（材料加工工程专业论文）铝合金冷挤压中的摩擦机理研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 ( 金属冷挤压成形是一种高效率、高精度、优质低耗的先进生产技术。冷挤压成 形在国民经济发展及材料加工领域中占有相当重要的地位。在冷挤压加工时，毛坯 处于三向压应力状态，高接触压力下摩擦是金属冷挤压的重要行为之一，影响到金 属成形力的大小和能量消耗，直接影响零件的成形质量。近年来专家学者采用有限 元法和有限差分法对冷挤压过程中塑性变形进行计算机模拟，要求必须有准确的边 界条件才能建立合理的数学模型。在摩擦学中，有多种摩擦理论，究竟哪种或哪几 种摩擦理论适合冷挤压成形受到了学者的关注。土 ， 冷挤压的成形特性使得铝合金冷挤压件获得广泛应用，研究铝合盒冷挤压工艺 不仅要从宏观上观察，同时也必须深入到微观组织进行研究。 ( 对于铝合金冷挤压成形的工艺方案、设备和结构模具等方面各国专家己作了大 量的研究工作，并取得了可喜的成果。但对于金属在挤压成形过程中摩擦机理、润 1 滑措施及其润滑剂组分的研究工作还没有给予足够的重视。吵 本文基于上述出发点，对铝合金的冷挤压工艺摩擦机理首次进行了系统详细的 论述，在充分分析铝合金冷挤压过程中的摩擦机理基础上，建立了冷挤压过程中铝 合会的摩擦力学模型，在理论上提出冷挤压过程中，总的摩擦力包括润滑剂膜层内 的的剪切力、粘附力和犁沟力等。 本文首次采用先进的显微技术、扫描电子显微镜、电子探针，试验研究了在中 高接触压力下铝合金板材的真实接触面积、表面合金元素的转移( 粘着一撕裂) 、 表面形貌及横截面上的显微硬度的变化，对于进一步研究摩擦机理进行了有益的探 讨。对铝合金板料中高压力下的微观变化规律进行总结，为实际生产及计算机模拟 提供了较为真实的边界条件和一定的理论根据。 本文通过试验研究，验证了在冷挤压即中高压力下犁沟力不能忽略的设想，土 、 1 p ? 关键词：铝合金；。冷挤压：摩擦：犁沟：粘附 查苎兰翌主兰竺笙查 a b s t r a c t m e t a lc o l de x t r u s i o nf o r m i n gi s a ua d v a n c e dm a n u f a c t u r et e c h n o l o g yo fh i g h e f f i c i e n c y ，h i g hp r e c i s i o n ，l o wc o s t ，w h i c ht a k e sa ni m p o r t a n t r a n ki nt h ed e v e l o p m e n to f n a t i o n a le c o n o m ya n dt h ef i e l do fm a t e r i a lp r o c e s s d u r i n gt h ee x t r u s i o np r o c e s s ，t h e b l a n ki su n d e rt h r e e d i r e c t i o np r e s ss t r e s s ，a n df r i c t i o nu n d e rh i g hc o n t a c t i n gs t r e s si so n e o ft h ei m p o r t a n tb e h a v i o r si nm e t a lc o l de x t r u s i o n ，i ti m p a c t so nt h em e t a lf o r m i n g s t r e n g t ha n dp o w e rc o n s u m i n g ，a n da f f e c t st h ef o r m i n gq u a l i t yo fc o m p o n e n t sd i r e c t l y r e c e n t l y ，e x p e r t sh a v em a d ec o m p u t e rs i m u l a t i o nt ot h ep l a s t i cf o r m i n gd u r i n gt h ec o l d e x t r u s i o np r o c e s sb yf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) a n df i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ( f d m ) ， w h i c hr