（材料加工工程专业论文）铜管拉拔成形摩擦机理及润滑剂性能测试装置研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：羝g 蜂 日期矽堕里! ! 翌 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：羝墨莽导师签名：捌日 期：銎堕竺! ! 山东大学硕士学位论文 摘要 本文详细研究了金属塑性成形过程中拉拔工艺的摩擦机理，润滑方式和 对润滑剂的要求。从理论上分析了管材在空拉、固定芯头拉拔和游动芯头拉 拔时摩擦对管材成形工艺力的影响，并对不同拉拔方式下润滑剂的选用提出 了建议 随着国内汽车、空调等行业的迅速发展，内螺纹铜管的需求量不断增大， 本文比较了现在生产中常用的内螺纹铜管成形方法，并首次利用上限元法分 析了影响内螺纹铜管齿形成形的因素指出在设计内螺纹管的齿形及成形工 艺时，应充分考虑齿顶角大小对成形齿形所需挤压力的影响。在摩擦系数为 o 0 6 的情况下，成形齿底宽为o 1 m m 的三角齿，齿顶角为4 0 。时，单位挤压 力最小 润滑剂的合理选用对金属塑性成形有着重要的意义，本文总结了现在常 用的润滑剂物理、化学及使用性能的指标和测试方法但在目前所测试的润 滑剂各项指标中，并没有一项指标能很清晰直观的表示润滑剂的使用性能， 即润滑剂对成形工艺力的影响。这就使得企业在润滑剂的选用上存在着很大 的盲目性。本文首次提出利用拉拔工艺力作为拉拔时润滑剂性能的评价指标。 并首次采用传感器采集拉力数据，利用计算机程序对数据进行处理，使用的 计算机程序采用v c + + 编程。每次试验，测试程序可以测量几千个点的拉力数 据，并可将实验结果进行储存，按照不同的查询条件进行查询分析。在查询 时，本装置所带程序会利用直方图的形式直观的表示出不同润滑剂的润滑性 能，另外，界面中的a c c e s s 数据表会详细的表示每次试验的试验材料、润滑 剂名称、拉拔方式和拉拔比。用户可以很直观的比较润滑剂的使用性能，指 导实际生产中润滑剂的选用。 本装置具有结构简单，造价低，便于安装调试，容易操作使用方便的 特点并且实现了数据的自动处理，可用于测量不同拉拔方式下的润滑剂的 使用性能。可用于研制、使用润滑剂时的润滑性能的评定，还可以应用于摩 擦机理的研究本装黄已获得国家实用新型专利，专利号为：z l 2 0 0 32 0 l o ? 1 5 2 9 。 关键词：管材拉拔摩擦机理润滑剂计算机 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sa r t i c l e ，t h ef r i c t i o nm e c h a n i s mo f t u b ed r a w i n gp r o c e s si si n v e s t i g a t e d i nd e t a i l t h ee f f e c t so f t h ef r i c t i o nt ot h et u b ed r a w i n gf o r c ei nn o n - m a n d r e ls h o r t m a n d r e la n df l o a t i n gm a n d r e la r ea n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y a n dt h es u g g e s t i o ni n e l e c t e do f l u b r i c a n ti nd i f f e r e n tm o d eo f d r a w i n gi sg i v e n w i t l lm cr a p i dd e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ea n da l r c o n d i t i o n i n gi nc h i n a , t h e d e m a n do fc o p p e rr i f l e dt u b em o r ea n dm o r e i nt h i sa r t i c l e ，t h et e c h n i q u e so f c o p p e rd r i e dt u b es h a p e d i nc u r r e n tm a n u f a c t o r ya l ec o m p a r e d a n dt h e c a l c u l a t i o nf o r m u l af o ru n i te x t r u d i n gf o r c e 丽mu p p e rb o u n da n a l y s i sf o rt h e s h a p e dp r o c e s so fc o p p e rr i f l e dt u b et o o t hi si n f e r r e df o rt h ef i r s tt i m e f o r mt h i s c a l c u l a