摩擦在塑性成形加工中的利弊對(duì)比分析以及解決措施

1、摩擦在塑性成形加工中的利弊對(duì)比分析以及解決措施姓名：韓寶峰、姚兆燚、任五江、劉亞南、段凱旋課題組的分工或貢獻(xiàn)：每人完成的百分比或者每人負(fù)責(zé)的內(nèi)容課程名稱：金屬塑性成形原理指導(dǎo)教師：2012年4月1. 1概述金屬塑性加工中是在工具與工件相接觸的條件下進(jìn)行的，這時(shí)必然產(chǎn)生阻止金屬流 動(dòng)的摩擦力。這種發(fā)生在工件和工具接觸面間，阻礙金屬流動(dòng)的摩擦，稱外摩擦。由于 摩擦的作用，工具產(chǎn)生磨損，工件被擦傷；金屬變形力、能增加造成金屬變形不均；嚴(yán) 重時(shí)使工件出現(xiàn)裂紋，還要定期更換工具。因此，塑性加工中，須加以潤(rùn)滑。潤(rùn)滑技術(shù)的開(kāi)發(fā)能促進(jìn)金屬塑性加工的發(fā)展。隨著壓力加工新技術(shù)新材料新工藝的 出現(xiàn)，必將要求人們解決

2、新的潤(rùn)滑問(wèn)題。1. 2金屬塑性加工時(shí)摩擦的特點(diǎn)及作用1. 2. 1塑性成形時(shí)摩擦的特點(diǎn)塑性成形中的摩擦與機(jī)械傳動(dòng)中的摩擦相比，有下列特點(diǎn)：（1）在高壓下產(chǎn)生的摩擦。塑性成形時(shí)接觸表面上的單位壓力很大，一般熱加工時(shí) 面壓力為100150MPa，冷加工時(shí)可高達(dá)5002500MPa。但是，機(jī)器軸承中，接觸面壓通 常只有2050MPa，如此高的面壓使?jié)櫥瑒╇y以帶入或易從變形區(qū)擠出，由此產(chǎn)生的摩擦 潤(rùn)滑困難且潤(rùn)滑方法特殊。（2）較高溫度下的摩擦。塑性加工時(shí)界面溫度條件例惡劣。對(duì)于熱加工，根據(jù)金屬 不同，溫度在數(shù)百度至一千多度之間，對(duì)于冷加工，則由于變形熱效應(yīng)、表面摩擦熱， 溫度可達(dá)到頗高的程度。高溫下的

3、金屬材料，除了內(nèi)部組織和性能變化外，金屬表面要 發(fā)生氧化，給摩擦潤(rùn)滑帶來(lái)很大影響。（3）伴隨著塑性變形而產(chǎn)生的摩擦，在塑性變形過(guò)程中由于高壓下變形，會(huì)不斷增 加新的接觸表面，使工具與金屬之間的接觸條件不斷改變。接觸面上各處的塑性流動(dòng)情 況不同，有的滑動(dòng)，有的粘著，有的快，有的慢，因而在接觸面上各點(diǎn)的摩擦也不一樣。（4）摩擦副（金屬與工具）的性質(zhì)相差大，一般工具都硬且要求在使用時(shí)不產(chǎn)生塑性 變形；而金屬不但比工具柔軟得多，且希望有較大的塑性變形。二者的性質(zhì)與作用差異 如此之大，因而使變形時(shí)摩擦情況也很特殊1. 2. 2外摩擦在壓力加工中的作用塑性加工中的外摩擦，大多數(shù)情況是有害的，但在某些情況下

4、，亦可為我所用。 摩擦的不利方面：（1）改變物體應(yīng)力狀態(tài)，使變形力和能耗增加。以平錘鍛造圓柱體試樣為例，當(dāng)無(wú) 摩擦?xí)r，為單向壓應(yīng)力狀態(tài)，而有摩擦?xí)r，則呈現(xiàn)三向應(yīng)力狀態(tài)。因而摩擦使變形抗力 增大，從而消耗的變形功增加。一般情況下，摩擦的加大可使負(fù)荷增加30%。（2）引起工件變形與應(yīng)力分布不均勻。塑性成形時(shí)，因接觸摩擦的作用使金屬質(zhì) 點(diǎn)的流動(dòng)受到阻礙，此種阻力在接觸面的中部特別強(qiáng)，邊緣部分的作用較弱，這將引起 金屬的不均勻變形。平塑壓圓柱體試樣時(shí)，接觸面受摩擦影響大，遠(yuǎn)離接觸面處受摩擦 影響小，最后工件變?yōu)楣男?。此外，外摩擦使接觸面單位壓力分布不均勻，由邊緣至中 心壓力逐漸升高。變形和應(yīng)力的不均勻