e q u e s t s p r e c i s eb o u n d a r yc o n d i t i o n t o s e t u p r e a s o n a b l em a t h e m a t i c a lm o d e l t h e r ea r em a n yf r i c t i o nt h e o r i e si nt r i b o l o g yw h i c ho ne a r t hf i t si nw i t hc o l de x t r u s i o n f o r m i n g a t t r a c t se x p e r t sa t t e n t i o n t h ef o r m i n gc h a r a c t e r i s t i c so fc o l de x t r u s i o nb r i n ga b o u tt h ew i d e l ya p p l i c a t i o no f a l u m i n u ma l l o y t h er e s e a r c h e so nc o l de x t r u s i o no fa l u m i n u ma l l o yr e q u e s tn o to n l y o b s e r v i n gi nm a c r o s c o p i c b u ta l s os t u d yd e e p l yi n t om i c r o s c o p i cs t r u c t u r e e x p e r t si nm a n yc o u n t r i e sh a v ed o n em u c hw o r ko nt h et e c h n i c s ，e q u i p m e n ta n d s t r u c t u r ed i eo fc o l de x t r u s i o nt oa l u m i n u ma l l o y ，a n da l s od e l i g h t f u la c h i e v e m e n t sa r e a r r i v e d a t h o w e v e r , t h e y h a v e n t p a i de n o u g h a t t e n t i o no nt h e s t u d y o ff i c t i o n m e c h a n i s m ，l u b r i c a t i o nm e a s u r e sa n dl u b r i c a t i o nc o m p o s i t i o ni n t h em e t a le x t r u s i o n p r o c e s s - b a s e do na b o v ep o i n t s ，s y s t e m i cc o m m e n to nt h ef r i c t i o nm e c h a n i s mi nc o l d e x t r u s i o no fa l u m i n u ma l l o yw a sf i r s t l yp r e s e n t e di nd e t a i li nt h i st h e s i s o nt h eb a s eo f a d e q u a t ea n a l y s e st o t h ef r i c t i o nm e c h a n i s mi nc o l de x t r u s i o no fa l u m i n u ma l l o y ，a f r i c t i o nm e c h a n i c sm o d e lo fc o l de x t r u s i o nw a se s t a b l i s h e d a n dw ep u tf o r w a r dt h e t h e o r yt h a tt h ew h o l e f r i c t i o ns t r e n g t hi nt h ec o l de x t r u s i o np r o c e s si n c l u d ec u t t i n gs t r e s s i nl u b r i c a n tf i l m ，a d h e s i v es t r e s so fa l u m i n u m a l l o ya n d f u r r o ws t