t i o nf o r m u l a , w es h o u l ds u f f i c i e n tc o n s i d e rt h ei n f l u e n c eo f t h er i b - t o pa n g l e i nd e s i g nt h et e c h n i c so fc o p p e rr i f l e dt u b e i nt h ec o n d i t i o no ff r i c t i o nc o e f f i c i e n t i | pt o0 0 6 ，m eu n i te x t r u d i n gf o r c ei sl e a s tw h e nm e 也e 曲t o pa n g l ei s4 0 。a n d w i d t ho f t o o t hi s0 1 m m t h er a t i o n a le l e c t e do fl u b r i c a n th a si m p o r t a n tm e a n i n gi nm e t a lp r o c e s s i n g t h i sa r t i c l es u m m a r i z e st h ep h y s i c a la n dc h e m i ci n d e x so fl u b r i c a n t , a n dt h e t e s t i n gw a y so f t h i s i n d e x sa r eg i v e n b u tt h ei n d e x so f l u b r i c a n ti nc u r r e n tu s e da r e n o ti n t u i t i o n i s t i cs h o wt h ec a p a b i l i t yo fl u b r i c a n t s ot h em a n u f a c t o r i e sh a v en o ta n i n d e xt or e f e r e n c ei ne l e c t e dt h el u b r i c a n t t l l i sa r t i c l es u g g e s t si 啪t h ed r a w i n g f o r c ea st h el u b r i c a n tt e s t i n gi n d e xf o rt h ef i r s tt i m e a n da d o p t sd r a ws e n s o r s ，a d s w i t c h i n gb o a r da n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y t 0c o l l e c ta n da n a l y z ee x p e r i m e n t a l d a t a t h es o f t w a r eu s e df o rt e s t i n gi sp r o g r a m m e db yv c + + n l cs o f t w a r ec a n m c a q u r es e v e r a lt h o u s a n dp o i n t so f d r a w i n gf o r c ea n ds a v et h ee x p e r i m e n t a ld a t a , w h e ni n q u i r e d ，t h es q u a r eg r a p ho f ak i n do f m a t e r i a lu s i n gd i f f e r e n tl u b r i c a n t sc a n b ed r a w nb yt h es o f t w a r e i na d d i t i o n ，t h ea c c e s sd a t a - b a s ei nt h es o r i w a r ec a n r e g i s t e re v e r ye x p e r i m e n tm a t e r i a l s ，l u b r i c a n t s ，d r a w i n gm o d e sa n dd r a w i n g p r o p o r t i o n ，u s e rc a ni n t u i t i o n i s t i cc o m p a r et h ec a p a b i l i t yo fl u b r i c a n t st og u i d et h e p r o d u c t i o n m t e s t i n gd e v i c eh a ss u c hc h a r a c t e r sa ss i m p l es t r u c t u r e ，l o wc o s t ，o p e r a t i n g s i m p l y , c o