5、，直接影響制品的性能，降低生產(chǎn)成品率。（3）惡化工件表面質(zhì)量，加速模具磨損，降低工具壽命。塑性成形時(shí)接觸面間的相 對(duì)滑動(dòng)加速工具磨損；因摩擦熱更增加工具磨損；變形與應(yīng)力的不均勻亦會(huì)加速工具磨 損。此外，金屬粘結(jié)工具的現(xiàn)象，不僅縮短了工具壽命，增加了生產(chǎn)成本，而且也降低 制品的表面質(zhì)量與尺寸精度。摩擦的利用：亦可利用摩擦變害為利。例如，用增大摩擦改善咬入條件，強(qiáng)化軋制過(guò)程；增大沖頭與板片間的摩擦，強(qiáng)化工藝，減少起皺和撕裂等造成的廢品。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)展了有效利用摩擦的研究。即通過(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

6、特點(diǎn)，使摩擦應(yīng)力能促進(jìn)金屬的變形發(fā)展。1. 3塑性加工中摩擦的分類及機(jī)理塑性成形時(shí)的摩擦根據(jù)其性質(zhì)可分為干摩擦、邊界摩擦和流體摩擦三種，分述如下：干摩擦干摩擦是指不存任何外來(lái)介質(zhì)時(shí)金屬與工具的接觸表面之間的摩擦。但在實(shí)際生產(chǎn) 中，這種絕對(duì)理想的干摩擦是不存在的。因?yàn)榻饘偎苄约庸み^(guò)程中，其表面多少存在氧 化膜，或吸附一些氣體和灰塵等其它介質(zhì)。但通常說(shuō)的干摩擦指的是不加潤(rùn)滑劑的摩擦 狀態(tài)。流體摩擦當(dāng)金屬與工具表面之間的潤(rùn)滑層較厚，摩擦副在相互運(yùn)動(dòng)中不直接接觸，完全由潤(rùn) 滑油膜隔開(kāi)，摩擦發(fā)生在流體內(nèi)部分子之間者稱為流體摩擦。它不同于干摩擦，摩擦力 的大小與接觸面的表面狀態(tài)無(wú)關(guān)，而是與流體的粘度、速度

7、梯度等因素有關(guān)。因而流體 摩擦的摩擦系數(shù)是很小的。塑性加工中接觸面上壓力和溫度較高，使?jié)櫥瑒┏Ｒ讛D出或 被燒掉，所以流體摩擦只在有條件的情況下發(fā)生和作用。邊界摩擦這是一種介于干摩擦與流體摩擦之間的摩擦狀態(tài)，稱為邊界摩擦在實(shí)際生產(chǎn)中，由于摩擦條件比較惡劣，理想的流體潤(rùn)滑狀態(tài)較難實(shí)現(xiàn)。此外，在塑性加工中，無(wú)論是工具表面，還是坯料表面，都不可能是“潔凈”的表面，總是處 于介質(zhì)包圍之中，總是有一層敷膜吸附在表面上，這種敷膜可以是自然污染膜，油性吸 附形成的金屬膜，物理吸附形成的邊界膜，潤(rùn)滑劑形成的化學(xué)反應(yīng)膜等。因此理想的十 摩擦不可能存在。實(shí)際上常常是上述三種摩擦共存的混合摩擦。它既可以是半干摩擦又

8、可以是半流體摩擦。半干摩擦是邊界摩擦與干摩擦的混合狀態(tài)。當(dāng)接觸面間存在少量的 潤(rùn)滑劑或其他介質(zhì)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)這種摩擦。半流體摩擦是流體摩擦與邊界摩擦的混合狀 態(tài)。當(dāng)接觸表面間有一層潤(rùn)滑劑，在變形中個(gè)別部位會(huì)發(fā)生相互接觸的干摩擦.1.4塑性成形中產(chǎn)生摩擦的解決方法1.4.1潤(rùn)滑的目的為減少或消除塑性加工中外摩擦的不利影響，往往在工模具與變形金屬的接觸界面 上施加潤(rùn)滑劑，進(jìn)行工藝潤(rùn)滑。其主要目的是：（1）降低金屬變形時(shí)的能耗。當(dāng)使用有效潤(rùn)滑劑時(shí)，可大大減少或消除工模具與 變形金屬的直接接觸，使接觸表面間的相對(duì)滑動(dòng)剪切過(guò)程在潤(rùn)滑層內(nèi)部進(jìn)行，從而大大 降低摩擦力及變形功耗。如軋制板帶材時(shí)，采用適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑

9、劑可降低軋制壓力10%15%； 節(jié)約主電機(jī)電耗8%20%。拉拔銅線時(shí)，拉拔力可降低10%20%。（2）提高制品質(zhì)量。由于外摩擦導(dǎo)致制品表面粘結(jié)、壓入、劃傷及尺寸超差等缺 陷或廢品。此外，還由于摩擦阻力對(duì)金屬內(nèi)外質(zhì)點(diǎn)塑性流動(dòng)阻礙作用的顯著差異，致使 各部分剪切變形程度（晶粒組織的破碎）明顯不同。因此，采用有效的潤(rùn)滑方法，利用 潤(rùn)滑劑的減摩防粘作用，有利于提高制品的表面和內(nèi)在質(zhì)量。（3）減少工模具磨損，延長(zhǎng)工具使用壽命。潤(rùn)滑還能降低面壓，隔熱與冷卻等作 用，從而使工模具磨損減少，使用壽命延長(zhǎng)。為達(dá)上述目的，應(yīng)采用有效潤(rùn)滑劑及潤(rùn)滑方法。塑性加工時(shí)如何將潤(rùn)滑劑保持在高壓下的工具與坯料之間？尤其是采用液

10、體潤(rùn)滑 劑時(shí)，幾乎可能全部被擠出。液體潤(rùn)滑劑所以能被保持在接觸面間，可認(rèn)為是依靠靜液 壓效果與流體力學(xué)效果。此外，還必須充分考慮工具及變形金屬與潤(rùn)滑劑的吸附性質(zhì)， 以及工模具與變形金屬之間的配對(duì)性質(zhì)，才能達(dá)到有效潤(rùn)滑的目的。1.4.2潤(rùn)滑劑的選擇塑性成形中對(duì)潤(rùn)滑劑的要求在選擇及配制潤(rùn)滑劑時(shí)，必符合下列要求：（1）潤(rùn)滑劑應(yīng)有良好的耐壓性能，在高壓作用下，潤(rùn)滑膜仍能吸附在接觸表面上， 保持良好的潤(rùn)滑狀態(tài)；（2）潤(rùn)滑劑應(yīng)有良好耐高溫性能，在熱加工時(shí)，潤(rùn)滑劑應(yīng)不分解，不變質(zhì)；（3）潤(rùn)滑劑有冷卻模具的作用；（4）潤(rùn)滑劑不應(yīng)對(duì)金屬和模具有腐蝕作用；（5）潤(rùn)滑劑應(yīng)對(duì)人體無(wú)毒，不污染環(huán)境；（6）潤(rùn)滑劑要求使用

11、、清理方便、來(lái)源豐富、價(jià)格便宜等。常用的潤(rùn)滑劑在金屬加工中使用的潤(rùn)滑劑，按其形態(tài)可分為：液體潤(rùn)滑劑、固體潤(rùn)滑劑、液固潤(rùn) 滑劑以及熔體潤(rùn)劑。其中，液體潤(rùn)滑劑使用最廣，通常可分為純碎型油（礦物油或動(dòng)植 物油）和水溶型兩類。（1）液體潤(rùn)滑劑包括礦物油、動(dòng)植物油、乳液等。礦物油系指機(jī)油、汽缸油、錠子油、齒輪油等。礦物油的分子組成中只含有碳、氫 兩種元素，由非極性的烴類組成，當(dāng)它與金屬接觸時(shí)，只發(fā)生非極性分子與金屬表面的 物理吸附作用，不發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)，潤(rùn)滑性能較差，在壓力加工中較少直接用作潤(rùn)滑 劑。通常只作為配制潤(rùn)滑劑的基礎(chǔ)油，再加上各種添加劑，或是與固體潤(rùn)滑劑混合，構(gòu) 成液-固混合潤(rùn)滑劑。動(dòng)植物油

12、有牛油、豬油、豆油、蓖麻油、棉子油、棕櫚油等。動(dòng)植物油脂內(nèi)所含的 脂肪酸主要有硬脂酸（C17H3COOH）、棕櫚酸（軟脂酸C15H31COOH）及油酸（C/fOOH）這 三種。它們都含有極性根（如COOH，COONa），屬于極性物質(zhì)。這些有機(jī)化合物的分子中， 一端為非極性的烴基；另一端則為極性基，能在金屬表面上作定向排列而形成潤(rùn)油膜。 這就使?jié)櫥瑒┰诮饘偕系奈搅訌?qiáng)，故在塑性加工中不易被擠掉。乳液是一種可溶性礦物油與水均勻混合的兩相系。在一般情況下，油和水難以混合， 為使油能以微小液珠懸浮于水中，構(gòu)成穩(wěn)定乳狀液，必須添加乳化劑，使油水間產(chǎn)生乳 化作用。另外，為提高乳液中礦物油的潤(rùn)滑性，也需添

