（材料加工工程专业论文）大型锻造过程接触摩擦机理及变化规律的研究.pdf

中文摘要 中文摘要 对于大型锻造成形过程数值模拟技术，工件与模具接触表面的摩擦状态是影 响模拟精度和结果的重要因素，深入研究接触面上的摩擦对提高模拟的仿真精度 有很大意义。目前，在塑性领域对摩擦的研究多集中在冷成形特别是板料成形方 面，而对大型锻造成形领域甚至热成形领域的摩擦研究很少。所以，对热锻成形 中摩擦机理、摩擦模型等研究的滞后，直接影响了数值模拟技术在大锻件成形研 究中的应用。 本文基于上述出发点，对大型锻造过程中摩擦因子的变化展开研究。首先在 g l e e b l e 1 5 0 0 d 热模拟试验机上完成了铅在常温下干摩擦状态的圆环镦粗试 验，计算得到摩擦因子多集中在0 5 - 0 8 之间；随着变形量的增大摩擦因子也有 增大的趋势但影响不是很大；随着应变速率的增大摩擦因子明显减小当应变速率 达到ls 1 摩擦因子基本达到稳定。接着完成了m n l 8 c r l 8 n 钢在不同润滑状态下 的热模拟试验，分析实验结果发现在不同的润滑状态下随着温度的升高摩擦因子 都在不断的变大；而随着应变速率的增大摩擦因子有减小的趋势；石墨的润滑效 果相对优于玻璃粉的润滑效果，干摩擦条件时润滑状态最差。 将试验得到铅在常温下干摩擦状态时得到的应变速率和摩擦因子的关系、 m n l 8 c r l 8 n 钢在干摩擦状态时得到的变形温度和摩擦因子的关系分别导入 d e f o r m 有限元软件中进行模拟运算，对比模拟运算结果和实际生产中采集的数 据，试验了结果符合实际生产中的摩擦状况。为铅和m n l 8 c r l 8 n 钢为材料的锻造 成形过程数值模拟，提供了接触面摩擦状态处理的依据。 关键词：大型锻造；铅；l v m l 8 c r l 8 n 钢；圆环镦粗；摩擦因子；数值模拟 a b s t r a c t r e s e a r c ho ff r i c t i o nm e c h a n i s ma n dv a r i a t i o nl a wd u r i n g f o r m i n g p r o c e s so fh e a v yf o r g i n g m a j o r ：q i nm i n d i r e c t e db y ：l i uj i a n - s h e n gq uz h o u - - d e a b s t r a c t f r i c t i o ns t a t eb e t w e e nw o r k p i e c es u r f a c ea n dd i ei so n eo ft h e i m p o r t a n tf a c t o r sw h i c h h a v ei m p a c to nt h es i m u l a t e da c c u r a c yo ff o r g i n g p r o c e s s s o ，s t u d yo nt h ef r i c t i o nb e t w e e nt h ec o n t a c ts u r f a c e si so fg r e a t m e a n i n g p r e s e n t l y , m u c hs t u a yo nt h ef r i c t i o ni nt h ep l a s t i cf o r m i n g a r e a i sc o n c e n t r a t e do nc o l df o r m i n g ，e s p e c i a l l yo ns h e e tf o r m i n g ，b u tt h e s t u d yo nf r i c t i o ni nh e a v yf o r g i n gf o r m i n ga r e ae v e nh o t f o r g i n gf o r m i n g a r e ai st o ol i t t l e a sar e s u l t ，l a go ff r i c t i o nm e c h a n i s ma n df r i c t i o nm o d e l i nh o t f o r g i n gd i r e c t l ya f f e c t st h ea p p l i c a t i o no fn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni n f o r g i n gf o r m i n g b a s e do nt h ea b o v e - m e n t i o n e d ，t h i sp a p e rs t u d i e dt h ev a r i a t i o no f f r i c t i o nf a c t o ri nt h ef o r m i n gp r o c e s so fh e a v yf o r g i n g a tf i r s t ，t h i sp a p e r f i n i s h e dt h er i n gc o m p r e s