n v e n i e n tu s i n g a n dt h ee x p e r i m e n t a ld a t ac a nb ec o l l e c t da n da n a l y z e d a u t o m a t i c l y 砘st e s t i n gd e v i c ec a nt e s tt h ec a p a b i l i t yo fl u b r i c a n t si nd i f f e r e n t m o d eo fd r a w i n g i tc a nb eu s e di nr e a l mo f r e s e a r c h i n gf r i c t i o nm e c h a n i s ma n d 2 山东大学硕士学位论文 d e v e l o p i n gt h el u b f i c a n t sp r o d u c t i o n t h et c s t i f l gd e v i c eh a sb e e nw o nt h en a t i o n a l u t i l i t y m o d e l sp a t e n t ( p a t e n tn u m b e r ：z l 2 0 0 320 1 0 7 1 5 2 9 ) k e yw o r d s ：t u b ed r a w i n g ，f r i c t i o nm e c h a n i s m ，l u b f i c a n t s ，c o m p u t e r 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 概述 摩擦学( t r i b o l o g y ) 是研究相对运动时相互作用表面的摩擦、磨损与润滑 的理论与实践的一门科学与技术。虽然在人类历史上，人们很早就对摩擦学所 涉及的内容十分关注，但直至近代才对摩擦现象进行系统的研究。由于它对国 民经济与科学技术的发展有重要意义，因此发展很快经过近些年的研究，逐 渐形成了一门年轻的边缘科学摩擦学，它涉及数学、物理、化学、冶金、 机械工程、材料、石油化工等多个学科“一 摩擦学在其长时间的研究过程中，出现了关于两个刚体间摩擦的摩擦理 论，如库仑摩擦定律，流体润滑摩擦理论等但是。金属塑性成形加工和重 型设备机械传动系统等的接触面属于高接触压力下的摩擦状态，高接触压力 下的接触表面在相对运动产生摩擦时，发生一系列的物理、化学、力学等方 面的变化0 1 ，这些变化对金属的摩擦性能有着重要的影响，不能使用常规物理 学中的摩擦系数测试方法来评价所使用的润滑剂的性能。 随着国内空调器，电冰箱等家用电器、汽车等交通运输工具、火力发电 装机等热交换设备、仪器仪表，机械装备等铜管消费领域的快速发展，铜管 的需求量越来越大，对铜管的质量要求也越来越高啪高质量的铜管在拉拔成 形时，不仅需要合理的工艺方案、先进的模具结构，还需要良好的润滑剂。 在高接触压力状态下，为减少金属相对滑动时的摩擦力，过去一直使用单一 化学成分的润滑荆近几年来人们为了得到高质量、低成本的金属塑性成形 工件，逐渐加大了对多种化学成分的润滑剂的研制，在多种化学成分的润滑 剂研制和使用过程中，需要对其性能作出评定 由此可见，摩擦学的研究急需一种能方便、快捷，准确地测定在各种压 力下，特别是中、高压力下润滑荆的润滑性能的测试设备，为润滑剂的研究、 使用提供评定依据，还可以为计算机有限元方法模拟提供准确的边界条件跚 1 2 摩擦学的发展简况及研究意义 在r 常生活中人们很早就注意到了在材料之问发生相对运动时的摩擦、 磨损的现象，并开始使用润滑剂如我国古代燧人氏钻木取火，即为利用摩 4 山东大学硕士学位论文 擦发热的原理。3 千年前我国诗经里也有关于润滑技术的记载，国外古代 也有许多关于这方面的应用和记载但是上述应用并没有对摩擦现象进行科 学研究。只是到了1 5 世纪以后，随着科学技术的不断发展，对摩擦，磨损以 及润滑现象的认识与研究才不断的深入和发展 对于摩擦现象的研究始于1 5 世纪意大利文艺复兴时期。公元1 5 0 8 年，意 ：g - 乖j 的列昂纳多达芬奇o 删：d od av m e i1 4 5 2 1 5 1 9 ) 曾用大理石傲实验得出结 论：两相互接触的物体光滑平面开始滑动时的摩擦力l 约为其重量的0 2 5 。这 是最早确立的摩擦力与垂直力成正比( 或摩擦系数) 的概念从1 7 世纪末到1 8 世纪初，英国工业革命和法国资产阶级大革命时期，法国的阿芒汤( g a m o n t o n ) 和库伦( e c o u l o m b ) 在大量实验的基础上建立了古典摩擦定律库仑最先对摩 擦理论提出了经典的科学论断。他认为：摩擦力与载茼成正比( 这就是摩擦第定律) ， 而与名义接触面积无关( 这就是摩擦第二定律) 后来，法国的工程师阿芒汤( a m o 嗽m ) 一 于1 6 9 9 年通过实验验征了上述两条摩擦定律，并为法国皇家科学院勉强接受从此摩 擦系数的栩忿崩泳舀台用了差不多卟世纪，直到1 7 8 1 年库仑进步发展了摩擦理论， 他暇设摩擦来自物体表面粗糙度和黍自结力。