（6）積分，則可以得到粘附磨損體積（ ）表達(dá)式為：123dLV)12(3dkNLV （5） ypkWLV9 （6） adhV 設(shè) 為粘附磨損深度，Aa為表觀接觸面積，則式 （7）可改

9、寫為： 或者 式中 ：支承面間的平均公稱接觸壓力 ：磨損系數(shù)，它取決于生成遷移碎片ypsadhkWLV9 （7） adhdsaypaadhadhLAWkAVd)(9(smadhadhLpkd （8） （9） amAWp ypadhkk9 的概率和較軟材料的屈服強(qiáng)度（或硬度） （幾種材料體的磨損常數(shù) 的典型值，對于表17-1中，潤滑對磨損常數(shù) 影響表示在表17-2中） 從式（9）可看出： 若由實(shí)驗(yàn)所得比值 是常數(shù)，則（9）式就是正確的。 實(shí)驗(yàn)資料表明，對給定的材料時(shí)，在平均公稱接觸壓應(yīng)力大約等于單向屈服強(qiáng)度前，該比率為常數(shù)。超過這個(gè)應(yīng)力水平，粘附磨損劇kksmadhadhLpdk （10） sm

10、adhLpd 增，并伴有嚴(yán)重的撕脫和咬死。 因此，粘磨下的平均磨損程度可以這樣估算: （以下兩式為粘附磨損方程） 當(dāng) 時(shí)， 當(dāng) 時(shí)，將發(fā)生撕脫和咬死。 實(shí)際用這個(gè)表達(dá)式在于求得一個(gè)粘附磨損常數(shù)值 。其范圍大概在 英寸 /磅，該方程對其他形式磨損不適用。 控制磨損方法有： 保護(hù)層原則，包括使用潤滑劑，表面膜，油漆，電鍍，磷化化學(xué)處理，火焰處理等。ypmpsmadhadhLpkdypmpadhk13510102 轉(zhuǎn)化原則，通過選擇金屬副、硬度、表面光潔度、接觸壓力等使磨損由破壞性轉(zhuǎn)化到可容性。 更換原則，采用經(jīng)濟(jì)的可更換磨損元件，以便在“磨壞”時(shí)予以更換。 以上這些方法不但適用于粘磨，而且也適用于

11、磨粒磨損。二、磨粒磨損 1.定義： 因較硬配合面上微凸體的犁削和鑿削作用，或者由于裹夾在兩磨面間的自由硬微粒的作用使磨損微粒從摩擦表面脫落下來過程謂之。 二體磨損：一個(gè)表面微凸體磨掉與之配合表面上的這種磨粒磨損謂之 三體磨損：由夾裹在兩表面間硬磨粒引起的磨損謂之 刮傷概念：使表面形成溝槽和劃痕的磨損謂之 磨粒磨損可細(xì)分為 ： 主應(yīng)力鑿削 高應(yīng)力水平 ，常由沖擊載荷引起 低應(yīng)力劃傷 由裹入的砂粒引起的 沖刷性腐蝕 沖蝕是由于流體或體力場（如重力場）驅(qū)動(dòng)微粒流動(dòng)所致 2. 模型： 假設(shè)引起切削作用的微凸體或微粒形狀是圓錐形的，對于單個(gè)微凸體，它所承擔(dān)的載荷除以微凸體水平投影面積，等于塑性流動(dòng)應(yīng)力。

12、即 而滑動(dòng)距離 時(shí)產(chǎn)生的總磨損體積為： 將（13）求出的代入（15）式，就可求出單個(gè)微凸體磨損體積：全部微凸體產(chǎn)生的磨損總體積為：sLtgrLLAVsspvabr2 （15） ypsabrtgLWV3 （16） ypmsabrtgWLV3)( （17） 2r 式中 ：施加的總載荷 ：所有微凸體的的加權(quán)平均值 ：總滑動(dòng)距離 ：較軟材料的單向屈強(qiáng) 將求磨粒磨損體積的（17）和求粘附磨 損體積的（7）比較，可看出，它們在形式上是一樣的，只是粘附磨損方程中的為 ，而磨粒磨損方程常數(shù)為 。 于是磨粒磨損平均深度 估算為：Wmtg )(sLyp3/k/)(mtgabrdsaypmaabrabrLAWtgA