s i o nt e s ti nt h ed r yf r i c t i o n s t a t eo nt h e g l e e b l e - - 150 0 dt e s t i n gm a c h i n e ，a n dt h e nt h r o u g hc a l c u l a t i n gt h e f r i c t i o nf a c t o rw h i c ha r ea l m o s tb e t w e e n0 5 0 8a r eg o r e n ；t h ef r i c t i o n f a c t o rh a st h et r e n do f i n c r e a s i n g w i t ht h e i n c r e a s i n g o ft h e d e f o r m a t i o nd e g r e e a c c o m p a n yt h ei n c r e a s eo fs t r a i nr a t e ，t h ef r i c t i o n f a c t o ri sd e c r e a s e do b v i o u s l y ，a n dt h ef r i c t i o nf a c t o ri ss t a b l ew h e nt h e s t r a i nr a t er e a c ht h ev a l u eo f ls 一a n dt h e n ，t h i sp a p e rf i n i s h e dt h er i n g c o m p r e s s i o n t e s tw h e nt h em n l8 c rl8 ns t e e lu n d e rt h ed i f f e r e n t l u b r i c a t i o ns t a t e a n a l y z i n gt h er e s u l to ft h et e s t , w h i c hc a nb ef o u n d t h a tw i t ht h ei n c r e a s e dt e m p e r a t u r ei nt h ed i f f e r e n tl u b r i c a t i o ns t a t e ，t h e f r i c t i o nf a c t o ri si n c r e a s e da c c o r d i n g l y ；a n dt h ef r i c t i o nf a c t o rh a st h e t r e n do fd e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s e ds t r a i nr a t e ；g r a p h i t el u b r i c a t i n g e f f e c ti sb e t t e rt h a ng l a s s ，t h el u b r i c a t i o ns t a t ei sw o r s ti nt h ec o n d i t i o no f 1 1 i a b s t r a c t d r yf r i c t i o n p u 【ta l lo ft h ed a t ai n t ot h es o f t w a r ed e f o r m 2 d ，w h i c hi n c l u d e st h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t r a i nr a t ea n df r i c t i o nf a c t o rw h e np bi si nt h ed r y f r i c t i o nu n d e rn o r m a l t e m p e r a t u r e a n dt h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t e m p e r a t u r ea n df r i c t i o nf a c t o rw h e n 1 8 c r l8s t e e li su n d e rt h es t a t eo f d r yf r i c t i o n 。a n dt h e n ，u s et h i ss o f t w a r et oc a l c u l a t ea l lo f t h ed a t ab yt h e w a yo fs i m u l a t i o n b yc o m p a r i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t sw i t ht h ea c t u a l h o t f o r g i n gr e s u l t s ，i t c a nb ec o n f i r mt h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t e m p e