13、加油性添加劑。（2）固體潤(rùn)滑劑，包括石墨、二硫化鉬、肥皂等。由于金屬塑性加工中的摩擦本質(zhì)是表層金屬的剪切流動(dòng)過(guò)程，因此從理論上講，凡 剪切強(qiáng)度比被加工金屬流動(dòng)剪切強(qiáng)度小的固體物質(zhì)都可作為塑性加工中的固體潤(rùn)滑劑， 如冷鍛鋼坯端面放的紫銅薄片；鋁合金熱軋時(shí)包純鋁薄片；拉拔高強(qiáng)度絲時(shí)表面鍍銅； 以及拉拔中使用的石蠟、蜂蠟、脂肪酸皂粉等均屬固體潤(rùn)滑劑。然而，使用最多的還是 石墨和二硫化鉬。（3）液-固型潤(rùn)滑劑它是把固體潤(rùn)滑粉末懸浮在潤(rùn)滑油或工作油中，構(gòu)成固-液兩相分散系的懸浮液。如 拉鎢、鉬絲時(shí)，采用的石墨乳液及熱擠壓時(shí)，所采用的二硫化鉬（或石墨）油劑（或水 劑），均屬此類潤(rùn)滑劑。它是把純度較高，粒度

14、小于26um的二硫化鉬（或石墨）細(xì)粉 加入油（或水）中，其重量約占25%30%，使用時(shí)再按實(shí)際需要用潤(rùn)滑油（或水）稀釋， 一般濃度控制在3%以內(nèi)。為減少固體潤(rùn)滑粉末的沉淀，可加入少量表面活性物質(zhì)，以減 少液-固界面的張力，提高它們之間的潤(rùn)滑性，從而起到分散劑的作用。（4）熔體潤(rùn)滑劑這是出現(xiàn)較晚的一種潤(rùn)滑劑。在加工某些高溫強(qiáng)度大，工具表面粘著性強(qiáng)，而且易 于受空氣中氧、氮等氣體污染的鎢、鉬、鉭、鈮、鈦、鋯等金屬及合金在熱加工（熱鍛 及擠壓）時(shí)，常采用玻璃、瀝青或石蠟等作潤(rùn)滑劑。其實(shí)質(zhì)是，當(dāng)玻璃與高溫坯料接觸 時(shí)，它可以在工具與坯料接觸面間熔成液體薄膜，達(dá)到隔開(kāi)兩接觸表面的目的。所以玻 璃既是固體

15、潤(rùn)滑劑，又是熔體潤(rùn)滑劑。1.4.3潤(rùn)滑劑中的添加劑為了提高潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑、耐磨、防腐等性能，需在潤(rùn)滑油中加入少量的活性物質(zhì)， 這些活性物質(zhì)總稱添加劑。潤(rùn)滑劑中加入適當(dāng)?shù)奶砑觿┖螅Σ料禂?shù)降低，金屬粘?，F(xiàn)象減少，變形程度提高， 并可使產(chǎn)品表面質(zhì)量得到改善，因此目前廣泛采用有添加劑的潤(rùn)滑油。1.4.4潤(rùn)滑方法的改進(jìn)為了減小塑性成形時(shí)的摩擦和磨損，除了不斷改進(jìn)潤(rùn)滑劑的性能和研制新的潤(rùn)滑劑 外，改進(jìn)潤(rùn)滑方法，也是一個(gè)很重要的問(wèn)題。流體潤(rùn)滑流體潤(rùn)滑常用于線材拉拔，在模具入口處加一個(gè)套管。套管與坯料間具有很小間隙。 當(dāng)坯料從套管中高速通過(guò)時(shí)，就把潤(rùn)滑劑帶入?？變?nèi)。在?？兹肟谔?，由于間隙變小， 潤(rùn)滑油產(chǎn)生高壓。當(dāng)壓力高到一定數(shù)值時(shí)，在坯料與模具之間就產(chǎn)生和保持流體潤(rùn)滑膜， 起良好潤(rùn)滑作用。在反擠壓時(shí)，將凹模和坯料作成一定的形狀，在反擠壓過(guò)程中，潤(rùn)滑劑能夠持久穩(wěn) 定地起到隔離沖頭與毛坯的作用，產(chǎn)生良好的作用。在靜液擠壓和充液拉深等工藝中高壓液體是作為傳遞變形力的介質(zhì)，同時(shí)又起到強(qiáng) 制潤(rùn)滑作用。故擠壓力比普通擠壓要低得多。表面處理表面磷化處理。冷擠壓、冷拉拔鋼制品時(shí)，即使?jié)櫥椭屑尤胩砑觿?，油膜還 會(huì)遭到破壞或被擠掉，而失去潤(rùn)滑作用。為此，要在坯料表面上用化學(xué)方法制成一層磷 酸鹽或草酸鹽薄膜。這種磷化膜呈多孔狀態(tài)，對(duì)潤(rùn)滑