13、Vd)(3)( （18） 或 式中 ：支撐面間的平均公稱接觸壓力 ：總滑動(dòng)距離 ：磨粒磨損系數(shù)，它取決于表面粗糙特性和軟材料的屈服強(qiáng)度（或硬度）。smabrabrLpd （19） amAWp sL)3/()(ypmabrtg三腐蝕磨損（參考教材P15） 當(dāng)粘附磨損或磨粒磨損的條件與導(dǎo)致腐蝕的條件同時(shí)并存時(shí)，則磨損與腐蝕過程同時(shí)進(jìn)行并互相促進(jìn)若腐蝕生成物是堅(jiān)硬性的和磨粒性的，則這些在面間的腐蝕微粒將加速磨粒磨損過程磨損過程反過來磨掉生成物表面保護(hù)層，使新金屬面裸露在腐蝕環(huán)境中，加速腐蝕過程因之，腐蝕過程可以自加速，可引起高的磨損率 另一方面，某些腐蝕生成物，例如金屬磷酸鹽，硫化物和氧化物，則所生

14、產(chǎn)的潤滑膜，在實(shí)際上大大降低了磨損速率尤其是粘附磨損占主要地位的情況更是如此 腐蝕磨損分兩種： 1.氧化磨損 其磨損率為 （ 屬輕微磨損 ）?；瑒?dòng)干摩擦，粘附磨損率為 （嚴(yán)重磨損）。因此，對無潤滑的正常磨損來說，盡可能實(shí)現(xiàn)氧化磨損。 2.腐蝕環(huán)境磨損 當(dāng)磨擦副處于腐蝕環(huán)境中工作時(shí)，金屬表層活性能力增強(qiáng)，因而易于腐蝕而促進(jìn)磨損mmkgfmm/1010386mmkgfmm/1010364四.疲勞磨損（參考教材P14） 下列兩種情況： 1、因反復(fù)進(jìn)行滾動(dòng)接觸而引起的表層疲勞（點(diǎn)蝕）（麻點(diǎn)磨損） 2、假使在滑動(dòng)接觸過程中，實(shí)際接觸點(diǎn)的粘附傾向是很小的，但由于彈性接觸反復(fù)進(jìn)行，以至于達(dá)到疲勞破壞。 對第

15、一種情況，如下圖所示，可看做是球與平面間接觸。屬于純滾動(dòng)時(shí)，最大剪應(yīng)力發(fā)生在距表面為0.6a深度內(nèi) ,a為接觸圓半徑，可按下列公式計(jì)算： 圖中所示，最大剪應(yīng)力深度變小。而且，因滑動(dòng)引起的磨損較大時(shí)，則出現(xiàn)點(diǎn)腐蝕可能性很小。 它在滾動(dòng)軸承、齒 輪凸輪以及有滾動(dòng)接觸 表面的其他所有機(jī)件中 都是一種常見的失效形 式。在滾動(dòng)軸承中，其 循環(huán)次數(shù)計(jì)算壽命N大 約為：3)(PcN 式中 P ：軸承載荷 C ：已知軸承常數(shù)，由ABMA(滾動(dòng)軸承制造者協(xié)會(huì))定義為額定基本載荷，它是一批同樣的軸承，在可靠度為90，內(nèi)座圈旋轉(zhuǎn)，壽命達(dá)100萬次時(shí)的能承受的徑向載荷。 4 模具的磨損失效 一模具磨損失效形式 一對磨

16、損體：模具坯料由于之間相互磨擦，引起表面物質(zhì)消耗，模具幾何形狀變化不能再服役，謂之模具磨損失效。 在磨擦過程中，模具表面粘附一些坯料金屬，這種模具幾何形狀也發(fā)生改變而不能工作，也稱失效。 故磨損失效表現(xiàn)有：刃口鈍化，棱角變圓，平面下陷，表面溝痕，剝落，粘模等以上表現(xiàn)在冷沖、熱沖模中，冷、溫?cái)D壓模中，冷鐓模中，壓鑄模中，軸承套圈輾擴(kuò)模具中，鍛模中大量存在。二模具磨損失效原因 模具磨損失效原因根本是磨擦。 模具磨損失效的形式和過程速度與模材，坯料化學(xué)成分及機(jī)理，模具表面粗糙度，模具表面狀態(tài)，壓力加工過程中壓力，溫度，潤滑有關(guān)。 模具鋼耐磨性，不僅決定于其強(qiáng)度，還決定于碳化物分布數(shù)量，大小，性質(zhì)在硬度相等條件下，碳化物數(shù)量和性質(zhì)均影響鋼的耐磨性。目前在工具鋼中，以高速鋼和高 碳高鉻鋼耐磨性最高。 磨損機(jī)制對鋼的磨損壽命及磨損形式影響很大，在靜磨損條件下，（薄板沖裁，拉延，彎曲等），模具鋼含碳量愈高，其耐磨性愈高，在沖擊磨損條件下（如冷鐓），模具鋼中過多的碳化物無助于提高其耐磨性，反而會(huì)降低耐磨性。 由上圖可見，在沖擊磨粒磨損