r a t u r ea n df r i c t i o nf a c t o ri s c l o s et ot h es t a t eo ff r i c t i o ni na c t u a l p r o d u c t i o n k e yw o r d ：h e a v yf o r g i n g s ；p b ；m n l8 c r l 8 ns t e e l ；r i n gc o m p r e s s i o n ； f r i c t i o nf a c t o r ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i v 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指 导下独立完成的，学位论文的知识产权属于太原科技 大学。如果今后以其他单位名义发表与在读期间学位 论文相关的内容，将承担法律责任。除文中已经注明 引用的文献资料外，本学位论文不包括任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的成果。， 学2 位0 0 论8 骣户触年月，日 。 第一章绪论 1 1 大型锻造技术的现状 第一章绪论 大型锻件一般用于机器设备的关键和核心部位，是制造重大装备的基础件， 比如电力、钢铁、石化、造船、交通、军工、重矿机械、航空航天工业设备以及 模具、齿轮等通用件的生产都离不开大锻件。因而大锻件的发展对经济建设、国 防实力、出口创汇以及工作母机制造，材料加工业的进步都具有重要的意义，所 以可以说大型铸锻件产业的发展是衡量一个国家工业水平和国防实力的标志之 一 1 】o 我国大锻件行业经历了l o 余年低谷徘徊之后，到“十五”末呈现出强劲发 展态势。其一，大型锻造装备能力和水平快速提高，一重1 5 0 m n 和二重1 6 0 m n 水 压机已相继相继投产，上重1 6 5 1 1 l q 、中信重机1 8 5 m n 液压机也在制造之中，我国 自由锻液压机的等级和数量，已进入世界前列口1 。其二，大锻件国内市场需求急 剧增加，尤其是1 0 0 0 m w 核电、1 0 0 0 m w 超超临界火电、7 0 0 m w 水电等高端大锻件 产品更是供不应求阳3 。这些电站大锻件具有超大型化、结构一体化和复杂化的新 特点，并且新材料大量使用，制造难度大大增加。如在1 0 0 0 m w 核电机组中，无 论是法码通的e p r ，还是西屋联合体的a p l 0 0 0 ，都含有大量技术要求高、规格大、 形状复杂的锻件。e p r 压力容器的接管段锻件以及常规岛中的汽轮机低压整体转 子、发电机转子都需要6 0 0 吨级的钢锭锻造，e p r 蒸发器下封头、a p l 0 0 0 压力容 器整体顶盖、锥形简体等形状复杂的锻件都需要整体锻造。然而，我国现有大锻 件制造能力和质量水平与国外差距明显，大型锻造生产能力快速提升与锻造技术 水平较为滞后的这一矛盾日益突出，成为制约我国重大技术装备制造业的瓶颈。 大锻件是综合材料、冶炼、锻造、热处理和检测为一体的高技术产品。其中 的大型锻造工艺具有多火次加热、多工序变形的特征，工艺变形的特征，工艺过 程冗长，并且为高温、高压条件下的非稳定间歇成形，影响因素多、变化复杂。 大锻件生产为单件、小批量，前期投入相当大，这对工艺制定的合理性提出了挺 高的要求，迫切需要“一次制造成功。，否则产品一旦报废，在经济和时间上都 损失惨重，无法挽回h 1 。由于传统的热加工工艺设计只能凭经验，采用试错法 ( t e s ta n de r r o rm e t h o d ) ，无法对材料内部宏观、微观结构的演化进行理想控 l 大型锻造过程接触摩擦机理及变化规律的研究 制，而建立在工艺数值模拟、优化基础上的热加工工艺设计技术，可以将“隐患 消灭在计算机拟实加工的反复比较中，从而确保关键大件一次制造成功。因此， 在生产大锻件新产品或制定大型锻造新工艺时，综合采用先进的模拟技术，全面 提高我国大型锻造技术水平就显得非常迫切。 1 2 有限元数值模拟技术现状和发展趋势 金属塑性成形技术是一种少、无切削的金属加工方法，广泛应用于工业生 产部门，其理论和应用研究一直受到国内外广大科技工作者的高度重视。常见 的金属塑性成形工艺包括锻造、挤压、轧制、拉拔和板料冲压等。作为一个系 统，对金属塑性成形的研究包括对成形金属、模具、成形金属与模具作用的边 界条件、加工设备以及最终产品特性的研究等等。近年来，随着计算机硬件、 软件技术的飞速发展和对材料成形过程物理规律研究的深入，材料成形过程计 算机模拟技术取得了很大的进展。在过去的2 0 年中，以有限元方法为主的金属 塑性成形过程的数值模拟技术得到了极大的进步和发展，并成为模具与工艺 c a d c a m c a e 技术的重要核心技术之一，在工业生产中已经得到了广泛应用。 由于塑性成形技术能够真实地描述金属塑性成形过程材料的流动全貌，显示出 成形过程中材料、模具的各种物理场量的分布与变化规律、诊断和预测成形过 程缺陷，从而在计算机上形象地显示出塑性成形虚拟制造过程，为验证和掌握 塑性成形工艺与模具设计方案提供强有力的工具。因此，有限元法在金属塑性成 形领域得到了日益广泛的应用。 