1 7 8 0 年他提出黝与速度无关( 这就是摩 擦第三定律) 这三条定错粥b 公理直沿用至今这段时期后还出现了若干有关 其他摩擦闯题的研究成果 7 - 9 1 但是在2 0 世纪前，对于摩擦学的瞬凳直睁留在网喇胡械摩搠喻段，在此之前的 溯论基本e 可以防之为：“经典喇自l 理_ 论”在2 0 世纪之后，由于动力机械的大 规漠应用，金属材料之间的接触匪力越菊雹恕人们发现过去广泛使用的库仑摩擦 定律中的摩擦系数对于同种材料不变的结论与实际的情况不同，摩擦系数不 仅是材质、润滑荆的函数，同时也是接触压力的函数，摩擦系数随着接触压 力的增加而减少当然随着接触压力的增加，摩擦力也随之增加，只是摩擦 力的增加速度小于接触压力的增加速度。通过使用先进的测量仪器对摩擦学进行 深入研究，逐渐形成两大理论，即黏着一犁沟理论和杌械一分子理论。在英国，从 1 9 3 5 年j 自鹭瞪( 即b o w d e n ) 和泰伯( d t a b o o 迸参研究了金属材料的表面形貌 以及在接触压力作用下金属材料的真实巍蜢职、摩擦帆理等问题。建立了比较完善 的黏着摩擦理论和修正的黏着理论这对于摩擦学研究具有重要的意义。这 种理论认为：当两表面相接触时，在载荷作用下，某些接触点的单位压力大， 山东大学硕士学位论文 这些点将牢固的黏着，使两表面形成一体，在金属材料相对滑动时，黏着的 的金属材料将被剪开，同时较硬的金属材料凸峰在较软的金属材料表面上产 生犁沟效应1 9 3 9 年前苏联学者克拉盖尔斯基( m b k p a r e 腼c 廊) 提出了摩 擦的分子一机械理论。这两大理论使金属材料在中高接触压力作用下的摩擦 机理研究进入了一个崭新的阶段p “ 人们很早就开始使用润滑剂，但是很久以后才进行了对润滑的理论研究 英国的科学家牛顿( n e w t o n1 6 4 2 - - 1 7 2 7 ) 首先提出黏性液体流动定律。直到十 九世纪末才开始对轴承润滑的理论研究1 8 8 3 年俄国彼得罗夫( p 咖毋提出 了有润滑的两同心圆柱体闻的摩擦力计算公式：f = ( 叩p ，k h 式中t l 为润 滑油的黏度、d 为金属材料的表面滑动速度、k 为平均油膜厚度、爿为润滑面 积，这是第一个关于流体润滑的表达式。1 8 8 6 年英国人雷诺( 0 r e y n o l d s ) 建 立了润滑膜中压力分布的微分方程，论证了产生流体动压力的原理，为以后 润滑技术奠定了理论基础。海伦( t o r y ) 于1 9 1 9 - 1 9 3 3 年提出了对金属塑由$ 况功 工过程有重要意义的边界润滑理论 1 9 6 6 年英国“约斯特( i p j o s d 报告”提出建成- f 独立的“摩擦学” ( t f i b o l o g y ) 学科后，在英国和一些工业先进的国家相继采用这个新词 ”t f i b o l o g y ”，并引起许多国家的极大重视中译t n b o l o g y 为摩擦鸵在1 9 8 0 年冬 才被正式确定。美国于1 9 8 4 年接受t n b o l o g y 的慨念，日本则更晚。美国国家自然科学 基金( n s f ) 的j l a m e n - b a s s e 最近曾认为剜蔡翔锄展到“表面工话戮代”。1 9 0 0 4 年， n s f 份关于优先支持领域研究的报告中，摩擦学曾被确认为机械领域四个主要学科之 从此，摩擦学研究在国际范围内受到有力的推动，原来分散在各个领域中 从事这方面工作的人员，现在集合在摩擦学的旗帜下，形成一支包括许多不 同专业专家的非常庞大的队伍1 9 7 3 年在伦敦举行第一届欧州摩擦学会议， 并成立了国际摩擦学会，选举约斯特为主席。在此之后，国际性的摩擦学会 议相继召开t 以摩擦学命名的杂志刊物大量涌现，摩擦学方面的研究成果及 论文每年数以万计的发表，对摩擦学的蓬勃发展作出了巨大的贡献。 我国对摩擦学的研究比较重视，起步较早2 0 世纪6 0 年代初期。中国科 学院就已经组织在兰州召开了第一次全国摩擦磨损润滑工作报告会开展过 不少研究工作1 9 7 9 年成立了全国摩擦、磨损及润滑学会之后又开展了不 6 山东大学硕士学位论文 少的国际性和全国性的学术活动。同时创办了数本研究摩擦与磨损的期刊， 并发表了大量的有关论文和研究成果。这对我国摩擦学的发展具有很大的推 动作用。 摩擦学的研究对人类的生活和生产的各个方面都有着极为密切的关系，尤 其是科学技术及工业生产高度发展的今天，摩擦学不断深入研究和迅速发 展，则更有它的重要现实意义 1 2 - 1 4 】 发展摩擦学可以有效地节约能源 当今世界能源紧张，但据估计世界上能源的l 3 一l 2 最终以各种方式 损失，说明世界能源近一半由于摩擦等原因而白白浪费掉。据统计1 9 7 7 年美 国能源消耗最大的四个部f - j ( 交通运输、电力、加工以及商业和民用部门) 占全 国能源消耗的8 0 ，但是，其中近乎一半是在使用过程中未经作功而损失掉 的。如果从摩擦学方面采取必要的合理的措施，就会大大地节省能源的消耗。 