r e s s ，a n ds oo n i nt h i st h e s i s ，a d v a n c em i c r o s c o p i ct e c h n o l o g y ，s c a n n i n ge l e c t r o n i cm i c r o s c o p ea n d e l e c t r o n i cp r o b ea r ef i r s t l ya p p l i e dt os t u d yt h et r u ec o n t a c ta r e a ，t h et r a n s f e ro fs u r f a c e v 一 山东大学硕士学位论文 a l l o ye l e m e n t s ，s u r f a c ea p p e a r a n c ea n dc h a n g eo fm i c r o s c o p i ch a r d n e s si nc r o s ss e c t i o n o fa l u m i n u ma l l o yp l a t eu n d e rm i d d l eo f h i g hc o n t a c tp r e s s ，w h i c hc a r r i e do u tb e n e f i c i a l d i s c u s sf o rf u r t h e rs t u d yo ff r i c t i o nm e c h a n i s m t h em i c r o s c o p i cc h a n g i n gp a t t e r n so f a l u m i n u m a l l o y p l a t e u n d e rm i d d l eo r h i g hp r e s s a r es u m m a r i z e d ，w h i c hp r o v i d e s r e l a t i v e l y m o r et r u e r b o u n d a r y c o n d i t i o na n dc e r t a i n t h e o r y b a s e sf o r p r a c t i c a l m a n u f a c t u r ea n d c o m p u t e r s i m u l a t i o n b ye x p e r i m e n t s ，t h i s t h e s i sp r o v e dt h ei d e at h a tf u r r o ws t r e s ss h o u l dn o tb en e g l e c t e d i nc o l de x t r u s i o n p r o c e s s k e y w o r d ：a l u m i n u ma l l o y , c o l de x t r u s i o n ，f r i c t i o n ，f u r l o w , a d h e s i v e n e s s v i 生查垄兰竺主兰! ：丝圭 第一章绪论 1 1前言 金属冷挤压成形在国民经济发展及材料加工领域中占有相当重要的地位，冷挤 压技术是一种高精度、高效率、优质低耗的先进生产技术。冷挤压件精度高，一般 可不需机械加工而直接使用。冷挤压加工因其产品表面粗糙度低、工序少，且硬度、 强度均有不同程度的提高而越来越多的被采用。挤压加工时毛坯处于三向压应力状 态，材料的塑性可大大提高。高接触压力下的摩擦是金属冷挤压中的重要行为之一， 它不仅影响成形力的大小和能量消耗，还直接影响零件的成形极限、回弹和表面质 量口l 。由于摩擦是一种普遍存在于生产实践中的现象，在相当长的一段时间罩仅 依赖经验而没有e 确的解析式，在两个刚体的接触摩擦研究中产生了一些摩擦理论 如库仑摩擦定律、剪切摩擦理论等，但刚性体与塑性体的摩擦问题一直没得到很好 的解决，只是参照刚性体摩擦理论进行近似求解，没有一个真正适合刚性体和塑性 体边界的正确解析式。 近年来许多专家学者用有限元方法和有限差分法对冷挤压过程塑性变形进行计 算机模拟f 3 】。在有限元的计算机模拟过程中，首先要建立分析模型和准确的边界条 件，而摩擦又是边界条件的重要内容，如果不能提供准确的摩擦信息，就失去模拟 的准确性。而我们对接触边界条件、摩擦边界条件的可知性是有限的，因此我们给 定的边界条件都是固定不变的，但在冷挤压成形过程中边界条件是不断变化的。实 验结果表明，摩擦直接影响成形性能和应变的分布，如果没有较准确的摩擦值就很 难得到精确的模拟结果【4 1 1 5 i t 6 1 1 7 l 。 