有限元数值模拟在大型锻造中的应用始于2 0 世纪8 0 年代初，现已成为其 工艺研究与开发的重要手段【5 1 。数值模拟是通过建立相应的数学模型，在工艺 设计阶段，用计算机对工艺的全过程进行分析，它不仅可以通过图形、数据等 形式直观地反映诸如材料塑性流动、温度场、应变场、载荷等各种信息，而且 能预测可能存在的缺陷；通过改变工艺参数对不同方案进行模拟分析，从各方 案的对比中总结出规律，进而实现工艺的优化，确定工艺方案和主要工艺参数。 数值模拟技术在保证工件质量，减少材料消耗，提高生产效率，缩短试制周期 等方面显示出无可比拟的优越性。数值模拟是工艺方评价和工艺参数优化的主 要手段，也是工艺模拟试验设计的依据。由于数值模拟可以提供整个变形过程 十分翔实的相关数据，并且通过改变工艺参数对不同方案进行模拟分析，从各 2 第一章绪论 方案的对比中总结规律、分析原因，进而实现工艺的优化，确定工艺方案和主 要工艺参数。对于一些重要的锻件，数值模拟还为其工艺模拟试验设计提供必 要依据。 对于大型锻造过程的有限元数值模拟技术，其边界条件的假设，即工件与 模具表面的摩擦状态是影响模拟精度和结果的一个重要因素，模拟精度的提高 在很大的程度上又与接触摩擦的处理有关，因此研究接触面上的摩擦机理对提 、掣 高模拟的仿真度有很大意义。 1 3 塑性成形中摩擦模型的研究现状 在塑性加工绝大部分工艺中，金属毛坯是由模具在接触面上施加压力而逐 步产生塑性变形的。这个接触界面的作用对金属材料的塑性变形影响很大，它 的形状、表面状态对金属毛坯的变形分布以及最终产品的形状起着决定作用。 然而在塑性加工过程的任一瞬时，变形毛坯与模具在接触表面有相对运动，因 而必然存在摩擦。由于摩擦的作用，模具产生磨损，工件表面出现划伤，这样 即缩短模具寿命，又影响产品质量，同时还会引起毛坯变形不均匀，使塑性成 形时的变形力和变形功增加等等1 。塑性成形数值模拟的结果是否接近于生产 实际，这在很大程度上取决于接触摩擦的处理。然而在塑性成形过程中影响摩 擦的因素众多，这些因素主要包括：接触压力、成形速度、工件及模具的材料、 表面粗糙度、润滑剂以及即时变形情况等等。为了确定它们与摩擦力的具体关 系，国内外有许多学者对此进行了深入的研究口1 钔。 在摩擦理论方面有经典摩擦理论( 如库仑摩擦定律) 和非经典摩擦理论之分， 经典摩擦理论主要包括n 州1 1 ：1 ) 机械理论：此理论认为摩擦是由于表面上的凹凸 不平，即当两个固体表面发生接触时，由于表面的凹凸不平处的互相啮合，而产 生了阻碍两固体流动的阻力。2 ) 分子理论：此理论认为摩擦是由于分子间的吸力 和斥力而引起的，并且摩擦系数与接触面积成正比，与载荷的立方根成反比。3 ) 粘着理论：此理论认为，当两表面相接触时，在载荷的作用下，某些接触点的单 位压力很大，这些点将牢固的粘着，使两表面形成一体，即称为粘着或冷焊。当 一表面相对另一表面滑动时，粘结点则被剪断，而剪断这些连接点的力就是摩擦 力。此外还有分子一机械理论、摩擦的能量理论。代表性的非经典摩擦理论有 o d e n 和p i r e s 提出的以切向相对滑移为函数的摩擦理论以及f r e r i c k s s o n 、 大型锻造过程接触摩擦机理及变化规律的研究 c u r n i e r 提出的类似于弹塑性理论形式的摩擦理论等。前者理论形式比较完备， 能够反映摩擦问题的非线性特征及非局部特征，但所涉及的参数不易确定，从而 在数值分析中受到很大限制。弹塑性形式的摩擦理论则能够反映接触点在宏观滑 移前产生的微观位移，因此可在一定程度上克服经典摩擦理论的缺陷。就现阶段 金属塑性加工中摩擦模型的发展，多为冷成形领域特别是板料成形摩擦模型的研 究，而热成形领域包括热锻在内很少有较大的突破。 目前，在塑性成形领域，常用摩擦模型有：常摩擦力模型、库伦摩擦模型、 修正库伦摩擦模型、非线性摩擦定律、非局部摩擦定律等。 ( 1 ) 常摩擦模型 常摩擦模型认为接触面间的摩擦力，不随正压力大小而变。其接触面上的 摩擦切应力f 与被加工金属的剪切屈服强度k 成正比，表达式为阎： f = m k( 1 1 ) 式中，r 摩擦因子，取值范围为坍1 ； 卜被加工金属的剪切屈服强度。 若m = l ，即f = f 蚴= k ，这称为最大摩擦力条件，在热塑性成形时，也常 采用最大摩擦力条件。在用上限法或有限元发分析热塑性成形过程时，一般采用 常摩擦模型，因为采用这一模型，事先不需要知道接触面上的正压应力分布情况， 因此比较方便。 ( 2 ) 库伦摩擦模型 经典库仑摩擦定律是金属塑性成形中常用的摩擦条件之一，不考虑接触面上 的粘合现象，认为摩擦力与接触面上的正压力成正比，其数学表达式为阎： z = 停。或f = ( 1 - 2 ) 式中 z 切向摩擦力；p 。一法向接触力； f 摩擦切应力：盯。接触面上的正压应力； 外摩擦系数。 在应用该摩擦模型时，除了需要知道摩擦系数之外，还要知道正压应力在接 触面上的分布情况，摩擦系数应根据实验来确定。 ( 3 ) 修正库伦摩擦模型 4 第一章绪论 经典库伦摩擦定律没有考虑其他因素对摩擦的影响，由此模型计算得到的摩 擦力也就不够准确。因此，在经典库伦摩擦定律的基础上，加入其他影响因素， 得到修正的库仑摩擦模型。