对于金属材料的塑性加工工艺，由于金属材料与模具之间的摩擦力消耗 了大量的动力，一方面浪费了宝贵的动力资源：另一方面也需要设计大吨位 的压力机；同时摩擦力降低了模具的使用寿命，给企业造成不小的浪费显 然在金属材料的塑性成形过程中采用良好的润滑剂是十分必要的。 现代工业和科学技术迫切需要研究摩擦理论与润滑措施 由于近代工业的机械设备的功率，速度、精度等参数日益提高，生产的 连续性和自动化水平不断提高，尤其要求具有较高的可靠性和良好的性能。 因此，摩擦学问题比以往更显得突出。并且依靠单一学科已不能解决有关问 题，必然要发展成为一门新兴的边缘学科，综合地解决出现的新问题，所以 t r i b o l o g y 新名词一经提出，很快就得到了学术界的认可 在金属材料的塑性成形加工工艺中，目前广泛使用计算机辅助设计 ( c a d ) 、计算机辅助制造( c a m ) 以及计算机模拟成形技术，对于计算机的 模拟技术而言，金属材料与模具之间的摩擦状态是十分重要的。目前通常采 用常数摩擦系数的方法，使数值模拟的精度不商因此金属材料与模具表面 之间的摩擦状态的研究可以提高计算机模拟的精度使计算机获得更好的应 用也具有重要的实际意义。 0 摩擦学的研究和应用具有重大的经济意义 ， 山东大学硕士学位论文 虽然研究摩擦学需要一定的费用，而且其经济效益往往要经过一段时间 之后才能体现出来，但是研究摩擦学与新型润滑荆仍然具有深远的经济意义 根据英国1 9 6 6 年的凋查报告，如果英国应用现代摩擦学的知识，则每年能够 节省5 亿多英磅；美国每年可节约1 6 0 亿美元，前西德每年可节约1 0 0 亿马 克，日本每年可节约2 7 亿美元。我国有人作过同样估计，如果很好的应用摩 擦学及润滑技术，每年可节约人民币1 5 0 亿元 u 对于金属材料的塑性加工工艺而言，采用良好的润滑荆，可以提高模具 的使用寿命2 。3 倍：提高金属材料的塑性变形能力，即减少金属材料的成形 工序5 0 以上：同时还可以提高成形零件的质量，扩大金属材料塑性成形的 使用范围；降低对大吨位设备的需求等。 1 3 摩擦学的研究趋势 ， 1 ) 摩擦学设计具有系统性。它不仅仅是对于某一摩擦副元件的静态的、 特定摩擦学性能的、单一孤立的设计，而是从摩擦学系统的观点出发，将特 定的工装抽象为摩擦学系统，从塑性成形的实际工况( 多参数) 、过程状态( 时 变性) 、多知识综合( 机械结构设计、材料设计、力学校核、摩擦与润滑等) 等 多方因素综合而进行的设计 2 ) 摩擦学设计更具科学性设计的理论由传统的基于类比法、经验法的 纯理论的设计逐渐过渡到综合运用强度设计理论、流体力学、弹性理论、流 变学、材料科学、物理学、化学、数学及最优化设计方法等多理论、跨学科 的综合设计；设计的知识由基于经验、设计手册到运用网络设计数据库、专 家知识库的设计，设计中所依据的知识更全面：设计的形式由局限于单一领 域的专业人员的设计转变到涉及到材料学、力学、机械学，化学、数学等诸 多学科领域的专业人员共同参与的设计 3 ) 摩擦学设计具有优化性。摩擦学设计不只是局限于机械强度、摩擦磨 损润滑等方面的满足工装设计的要求，而且还涉及到工装的使用寿命和效率、 加工精度和加工成本、材料成分结构及性能匹配、膜层表面性能及改性工艺 技术等多方面的设计要求，其设计过程是一个多因素多方案的综合优化的过 程 4 ) 摩擦学设计具有对工况和环境的依赖性摩擦学设计原理具有一般性， 8 山东大学硕士学位论文 但具体成形工艺的设计对设计工况和使用环境具有依赖性，如塑性成形的摩 擦学设计原理和步骤是一致的，但针对具体的面积成形、体积成形等不同塑 性成形工艺和某一工艺中的不同阶段却各具特性，表现出摩擦学设计的依赖 性”“1 1 4 本课题的研究意义及研究内容 在过去的1 0 年中，由于国内空调器、电冰箱等家用电器、汽车等交通运 输工具、火力发电装机等热交换设备、仪器仪表、机械装备等铜管消费领域 的快速发展，使铜管需求量大幅度增加，2 0 0 0 年国内铜管表观消费量就已经 超过3 8 万吨，比1 9 9 5 年增长4 5 7 ，年均增长率超过1 0 ，其中仅以空调器 生产为例，1 9 9 4 年国内空调器产量只有3 9 4 万台，2 0 0 1 年的产量已经超过1 0 0 0 万台翻了一番还多。据测算，平均一台空调器需要消耗约6 公斤铜管( 包括 消耗和安装) ，以此估算，仅空调器需要的铜管就从1 9 9 4 年的不到2 5 万吨增 加到2 0 0 1 年的6 万吨以上，增长幅度达到1 4 0 ，年均增长率超过1 9 ，成 为支持国内铜管消费增长的重要因素“1 。 在国内铜管消费中，8 0 以上是紫铜管，合金铜管所占比例不大。合金铜 管主要是黄铜管，也有少量白铜管，大多用作冷凝管；紫铜管的用途较为广 泛，不仅可以用做工业原料，也可以应用于民用领域，特别是在民用住宅水 道管方面的应用前景广阔最近几年，随着国内住宅建设规模的不断扩大， 铜水管已经开始进入居民住宅。在国家建设部制定的住宅技术进步的文件中。 明确将铜管作为替代镀锌钢管的产品，可加快铜管在高档住宅中的推广应用。 目前国内居民住宅年用铜管量已达5 0 0 0 吨以上，而且还在继续增加 其中内螺纹铜管作为一种高效的传热元件，配合高效铝及铝合金翅片， 广泛用于空调系统的冷凝器和蒸发器。