霍林( h a l l i n g ，j ) 指出【8 】，世界能源约有一半是以不同形式消耗在克服机械 零件对偶表面相互作用的摩擦上。由于摩擦所导致的磨损是机械设备失效的主要原 因之一，在工业发达的国家里，国民经济总产值中约有一半是用于更换因磨损和类 似情况而造成的废品。正因为如此，最近随着生产的发展和科学的进步，世界上工 山东大学硕士学住论文 业技术发达的国家都在积极地开展摩擦学的研究与应用。 压力加工过程中的摩擦与一般机械中的摩擦相比，其最大差异是，在产生摩擦 的过程中，作为摩擦偶之一的变形金属，在强大外力作用下发生连续的塑性变形； 其次，摩擦条件更加恶劣，如高压、高温、甚至高速等，都将使金属压力加工中的 摩擦学研究具有其特殊性。由于金属压力加工中的摩擦、磨损与润滑对变形过程、 变形力能消耗、金属制品的表面与内部质量、工模具消耗以及反映到最终的经济效 益都有非常大的影响，近年世界各国都在大力开展这方面的研究一】l ”j 。 1 2 金属塑性变形中的摩擦 1 2 1摩擦学 摩擦学作为一门学科是1 9 6 6 年由英国教育部在一份“润滑( 摩擦学) ”的报告 中提出的l 。摩擦学( t r i b o l o g y ) 一词是1 9 6 6 年以后开始使用的，t r i b o l o g y 是由 希腊字t r i b o s 一词派生而来，其含义是摩擦或摩擦的科学。这是一个新词，只有 在最新出版的词典上才查得到，其定义为：“研究做相对运动的相互作用表面及其 有关的理论和实践的一门科学技术”。这一定义其含义更为广泛，它综合了化学家、 工程师、冶金学家、物理学家和其他专家所感兴趣的摩擦和磨损问题。摩擦学包括 了磨损、摩擦及润滑，此外，加工过程、粉碎处理或者用摩擦化学反应的方法少量 的制取一些材料也属于摩擦学范畴的问题川。 摩擦学是近几十年来形成的一门年轻的边缘科学，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。摩擦在塑性加工中占有非常重要的地位，故 一直是塑性加工中的一个重要组成部分。在塑性加工过程中，接触表面做相对运动 产生摩擦。在摩擦过程中运动表面发生一系列的物理、化学、力学等方面的变化， 这些变化对金属成形加工的过程和质量有着重要的影响，研究塑性加工中的摩擦、 润滑和磨损的现象及规律，是塑性加工摩擦学的基本任务之一m l 。 1 2 2 摩擦与润滑理论的发展和面临的问题 早在1 5 0 8 年，达芬奇就提出了经典的摩擦理论，他认为摩擦力与载荷成正比， 山东大学硕士学位论文 而与接触面积无关：后来法国的阿蒙顿( a m o n t o n s ) 于1 9 6 9 年通过实验验证了上 述理论；1 7 8 0 年库伦( c o u l o m b ) 提出摩擦力与速度无关。这些摩擦理论作为公理 一直沿用至今，通常只适用于低接触压力的摩擦状态。1 9 世纪末，科学家提出了流 体动力润滑理论，哈伦( h a r y ) 于( 1 9 1 9 - - 1 9 3 3 ) 年提出了对压力加工过程有重要 意义的边界润滑理论，而与干摩擦和润滑摩擦有关理论的发展则是在二十世纪4 0 年代。自1 9 4 0 年以后，对摩擦理论的系统研究得到了迅速发展。同时随着生产的 发展、驱动能力的提高，要求有高生产率、高变形率、高速度滑动，这就对润滑剂 提出更加严格的要求，进而使得人们对塑性加工摩擦学这个领域产生了更大的兴 趣，进行了广泛的研究，同时相关领域技术的发展也推动了塑性加工摩擦学的发展 i 4 1 。 描述摩擦的经典定律是阿蒙顿一库仑定律，该定律又称为古典摩擦定律，其内容 如下： 1 摩擦力大小与接触面上的法向载荷成正比，其数学表达式为 t = 式中， 7 一摩擦力 “一摩擦系数 一正压力 2 摩擦力的大小与接触面积无关； 3 摩擦力的大小与两接触面相对滑动速度无关； 4 静摩擦系数大于动摩擦系数。 库仑定律是在二百多年前结合实验得出的，随着摩擦学的发展，该定律也呈现 出某些不足，存在一定的局限性1 1 5 】： 1 当摩擦表面非常光滑，两相接触表面分子力的作用增强时，摩擦力就会随接 触面积的大小而变化； 2 当摩擦面承受很大压力、使实际接触面积接近名义接触面积时，会出现严重 的摩擦，摩擦力与摩擦面间的法向载荷不成比例关系； 一1 一 山东大学硕士擘住论文 3 摩擦面是粘弹性材料时，静摩擦系数不一定大于动摩擦系数。 即使如此，实践证明库仑定律对于一般的接触压力不大的工程问题仍然可以应 用。 1 2 3目前研究摩擦的几种主要理论 关于摩擦的成因曾有过多种说法，主要有【l 6 j ： l 机械联结理论。