常用的修正的库仑摩擦模型【2 3 】； f t ：一印、2 a r c t a n v ( 1 - 3 ) ， 式中卜接触点处板料节点与模具型面之间的相对滑动速度； 卜一个不大的正数 在此摩擦模型中引入了修正系数( 如光顺函数) ，由于光顺函数中考虑了相 对滑动速度的影响，所以，它比用经典库仑摩擦模型计算摩擦力来说要准确的多。 ( 4 ) 非线性摩擦模型 由于只要有切向力存在，两接触面就会产生相对滑移。因此，库仑摩擦定律 可修正为以下所示非线性摩擦模型例： 以 占，z = e ， ( 1 - 4 ) 配g ，z = , a p 。 ( 1 - 5 ) 式中矿两接触面间相对滑移；f 接触面物理化学性能； e ，表面粗糙度等相关的参量。 ( 5 ) 非局部摩擦模型 o d e n 等提出，在细观尺度上有必要用非局部摩擦模型替代库仑摩擦模型来 考虑接触界面上微凸结构引起的非局部摩擦效应。非局部摩擦定律认为，金属间 的接触界面是粗糙的，质点的摩擦效应不仅与该点的状态直接相关，而且与该点 领域内的其它点的状态也有关。南昌大学的扶名福等采用非局部摩擦定律，借助 主应力法建立了塑性成形中部分工艺的力平衡方程【2 5 】，并且建立了冷挤压成形中 的非局部润滑模型【l l 】。非局部摩擦模型【2 6 】： f ( x ) = 心口( p ( x ) ) ( 1 6 ) s p ( p ( x ) ) 2f p ( ix zi ) p ( z ) d z ( 1 - 7 ) 式中f ( x ) 摩擦应力摩擦系数 尸御的法向压应力p 影响质点x 处摩擦力大小的有限邻域 大型锻造过程接触摩擦机理及变化规律的研究 尺寸 口口( 1z zi ) 为核函数，一般取为6 函数 目前，在大型锻造成形数值模拟技术中多数采用的是常摩擦模型，在此领域 对新摩擦模型的探讨还很少。其余几种摩擦模型和理论目前多应用于冷成形中， 特别是板料成形方面，并取得了不错的成绩。 1 4 课题来源及主要研究内容 课题来源：3 0 0 m w 以上大型护环短流程热锻件技术理论与实验研究( 国家 自然科学基金项目) ；大型铸锻件共性技术研究( 国家“十一五 科技支撑计 划项目) 。 国内外学术界关于建立适合大型锻造成形过程的新摩擦模型的研究比较 少，可以引用的直接经验几乎没有，只能通过借鉴相关领域的建模理论和经验 来完成。而上述所列举的这些模型都建立在经典库伦摩擦模型基础上。因此， 本文在选择以常摩擦模型为基础，在工件材料一定时( 金属的剪切屈服强度k 保持不变) ，通过试验的方法分析摩擦因子与变形温度、变形速度、变形量和 润滑状况之间的关系，并验证这些关系的合理性。 本文的主要研究内容有以下几方面： 1 选择圆环镦粗法作为测定摩擦系数的方法，并根据不同金属的特性建立 相应的试验方案。 2 使用变形功法编写计算机程序或使用d e f o r m 有限元软件模拟法绘制试 验所需的理论标定曲线，为得到准确的摩擦因子值做准备。 3 在g l e e b l e 一1 5 0 0 d 热模拟试验机上完成常用铅在常温下干摩擦状态 的圆环镦粗试验，测量和记录在实验过程中的变形速率、变形量等参数，计算 得到相应的摩擦系数，分析摩擦因子分别与各主要参数间的关系。 4 在g l e e b l e 一15 0 0 d 热模拟试验机上完成m n l 8 c rl s n 钢热变形模拟试 验，测量和记录在实验过程中的变形速率、变形温度等参数，计算得到相应的 摩擦因子，分析摩擦系数分别与各主要参数间的关系。 5 将所得部分结果代入d e f o r m 有限元软件中，模拟大锻件锻造过程，验 证所得试验结果的准确性。 6 第二章金属塑性成形中的摩擦理论 2 1 引言 第二章金属塑性成形中的摩擦理论 金属塑性加工摩擦学是摩擦学这门新兴边缘学科的一个分支，其本质就是将 摩擦学原理扩展到塑性加工技术领域中去，应用摩擦学知识对塑性加工中的各种 技术问题进行系统的分析，来阐明塑性加工过程中产生摩擦的原因和降低摩擦的 润滑机理，以解决塑性加工过程中因摩擦引起的各种技术问题。这当然也包扩大 锻件锻造过程中的摩擦机理分析和如何降低其摩擦，以便充分利用大锻件的成形 性能，达到更好的经济效益。大型锻造过程中，工件和模具之间不可避免的会产 生摩擦，而其接触状态是随着时间的变化而变化的，故他们之间的摩擦也必然随 着时间的变化而变化，是一个典型的边界条件非线性问题，并且大型锻造过程中 还将产生大塑性变形和大位移，故它也是一个材料非线性及几何非线性问题。因 此，要准确描述大型锻造过程中的接触摩擦是非常困难的，通常在大型锻造成形 数值模拟中采用库伦摩擦定律或常摩擦因子模型，这就使得数值模拟结果常常与 实际结果有偏差。在实际大型锻造成形过程中，为了提高工件的成形性能及改善 成形时的摩擦状态，通常会使用润滑剂，故要准确描述大型锻造时的摩擦就变得 更加困难。 2 2 金属塑性成形中摩擦的分类及机理 2 2 1 摩擦的分类 为了更好的研究和控制摩擦，塑性成形时的摩擦根据其性质可分为干摩擦、 流体摩擦、边界摩擦和混合摩擦四种： 1 ) 干摩擦 干摩擦是指不存任何外来介质时金属与工具的接触表面之间的摩擦但在实 际生产中，这种绝对理想的干摩擦是不存在的。因为金属塑性加工过程中，其表 面多少存在氧化膜，或吸附一些气体和灰尘等其它介质。但通常说的干摩擦指的 是不加润滑剂的摩擦状态。 