空调系统的节能高效和小型化要求， 促使改进压缩机的性能，并使用高效化和小型化的冷凝器和蒸发器。特别是 根据1 9 8 7 年通过的“关于破坏臭氧层物质的蒙特利尔协议”，c f c 类( 氟氯化 碳) 制冷剂从1 9 8 0 年7 月开始限制使用；在1 9 9 2 年的哥本哈根会议上，确 定了废止c f c 的使用及限制生产h c f c ( 一氟二氯乙烷) 在这种形势下，人 们开始寻找r 2 2 ( h c f 类制冷剂) 和r 1 2 ( c f c 类制冷荆) 的替代物。但现有可用 来替代的制冷剂，不管是r 4 0 7 c 还是r 4 1 0 a 或r 2 9 0 ，在性能上都不如r 1 2 和 9 山东大学硕士学位论文 r 2 2 ，所以为了不降低两器整体的热交换能力，采用熟传导系数更高的内螺纹 铜管将是一种有力的补偿。 随着我国逐步成为世界产品制造中心，国内铜管消费量还将呈增长态势， 消费的年均增长率预计在6 以上，2 0 0 5 年将超过4 5 万吨。 铜管拉拔成形的方法主要分为：空拉、固定短芯头拉拔和游动芯头拉拔 三种。在不同拉拔方式下，各种因素对管坯与模具之间的摩擦影响也不相同 u 这就需要根据不同的拉拔方式，具体分析坯料与模具之间的摩擦，合理的选 择润滑剂所以，分析铜管拉拔成形中的摩擦机理对于合理选择润滑剂、提 高铜管质量具有非常重要的意义另外，目前广泛应用计算机有限元法对金 属材料塑性成形过程进行数值模拟，为了提高数值模拟的精度，也需要提供 准确的金属材料与模具之间的摩擦状态 金属塑性成形摩擦学的进一步研究要求完善现有的摩擦性能测试装置， 满足摩擦机理的研究及润滑剂的开发、使用过程中对摩擦进行测定的需要； 根据摩擦学研究的现状和摩擦学研究的趋势，提出本课题研究的内容。 一、在理论上分析了拉拔工艺的摩擦机理，以及拉拔时的润滑方式和对 润滑剂的要求 二，在理论上详细研究分析了铜管在空拉、固定短芯头拉拔和游动芯头 拉拔下的摩擦特点，对其力学特点、摩擦机理几个方面的理论进行阐述。对 不同拉拔方式下润滑剂的选择提出了建议 三，分析了内螺纹铜管的成形机理及成形方法的对比，利用上限元法推 导内螺纹铜管齿型成形公式分析各种因素对内螺纹齿形成形的影响。 四，首次提出利用工艺力作为润滑剂使用性能的比较参数通过对国、 内外多种摩擦测试装置对比、分析研究，研制一种新的润滑剂使用性能测试 装簧，并编制摩擦测定装置专用的计算机程序，实现将试验( 通过机械装置) 、 数据采集及处理功能( 通过计算机测试程序) 集成于一体 1 0 山东大学硕士学位论文 第二章金属材料拉拔成形中的摩擦与润滑机理 2 1 概述 。 塑性加工成形的零件重量轻、材耗少、生产率高、成本低同时制件的 内部组织性能好，因此金属材料的塑性成形制件应用广泛，金属材料的塑性 成形加工在国民经济建设中占有十分重要的位置，也一直是各国生产技术人 u 员十分重视的一个研究课题。 拉拔由于具有尺寸精确，产品表面光洁，拉拔生产的工具和设备简单， 维护方便等优点，在管材的成形中应用极为广泛在拉拔过程中，管材是在 高接触压力下相对滑动的，接触表面的摩擦状态已不再是库仑摩擦定理所能 进行分析和描述的研究人员对中、高接触压力状态下的摩擦、润滑机理进 行了多方位的研究工作，先后提出机械一分子摩擦理论、黏着犁沟摩擦理 论、边界摩擦、混合摩擦以及弹性黏流摩擦理论等。 由于生产厂家对管材质量的要求越来越高，这就不仅要求需要合理的工 艺方案、先进的模具结构，也需要良好的润滑措施。在管材拉拔成形过程中， 人们很长时间一直采用单一化学成分的润滑剂材料，近年来由于日益发展的 工业生产的需要，人们开始研究各种复杂化学成分的润滑剂，并且已经取得 了一定的研究成果多种复杂化学成分的润滑剂的研究工作，也推动了摩擦 与润滑测试装置的研究。 2 2 拉拔过程中的摩擦与润滑机理 2 2 。1 拉拔过程中的摩擦分析 拉拔过程中，模具和被拉拔金属表面在相当大的接触压力条件下发生相 对运动，因此产生的摩擦力相当大，所以研究拉拔时的摩擦并采取合适的润 滑措施非常重要 有不少近代的摩擦理论能说明拉拔时的摩擦机理，其中干摩擦的黏着理 论和分子一机械理论最为重要这两种理论都认为：物体表面不论其光洁度 有多高，表面都是高低不平的。因此，当两物体表面发生接触时，实际接触 只发生在某些点上，这些真实接触点的总和就称为“真实接触面积”。真实接 触面积要比名义接触面积小得多。因为真实接触面积很小，所以即使在接触 山东大学硕士学位论文 压力很小的情况下，在真实接触面上也会产生很大的单位压力，拉拔的接触 压力很大，真实接触面积也相应的占有很大比例，其真实接触面积上的单位 压力也很大。 拉拔产生摩擦时，一方面由于接触点产生瞬时高温使金属发生黏着同 时，黏着点在物体相对运动过程中受剪切而撕脱，使相对运动的两金属发生 滑脱因此。坯料与模具的相对运动就是黏着撕脱交替进行的过程。这个过 程中的各黏着点被剪切而撕脱的阻力的总和，是构v 成摩擦力的主要部分其 值为 晶= a it ， ( 2 1 ) 式中，r 一为摩擦力； 彳，一为黏着面积； ， r ，一为坯料的剪切强度 构成摩擦力的另一部分是，当硬金属粗糙表面在软金属表面上滑动时( 拉 拔模属于硬金属，变形金属属于软金属) ，硬金属表面上的微凸体就会压入软 金属表面，使之发生塑性变形并犁出沟槽，此时因犁削金属而产生的摩擦阻 力叫犁沟分量。