这是最早提出的摩擦机理，它认为摩擦力是两个凸凹不平 的表面因相互啮合而产生的移动阻力。这个理论把固体表面的微凸体看成是绝对的 刚体，两固体相对运动，要沿微凸体的斜坡滑上滑下，所以要消耗一定的外功。 2 分子吸附理论。这一理论出现于二十世纪2 0 年代，它认为材料的原子或分 子在接触表面上受到对方原子或分子的吸引，在被“拉开”时就必然要消耗能量。 3 静电力理论。这一理论是在6 0 年代初提出的，它认为两摩擦金属表面间出 现的粘附现象是由于电子流动效应所致。这种电子流动会在界面上引起诱导极性的 电荷聚集，这些电荷通过静电吸引作用把两表面吸合在一起。 4 粘附理论。这个新理论是1 9 5 0 年英国学者鲍顿( b o w d e n ) 提出的，现己得 到普遍承认。两金属接触时接触点会因高压和塑性流动而冷焊起来。物体要滑移须 先剪断这些焊接点，此剪切力是构成摩擦力的主要原因之一。 对于摩擦的成因，粘附理论认为i8 1 ，形成相对移动的阻力的主要原因有二：其 一是因为在真实接触面上产生结合点，要相对滑移就必须用力来剪断这些粘附结 点：其二是因为相对移动时，硬质表面的微凸体会在软质表面上进行刻槽( 或称切 削) 。前一项称之为粘附项，后项称之为犁沟项。 其粘附机理有简单粘附机理、终点生长的粘附机理、有污染膜的粘附理论，在 1 9 8 1 年n p s u h 和h c s i n 两位学者提出了一种新的摩擦学说【1 7 】，主要论点是：( 1 ) 摩擦力的成分应由微凸体塑性变形力、粘附力、硬质微凸体和磨粒犁沟力等三项组 成。犁沟力和微凸体的变形力在总摩擦力中所占的分量有时比粘附力要大；( 2 ) 根 据滑动条件，摩擦状况有四个或六个阶段，不同阶段，摩擦力中占主导地位的成分 也不同；( 3 ) 在低温下，滑移表面的互溶性受材料的机械性质( 如硬度和氧化层) 的影响要比受摩擦副间的化学互溶性的影响更大。 - - 4 - - 山东大学硕士学位论文 1 3 铝合金冷挤压 1 3 1 铝合金应用及发展前景 铝及铝合金重量轻，在体积一定的使用场合，铝的重量仅为铁或铜的三分之一； 铝具有较高的耐腐蚀性，且无毒，具有良好的导电性和导热性，对于热和光有较高 的反射性。铝易于加工成各种形状和进行各种表面涂饰。铝材进行加工时，比如进 行冷轧，其强度几乎能增加一倍。在铝中添加少量合金元素，如锰、硅、铜、镁等， 其强度能获得更大的增长。铝合金进行冷加工也能强化，某些合金进行热处理能进 一步得到强化和硬化。 由于铝及铝合金具有良好的物理、机械和工艺的综合性能，成为用途广泛的工 程和建筑材料。 许多使用场合只有用具有多方面性能的铝材才能够满足需要。具有良好综合性 能的铝及铝合金现在正逐日地以新的方式进行应用，目前在全国各地的两万多的企 业中，铝己被作为一种基本原材料进行使用了。 2 0 世纪6 0 年代以来，铝合金挤压材料的增长速度平均每年高达9 5 ，不仅超 过了铝合金的其他加工材料，而且大大超过了钢铁材料的增长速度。据不完全统计， 目前铝合金挤压材料的年产量己超过6 0 0 万吨。目前型材品种己达5 0 0 0 0 多种，其 中包括各种具有复杂外形的型材、逐渐变断面型材、阶段变断面型材、大型整体带 筋壁板及异型空心型材。管材品种也有了很大发展，除各种不同规格的圆管以外， 还生产出各种铝合金异型管、变断面管、螺旋管、翅片管等。 在我国，随着经济的发展和人民生活水平的迅速提高，铝( 合金) 挤压型材在 生产和生活中得到了大量应用。铝型材加工也得到了迅速发展。近年来，我国的铝 加工企业己增加到1 0 0 0 家以上，主要装备水平与国外先进水平较为接近，有铝挤 压机2 0 0 0 余台，模具数量已增至3 0 万套，铝型材年产能力约为1 0 0 多万吨，均居 世界前列【2 0 】【2 1 1 【2 2 】。 1 3 2 冷挤压技术发展及现状 冷挤压技术是种高精度、高效率、优质低耗的先进生产工艺技术，较多应用 山东大学硕士擘住论文 于中小型锻件生产中，与常规模锻工艺相比，可以节材3 0 - - 5 0 ，节能4 0 8 0 ，而且能够提高锻件质量，改善作业环境。二战后，冷挤压技术在国外工业发 达国家的汽车、摩托车、家用电器等行业得到了广泛的发展应用，而新型挤压材料、 模具新材料和大吨位压力机的出现，更拓展了其发展空间。日本8 0 年代自称，其 轿车生产中以锻造工艺方法生产的零件，有3 0 4 0 是采用冷锻工艺生产的，近 年来生产的新型轿车则每车平均使用4 2 k g 的冷锻件。美国等国家的轿车生产中， 每车平均使用4 0 k g 的冷锻件。随着科技的进步和汽车、摩托车、家用电器等行业 对产品技术要求的不断提高，冷锻生产工艺技术己逐渐为中小锻件精化生产的发展 方向。 