大型锻造成形过程中，由于工件体积大且大部分暴露在空气当中，加之成型 温度高，工件容易被氧化而在表面生成一层比较厚的氧化皮，直接影响了接触面 7 大型锻造过程接触摩擦机理及变化规律的研究 状态；过高的温度也容易造成润滑剂的分解和变质，降低其润滑性能；并且，庞 大的体积和高温又给再次润滑带来很大的困难。大型锻造成形常采用自由锻的方 法，有时需要不断改变模具和工件的位置，成形开始时添加的润滑剂会渐渐失去 作用，而在接下来的过程中又很难进行再次润滑，致使工件和模具间的摩擦状况 很差甚至处于干摩擦状态。因此，在大型锻造成形过程中研究干摩擦状态具有 很重要的意义。 2 ) 流体摩擦 当金属与工具表面之间的润滑层较厚，摩擦副在相互运动中不直接接触，完 全由润滑油膜隔开，摩擦发生在流体内部分子之间者称为流体摩擦。它不同于干 摩擦，摩擦力的大小与接触面的表面状态无关，而是与流体的粘度、速度梯度等 因素有关。因而流体摩擦的摩擦系数是很小的。塑性加工中接触面上压力和温度 较高，使润滑剂常易挤出或被烧掉，所以流体摩擦只在有条件的情况下发生和作 用。 3 ) 边界摩擦 当坯料与工具之间的接触表面上加润滑剂时，随着接触压力的增加，坯料表 面凸起部分被压平，润滑剂被挤入凹坑中，并被封存在里面，这时在压平部分与 模具之间存在一层极薄的润滑膜，其厚度约为l o - s m m 左右。这种润滑膜一般是 一种流体的单分子膜，接触表面就处在被这种单分子膜隔开的状态，这种单分子 膜润滑的状态称为边界润滑，这种状态下产生的摩擦称为边界摩擦。若这层单分 子膜完全被挤掉，则工具与变形金属直接接触，此时会出现粘膜现象。大多数塑 性成形中的摩擦均属于边界摩擦。 熟燃糕 ( a ) 干摩擦( b ) 边界摩擦( c ) 流体摩擦 图2 - 1 摩擦分类示意图 8 第二章金属塑性成形中的摩擦理论 4 ) 混合摩擦 s 粘着部分b 边界摩擦部分卜流体润滑部分 图2 - 2 接触面的放大模型图 混合摩擦是指在摩擦表面上同时存在着流体摩擦、边界摩擦和干摩擦的混合 状态下的摩擦。混合摩擦般以半干摩擦或半流体摩擦的形式出现，所谓半干摩 擦是指在摩擦表面上同时存在着干摩擦和边界摩擦的状况，而半流体摩擦则是指 在摩擦表面上同时存在着边界摩擦和流体摩擦的状况。一般金属材料的塑性成形 加工中的摩擦都属于混合摩擦状态，并且对于不同的加工工艺，随着接触压力的 增大，其干摩擦所占的比例逐渐增大。 2 2 2 摩擦的机理口卜3 2 3 塑性加工时摩擦的性质是复杂的，目前尚未能彻底地揭露有关接触摩擦的规 律。关于摩擦产生的原因，即摩擦机理，有以下几种说法： 1 ) 表面凸凹学说 所有经过机械加工的表面并非绝对平坦光滑，都有不同程度的微观凸起和凹 入。当凹凸不平的两个表面相互接触时，一个表面的部分“凸峰”可能会陷入另 一表面的凹坑，产生机械咬合。当这两个相互接触的表面在外力的作用下发生 相对运动时，相互咬合的部分会被剪断，此时摩擦力表现为这些凸峰被剪切时的 变形阻力。根据这一观点，相互接触的表面越粗糙，相对运动时的摩擦力就越大。 降低接触表面的粗糙度，或涂抹润滑剂以填补表面凹坑，都可以起到减少摩擦的 作用。 2 ) 分子吸附说 当两个接触表面非常光滑时，接触摩擦力不但不降低，反而会提高，这一现 象无法用机械咬合理论来解释。分子吸附学说认为：摩擦产生的原因是由于接触 面上分子之间的相互吸引的结果。物体表面越光滑，实际接触面积就越大，接触 面间的距离也就越小，分子吸引力就越强，因此，滑动摩擦力也就越大。 3 ) 粘着理论 9 大型锻造过程接触摩擦机理及变化规律的研究 这一理论认为，当两个表面接触时，接触面上某些接触点处压力很大，以 致发生粘接或焊和，当两表面产生相对运动时，粘接点被切断而产生相对滑动。 现代摩擦理论认为，摩擦力不仅包含有剪切接触面机械咬和所产生的阻力，而 且包含有真实接触表面分子吸附作用所产生的粘合力及切断粘接点所产生的阻 力。对于流体摩擦来说，摩擦力主要表现为润滑剂层之间的流动阻力。 2 3 塑性成形中摩擦的特点 在大型锻造过程中，模具与工件表面之间可能存在着相对滑动，或者存在 着金属的塑性流动，因而不可避免地存在着摩擦。塑性成形过程中的摩擦行为 与一般机械传动中的摩擦行为相比，存在着自己的特点，主要有躺司： ( 1 ) 在高压下产生的摩擦。大型锻造过程中接触表面上的单位压力很大， 一般热加工时面压力为1 0 0 - 1 5 0 m p a ，冷加工时可高达5 0 0 - 2 5 0 0 m p a 。但是，机 器轴承中，接触面压通常只有2 0 - 5 0 m p a ，如此高的面压使润滑剂难以带入或易 从变形区挤出，使润滑困难及润滑方法特殊。 ( 2 ) 较高温度下的摩擦。大型锻造成形时界面温度条件例恶劣。对于热加 工，根据金属不同，温度在数百度至一千多度之间，对于冷加工，则由于变形 热效应、表面摩擦热，温度可达到颇高的程度。高温下的金属材料，除了内部 组织和性能变化外，金属表面要发生氧化，给摩擦润滑带来很大影响。 ( 3 ) 伴随着塑性变形而产生的摩擦，在塑性变形过程中由于高压下变形， 会不断增加新的接触表面，使工具与金属之间的接触条件不断改变。接触面上 各处的塑性流动情况不同，有的滑动，有的粘着，有的快，有的慢，因而在接 触面上各点的摩擦也不一样。 ( 4 ) 摩擦副( 金属与工具) 的性质相差大，一般工具都硬且要求在使用时 不产生塑性变形；而金属不但比工具柔软得多，且希望有较大的塑性变形。二 者的性质与作用差异如此之大，因而使变形时摩擦情况也很特殊。 2 4 塑t l 生成形过程中摩擦系数的主要影晌因素 在在经典摩擦模型中，摩擦系数只取决于材料性质。现代科学指出，摩擦 系数与金属性质、工艺条件、表面状态、单位压力及所采用润滑剂的种类与性 能等因素有关口6 侧。 1 0 第二章金属塑性成形中的摩擦理论 1 ) 金属的种类和化学成分 摩擦系数随着不同的金属、不同的化学成分而异。由于金属表面的硬度、 强度、吸附性、扩散能力、导热性、氧化速度、氧化膜的性质以及金属间的相 互结合力等都与化学成分有关，因此不同种类的金属，摩擦系数不同。例如， 用光洁的钢压头在常温下对不同材料进行压缩时测得摩擦系数：软钢为0 1 7 ； 铝为0 1 8 ；口黄铜为0 i 0 ，电解铜为0 1 7 ，既使同种材料，化学成分变化时， 摩擦系数也不同。如钢中的碳含量增加时，摩擦系数会减小( 图4 - 5 所示) 。 一般说，随着合金元素的增加，摩擦系数下降。 粘附性较强的金属通常具有较大的摩擦系数，如铅、铝、锌等。材料的硬 度、强度越高，摩擦系数就越小。因而凡是能提高材料硬度、强度的化学成分 都可使摩擦系数减小。 2 ) 工具材料及其表面状态 一般来说，相同的金属有相同的分子原子结构，表面亲和力强，例如用来 演示分子引力的两块纯净的铅块，表面接触时容易产生粘着现象，分子作用增 强，其摩擦系数增大。不同的金属由于互熔性差，不易发生粘着现象，分子作 用不明显，因此摩擦系数较小。工具的表面状态视工具表面的精度及机加工方 法的不同，摩擦系数可能在0 0 5 - 0 5 范围内变化。一般来说，工具表面光洁度 越高，摩擦系数越小。但如果两个接触面光洁度都非常高，由于分子吸附作用 增强，反使摩擦系数增大。 在干净的金属表面上，吸附了氧和蒸汽分子后，就发生一种化学反应，即 在金属表面上形成了氧化膜。而氧化膜的形状与其生长过程的环境条件有关， 例如，缓慢生长的氧化膜是相当光滑的，但在较高温度下形成的氧化膜则具有 粗糙的外形，因此表面膜即可使摩擦系数减小，也可使摩擦系数增大。 3 ) 接触面上的单位压力 单位压力较小时，表面分子吸附作用不明显，摩擦系数与正压力无关，摩 擦系数可认为是常数。当单位压力增加到一定数值后，润滑剂被挤掉或表面膜 破坏，这不但增加了真实接触面积，而且使分子吸附作用增强，从而使摩擦系 数随压力增加而增加，但增加到一定程度后趋于稳定。 4 ) 变形温度 大型锻造过程接触摩擦机理及变化规律的研究 变形温度对摩擦系数的影响很复杂。因为温度变化时，材料的温度、硬度 及接触面上的氧化质的性能都会发生变化，可能产生两个相反的结果：方面 随着温度的增加，可加剧表面的氧化而增加摩擦系数：另一方面，随着温度的 提高，被变形金属的强度降低，单位压力也降低，这又导致摩擦系数的减小， 所以，变形温度是影响摩擦系数变化因素中，最积极、最活泼的一个，很难一 概而论。此外还可出现其他情况，如温度升高，润滑效果可能发生变化；温度 高达某值后，表面氧化物可能熔化而从固相变为液相，致使摩擦系数降低。但 是，根据大量实验资料与生产实际观察，认为开始时摩擦系数随温度升高而增 加，达到最大值以后又随温度升高而降低。这是因为温度较低时，金属的硬度 大，氧化膜薄，摩擦系数小。随着温度升高，金属硬度降低，氧化膜增厚，表 面吸附力，原子扩散能力加强 同时，高温使润滑剂性能变坏，所以，摩擦系 数增大。当温度继续升高，由于氧化质软化和脱落，氧化质在接触表面间起润 滑剂的作用，摩擦系数反而减小。 5 ) 变形速度 许多实验结果表明，随着变形速度增加，摩擦系数下降，例如用粗磨锤头 压缩硬铝试验提出：4 0 0 。c 静压缩= 0 3 2 ：动压缩时u = 0 2 2 ；在4 5 0 时相 应为0 3 8 及0 2 2 。实验也测得，当g l n 速度由0 增加到5 m s 时，摩擦系数降 低半。 变形速度增加引起摩擦系数下降的原因，与摩擦状态有关。在干摩擦时， 变形速度增加，表面凹凸不平部分来不及相互咬合，表现出摩擦系数的下降。 在边界润滑条件下，由于变形速度增加，油膜厚度增大，导致摩擦系数下降。 但是，变形速度与变形温度密切相关，并影响润滑剂的曳入效果。因此，实际 生产中，随着条件的不同，变形速度对摩擦系数的影响也很复杂。有时会得到 相反的结果。 6 ) 润滑剂 压力加工中采用润滑剂能起到防粘减摩以及减少工模具磨损的作用，而不 同润滑剂所起的效果不同。因此，正确选用润滑剂，可显著降低摩擦系数。常 用金属及合金在不同加工条件下的摩擦系数可查有关加工手册( 或实际测量) 。 1 2 第二章金属塑性成形中的摩擦理论 2 5 塑性成形中常用润滑剂和润滑方式 润滑是减小摩擦对塑性成形过程不良影响的最有效措施。润滑的目的是降 低接触面间的摩擦力；提高模具寿命；提高产品质量；降低变形抗力；提高金属 充满模膛的能力等。为实现上述目的，应选择具有良好的耐压性和耐热性，同时 对模具有冷却作用，无毒无腐蚀的润滑剂1 。 2 5 1 塑性成形中常用的润滑剂 在塑性成形中常用的润滑剂，按其形态可分为：液体润滑剂、固体润滑剂 两大类。 1 液体润滑剂 这类润滑剂主要包括各种矿物油、植物油、动物油、乳液和有机化合物液 体等。