当两表面较光滑时，它与黏着造成的摩擦力相比影响较小 在很大的接触压力作用下，接触点上的金属将发生塑性变形这时，塑性 接触点上的应力等于较软金属的压缩屈服极限口，此时评价摩擦力大小的摩 擦系数的计算用： ，；三：墨：二 ( 2 2 ) n a o fo f 一 即：摩擦系数为金属的剪切强度与压缩屈服极限的比值。 分子一机械理论认为：在很大单位压力作用下，摩擦物体接触时处在弹塑 性混合状态，且表面相啮合，两金属相对运动时要克服相互问的啮合和分子 间的吸引力摩擦系数，定义为摩擦力声k 与接触压力及金属分子问引力 b 之和的比值。即 f=i2-(2-3) n 七n t j 在金属拉拔过程中，总的能耗分为以下几个方面： 1 2 山东大学硕士学位论文 使金属材料产生有效变形所需的能量； 使金属材料产生不均匀变形及内部滑动的内摩擦损失所需的能量； 用于克服金属与模具间的外摩擦损失的能量 研究表明，拉拔中总能量的1 0 消耗于金属与模具间的外摩擦。当低速 拉拔时，模具与金属界面发生的热量，几乎都传到金属与模具中而在高速 拉拔时，产生的变形热和摩擦热来不及传递，从而使模具与金属界面的温度 急剧上升，引起润滑膜的破坏，发生黏结现象 。 随着摩擦系数的增加，摩擦能耗占总能耗的比例增加当摩擦系数，在 0 0 2 0 1 之间变化时，断面收缩率为1 0 4 0 ，摩擦消耗功所占的比例也由 6 增加到4 0 。 2 2 2 拉拔过程中的润滑 2 。2 2 - 1 拉拔润滑的意义 为减小拉拔过程中的摩擦，采用合理有效的润滑剂和润滑方式具有十分重 要的意义拉拔中润滑的作用主要表现在： 减小摩擦。在拉拔过程中，有效地润滑( 良好地润滑剂和润滑方式) 能 降低拉拔模具与变形金属接触表面间的摩擦系数，降低表面摩擦能耗，减小 拉拔力，降低拉拨动力消耗。 减小磨损、提高生产效率有效地润滑能减少拉拔时模具的磨损。这 样，不但能降低生产成本，同时还减少了更换、修理模具所用的时间提高 了生产率。并且还能减少劳动强度，保证产品的尺寸精度 提高拉拔产品的表面光洁度一般拉拔产品都要求具有光洁的表面 拉拔时润滑不良会出现拔制产品表面出现发毛，竹节状。甚至出现裂纹等缺 陷。因此，有效地润滑才能确保拉拔过程的稳定和产品的表面质量 降低拉拔产品表面温度。当线( 丝) 材在模孔中进行塑性变形时，为了 克服变形抗力及与模壁间的摩擦力。外力需消耗很大能量，同时也产生很大 热量在有效润滑的条件下，摩擦发热会大大地减小，尤其是湿法拉拔，润 滑液能将产生的热很快传递出去，从而控制模具温度不会过高，同时会避免 因温度过高而导致的润滑剂失效。 减小拉拔产品内应力分布不均润滑的好坏能影响产品内应力的分布 山东大学硕士学位论文 拉拔变形区应力的骤然改变会引起拉拔产品力学性能的严重下降在应力分 布不均的情况下，局部内应力过高会导致制品的断裂。 防止制品锈蚀。在拉拔生产中，润滑剂还有防止锈蚀的作用，因为常 用的润滑涂层如磷化、皂化膜等，都具有良好的化学稳定性可以抵抗或减 缓大气腐蚀的进行，从而提高拉拔产品的抗腐蚀性，延长使用寿命、便于生 产中的保管与周转。 q ， 2 2 2 2 拉拔过程中润滑机理 拉拔润滑工艺是由流体动力润滑机制、接触表面微观不平度夹带机制与接 触面的物理及化学吸附机制共同作用，在变形区中形成润滑面及吸附塑化效 应，起到润滑效果在拉拔时，由于模具锥角的作用，润滑剂在变形区入口 处形成楔形润滑剂油楔，黏附在拉拔金属表面的润滑剂随之同步运动，中间 润滑剂作层流运动。由于模具固定不动，与拉拔金属之间存在着较大速度差， 有强烈的“油楔效应”，其润滑剂随模具楔形增压，从变形区入口处至润滑楔 顶，润滑剂压力达到最大，当压力达到金属屈服极限时，润滑剂将被挤入变 形区，形成一定厚度的润滑膜。这就是流体动力润滑机制。 模具和拉拔金属表面都不可能绝对光滑平整，凹凸不平的表面中的凹穴将 会储存润滑剂( 称为润滑“油池”) ，拉拔时润滑剂将随同润滑“油池”带入变 形区。表面愈粗糙带入的润滑剂愈多。润滑膜厚度就愈厚这就是夹带机制 由于润滑剂中既存在非极性分子又有极性分子，其中非极性分子在范德华 尔斯力作用下与拉拔金属表面产生的吸附称为物理吸附。它可以产生单分子 层或多分子层吸附膜，第一层分子是靠非极性分子与拉拔金属间瞬时偶极相 互吸附，而后多层分子是靠其分子间的吸引而黏附形成，在金属表面上第一 层吸附分子能较牢固地吸附于金属表面产生有效的润滑作用其它各层不能 被牢固地吸附，从而在两金属表面吸附单分子层之间形成一个低剪切强度带， 当拉拔制品与模具表面相对运动时，金属表面上第一层吸附层不发生相对运 动只在低剪切强度带的吸附分子层问发生相对运动，可提高润滑效果，但 在较大压力和商温时上述吸附膜易坡破坏，从而减弱其润滑效果 吸附是一个放热过程，所以润滑剂分子在吸附过程中会放出吸附热。衡量 吸附程度重要的物理量是润滑刺分子对金属表面的吸附热，吸附热越大，形 1 4 山东大学硕士学位论文 成的吸附膜越稳定，润滑效果越好另一方面因为吸附是一放热过程，将会 使金属温度升高，引起吸附膜解吸，消向、吸附力减弱、膜厚减小、强度降 低，从而降低润滑效果因此，物理吸附膜只能用于接触压力小，温度和滑 动速度较低的工况条件。