矿物油的分子组成中只含有碳、氢两种元素，由非极性的烃类组成，当 它与金属接触时，只发生非极性分子与金属表面的物理吸附作用，不发生任何 化学反应，润滑性能较差，在压力加工中较少直接用作润滑剂。通常只作为配 制润滑剂的基础油，再加上各种添加剂，或是与固体润滑剂混合，构成液一固混 合润滑剂。动植物油脂内所含的脂肪酸主要有硬脂酸( c 1 7 h 3 5 c o o h ) 、棕榈酸 ( 软脂酸c 1 5 h 3 1 c o o h ) 及油酸( c 1 7 h 3 3 c 0 0 h ) 这三种。它们都含有极性根( 如 c o o h ，c o o n a ) ，属于极性物质。这些有机化合物的分子中，一端为非极性的烃 基；另一端则为极性基，能在金属表面上作定向排列而形成润油膜。这就使润 滑剂在金属上的吸附力加强，故在塑性加工中不易被挤掉。乳液是一种可溶性 矿物油与水均匀混合的两相系。在一般情况下，油和水难以混合，为使油能以 微小液珠悬浮于水中，构成稳定乳状液，必须添加乳化剂，使油水间产生乳化 作用。另外，为提高乳液中矿物油的润滑性，也需添加油性添加剂。 2 固体润滑剂 这类润滑剂在常温下呈固态。根据它在高温时存在的形式，可分为干性固 体润滑剂和软( 熔) 化固态润滑剂。 ( 1 ) 干性固体润滑剂 这类润滑剂在变形过程中不改变自身的聚集状态，如石墨、二硫化钼、云 母等。 1 ) 石墨：石墨属于六方晶系，具有多层鳞状结构，有油脂感。同一层的原 1 3 大型锻造过程接触摩擦机理及变化规律的研究 子间距比层与层的间距要小的多，所以同层原子间的结合力比层与层间的结合 力大。当晶格受到切应力的作用时，应容易产生层间的滑移。所以用石墨作为 润滑剂，金属与工具的接触面间所表现的摩擦实质上是石墨层与层之间的内摩 擦。而且，这种内摩擦力比金属与工具直接接触时的摩擦力要小得多，从而起 到润滑作用。石墨具有良好的导热性和热稳定性，其摩擦系数随正压力的增加 而有所增大，但与相对滑动速度几乎没有关系。此外，石墨吸附气体后，摩擦 系数会减小，因而在真空条件下的润滑性能不如空气中好。石墨的摩擦系数一 般在0 0 5 - 0 1 9 的范围内。 2 ) 二硫化钼：二硫化钼也属于六方晶系结构，其润滑原理与石墨相同。但 它在真空中的摩擦系数比在大气中小，所以更适合作为真空中的润滑剂。二硫 化钼的摩擦系数一般为0 1 2 - 0 1 5 。 在大气中，石墨温度超过5 0 0 开始氧化，二硫化钼则在3 5 0 时氧化，为 了防止石墨、二硫化钼氧化，常在石墨、二硫化钼中加入三氧化二硼，以提高 使用温度。石墨、二硫化钼是目前塑性加工中常用的高温固体润滑剂，使用时 可制成水剂或油剂。 ( 2 ) 软( 熔) 化固态润滑剂 此类润滑剂在工作温度超过其软( 熔) 化点时会变软或熔化，但不燃烧， 不会逸出有害气体。属于这一类的润滑剂有玻璃粉、珐琅、天然矿物和无机盐 世 守o 1 ) 玻璃：在高温塑性成形时，常用玻璃做润滑剂，它具有以下特点： a 玻璃在加热过程中没有明显的熔点，随着温度升高，它逐渐软化，直至 成为液态。液态玻璃包裹在坯料表面上，使坯料不与模具直接接触，从而起到 润滑作用。同时由于玻璃的导热性差，因而坯料的降温减少，模具也可避免过 热，这都利于塑性成形。 ( 2 ) 玻璃的使用温度范围很广，从4 5 0 - 2 2 0 0 c 的工作温度范围都可选用， 玻璃的粘度随温度上升而减小，且成分不同，粘度一温度特性不同，因此可根据 加工的温度和所需的粘度，选用合适的玻璃成分。 ( 3 ) 玻璃的化学稳定性好，和金属不起化学反应。使用时可以粉末状、网 状、丝状及玻璃布等型式单独使用，也可与其他润滑剂混合使用。玻璃润滑剂 1 4 第二章金属塑性成形中的摩擦理论 的特点是：被加工后的零件表面上会附上一层玻璃，不易清除。 玻璃的润滑剂的摩擦系数很小，一般在0 0 4 0 0 6 之间。 2 ) 珐琅：珐琅是涂在金属表面上作为防腐蚀及装饰用的普通搪瓷，它以 粉末、含水悬浮浊液及酒精悬浮浊液的形式使用。工件变形后，可用酸洗、碱 洗或其他一些专门方法除掉制品表面上的珐琅。 3 ) 无机盐类：无机盐类是天然的或者合成的结晶物质。在塑性成形中常 用的无机盐润滑剂有盐酸盐、磷酸盐、硝酸盐等。 此外，皂类、蜡类等和有机盐和硬脂酸锌、硬脂酸钠及一般肥皂也常用来 做润滑剂。固态润滑剂的状态可以是粉末，但多数是制成糊剂或悬浮液。 2 5 2 塑形成形中的润滑方法 在金属塑性成形中，人们正逐渐采用压缩空气喷溅方法施加润滑剂。此法 涂层均匀，便于机械化、自动化，劳动条件和润滑效果都较好。此外，还可结 合加工具体情况，采用以下方法： 1 流体润滑 流体润滑常用于线材拉拔，在模具入口处加一个套管。套管与坯料间具有 很小间隙。当坯料从套管中高速通过时，就把润滑剂带入模孔内。在模孔入口 处，由于间隙变小，润滑油产生高压。当压力高到一定数值时，在坯料与模具 之间就产生和保持流体润滑膜，起良好润滑作用。 在反挤压时，将凹模和坯料作成如图所示的形状，在反挤压过程中，润滑 剂能够持久稳定地起到隔离冲头与毛坯的作用，产生良好的作用。 在静液挤压和充液拉深等工艺中高压液体是作为传递变形力的介质，同时 又起到强制润滑作用。故挤压力比普通挤压要低得多。 2 表面处理 ( 1 ) 表面磷化处理。冷挤压、冷拉拔钢制品时，即使润滑油中加入添