非极性分子只能在表面上产生较弱的物理吸附，其 边界润滑性能较弱。 润滑剂中的极性分子，通过化学键与金属形成一层单分子层的吸附，称为 化学吸附，所形成的吸附膜为化学吸附边界膜其特点是该膜中的金属离子 并不离开金属晶格，而被吸附的润滑荆分子仍保留原来未起反应时的分子物 理性能。化学吸附时需要较高的活化能，因此往往在较高温度下才能形成 典型的化学吸附热为( 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 ) c a l t o o l ，而物理吸附热只有( 2 0 0 1 0 0 0 ) c a l t o o l 。所以化学吸附比物理吸附具有更高的吸附热，并且不完全可 逆。一般在低温时，润滑剂分子与金属表面产生物理吸附，随着温度的升高， 部分润滑剂的极性分子与金属产生电子交换而转变为化学吸附，并逐渐以化 学吸附取代物理吸附由于化学键的作用范围总是不能超过一个分子的距离， 所以，化学吸附膜总是单分子层，不可能像物理吸附那样形成多分子层化 学吸附膜在摩擦过程中所起到的减摩作用的程度，取决于它对金属表面吸附 强度的大小，即润滑剂化学吸附需要的活化能 当在润滑剂中加入含有硫、磷，氯等活性原子添加剂时，润滑剂变为极性 活化润滑剂。在由摩擦产生的高温条件下，活性原子会与金属发生化学反应， 生成低摩擦的化学反应膜，并且这个生成过程是不可逆的。其膜层厚度仅受 晶格弥散过程的影响。由于化学反应需要较高的活化能，所以必须在较高温 度下才能发生反应，反应时会放出较多的热，反应产物原子问具有较大的键 能。因此，通过化学反应形成的润滑膜强度远大于通过物理、化学吸附所形 成的润滑膜强度 通过化学反应形成的润滑膜在边界润滑过程中处于不断地破坏和建立过 程中它在拉拔时的高温高压作用下生成，又在强烈摩擦下破裂；破裂的同 时极性活化原予又与金属再次发生化学反应形成润滑膜。这就是极压( e p ) 作 用实际上极压活性添加剂的作用就是对金属表层产生一种腐蚀作用，所生 成的腐蚀层抗剪切强度极弱，从而减d , t 两运动的金属界面间的摩擦力 山东大学硕士学位论文 极性活化润滑剂的另外一个作用，就是使金属塑性变形容易进行主要是 通过极性物质的吸附，使金属表面能( 表面张力) 降低，从而有利于变形金属表 面积的扩大，以及新鲜表面的形成。同时，极性活化润滑荆能浸入金属表面 的微观裂纹等缺陷内，由于“尖劈”效应，微观裂纹被扩大，金属变疏松， 新的润滑剂就容易渗入到金属内部，从而使塑性变形时容易进行金属内的滑 移如脂肪酸等极性物质与金属表面氧化膜化合成皂，使表面剪切强度下降， 因而金属塑性变形流动阻力减小，从而提高了润滑作用。这种金属表面吸附 有极性润滑物质时，屈服应力降低，使塑性变形容易进行的现象叫“吸附塑 化效应” 由上述润滑机理可知：金属在拉拔时变形区可能存在流体润滑区，边界 润滑区以及部分金属微凸体处与模壁表面直接接触区理想的润滑应使流体 润滑区在变形区中占主导地位或占其全部，即实现流体动力润滑。 2 2 2 3 拉拔过程中的润滑状态 一边界润滑 在流体动力或液体润滑状态下，相对运动的金属表面被一层相当厚的润滑 剂层所隔开，在“理想”状态下被拉拔金属与模具表面之间是没有摩擦的 其摩擦阻力完全来自润滑剂层本身的黏度在实际生产中一般很难得到理想 的流体润滑状态尤其是在拉拔速度低或负荷高的拉拔条件下，厚的润滑剂 层被破坏，金属表面仅被分子大小的润滑剂膜所隔开哈迪称这种状态为边 乔润滑状态 边界润滑状态下润滑膜厚度最大也只有0 0 1 0 1j c f 小，所以其具有与润滑 荆整体不同的特殊性质此时的润滑既受润滑剂的化学成分的影响也受润滑 膜下金属性质的影响而此时黏度在摩擦中只起极小的作用，甚至不起任何 作用。边界膜具有分层结构，润滑剂的极性端附在金属的表面上，所以最初 模具表面与金属并不发生接触。而接触发生在润滑剂分子的非极性端与非极 性端之间。在厚度为o 1 _ 所左右的边界润滑膜中，所有的分子都是平行排列 的t 而分子轴的方向，一般部垂直于金属表面形成所谓的分子栅，而且当表 面活性分子吸附在金属表面时形成定向的分子栅，分子的这种定向排列。使 得在相邻层之间形成一种容易滑动的平面。同时，由于同一层内相邻分子都 1 6 山东大学硕士学位论文 是平行排列的，而且也是相互牢固的吸引着，所以每一层都能单独地维持成 一个整体，这样就能保证在拉拔时，不会因承受较大的压力而被压碎。然而 对于非极性分子层，在拉拔时会因压力和高温而发生滑脱。边界润滑剂的效 率取决于润滑剂分子的极性及其链长在拉拔过程中。由于变形的结果使润 滑剂膜陷在拉拔金属与模具表面之间并受到很高的压力。但整个接触区域内 的压力并不是完全相同的。在压力最高的区域内润滑剂膜可能发生局部破裂， 使金属与模具表面直接接触。这个破裂程度取决手润滑剂膜的特性。再者， 若拉拔速度较高，则金属与模具表面因滑动发生的局部高温将促使润滑剂膜 的破裂润滑剂膜局部的破裂使得在表面间形成了比分子大小还大的结点， 则金属与模具之间的阻力尼就包括了用来剪断这些结点的力及克服润滑剂