冷挤压管的精度高，一般不需机械加工，内外表面不需要进行任何处理即可装 机使用。冷挤压加工产品表面粗糙度低、工序少，冷挤压对材料有加工硬化作用， 可以提高挤压件的机械性能。冷挤压加工时毛坯处于三向压应力的作用下，材料的 塑性可大大提高。硬度、强度均有不同程度的提高，从而越来越多的被采用。 1 3 3 铝合金冷挤压研究出现的问题 冷挤压变形过程中，模具表面与坯料直接接触，它们之间存在着滑动摩擦。不 锈钢冷挤压变形时的单位压力高达2 0 0 2 5 0 k g f m m 2 ，即1 9 6 0 2 4 5 0 m p a 以上1 9 l ，因 此，冷挤压变形过程中的滑动摩擦与机器零件中的滑动摩擦有很大的差别。其主要 特点是：( 1 ) 模具与坯料的接触表面发生局部粘结；( 2 ) 接触表面的机械咬合：( 3 ) 中 间物质的剪切。 在大多数情况下，冷挤压中的摩擦和摩擦力是一个不利因素，主要产生以下的 不利影响： ( 1 ) 加快了模具的磨损，缩短了模具的使用寿命： ( 2 ) 引起了变形力及变形功的增加： ( 3 ) 增加了从模具中取出冷挤压件的困难，有时会产生粘模现象，影响正常 生产： ( 4 ) 引起变形不均匀分布，使挤压件产生附加应力和残余应力，从而降低了 产品质量。 一f ；一 山东大学硕士学住论文 常见的冷挤压件表面缺陷有表面波纹、表面划伤、表面麻坑，这三类缺陷的产 生，除受到坯料和模具影响之外，还与润滑剂的种类及涂敷方法有直接关系。润滑 条件不好，在挤压中还易出现裂纹。 因此，在冷挤压过程中应尽量减少摩擦力的数值，研究摩擦与润滑以提高变形 程度、提高模具寿命、节省能源( 降低摩擦力) 、提高制品质量( 外表质量、内在 质量一组织均匀) 。 对于铝合金冷挤压件，有时对于出现的问题，即使非常仔细地进行宏观观察也 无法解释许多摩擦学的现象，因此，研究时必须在微观条件下对界面的微观形貌 和组成加以观察： ( 1 ) 模具及工件表面显示出微小的微凸体，这些微观几何形体尺寸的大小、 间距、几何形状及其方向对摩擦界面间的摩擦学行为均起着重要作用。 ( 2 ) 一定成分的金属会在摩擦过程中出现相互扩散从而造成表面合金元素的 贫化或富集等等【2 3 】【2 4 】。总之，经过加工后的金属表面可能会在金相组织和化学成分 上与基体有很大不同 2 5 】【2 6 】。 1 4 本文的主要研究内容及内容安排 迄今为止，人们己在冷挤压工艺方案、设备和模具结构等方面，做了大量的研 究工作，并取得了可喜的成果。但对于金属在挤压成形过程中的摩擦机理、润滑措 施及其润滑剂组分的研究工作还没有给予足够的重视。摩擦学作为一门边缘科学涉 及机械学、冶金学、材料学、数学、物理学、化学、流体力学等多门学科的内容。 目前某些领域采用高科技研究手段使深入研究摩擦学成为可能，如为获得摩擦表面 的微观信息，常采用衍射技术、显微镜分析、能谱技术、探针显微分析等技术手段。 与此同时国内外一些专家学者开发了多种摩擦实验装置，模拟板成形过程中不同区 域的摩擦特点 2 7 】【2 8 】【2 9 】。但由于冷挤压过程中摩擦特性的研究受到成形过程复杂和界 面问题复杂的限制，已有的测试手段各有优缺点。对于铝合金冷挤压的摩擦分布变 化还未完全掌握。近年来用有限元方法和有限差分法来进行金属塑性变形的计算机 模拟的研究不断增加，其接触边界条件、摩擦边界条件的可知性是有限的。实验研 1 山东大学硕士学位论文 究表明，摩擦直接影响成形性和应变的分布，如果没有较准确的摩擦值就很难得到 正确的模拟结果。因此，较为系统的研究铝合金在冷挤压条件下表面组分的变化， 摩擦系数的变化，表面形貌等是具有重要意义的。 本文将结合铝合金冷挤压工艺的有关最新研究成果，在充分研究铝合金冷挤压 过程中的摩擦机理基础上，模拟冷挤压变形条件，采用先进的试验设备，进一步分 析铝合金在承受垂直载荷，有无相对滑动条件下的表面形貌、摩擦系数、表面合金 成分的变化现象，总结其变化规律，为实际生产及计算机模拟提供较为真实的边界 条件和一定的理论根据。 本文的主要内容安排如下： 第一章为绪论，主要介绍铝合金材料和铝合金冷挤压研究的现状和发展前景， 以及本文的选题背景和意义。 第二章介绍铝合金冷挤压理论，并对目前研究过程中存在的问题进行探讨。 第三章介绍摩擦理论，并对冷挤压过程中出现的现象进行理论分析。 第四章为试验部分，对铝合金冷挤压过程中的摩擦机理进行试验研究。 第五章为结论，对本文的工作进行总结，并对今后的研究方向进行展望。 山东大学硕士擘住论文 第二章铝合金冷挤压 2 1冷挤压概述及基本原理 2 1 1 冷挤压实质 冷挤压是一种少无切削压力加工新工艺。它是根据金属塑性成形原理，将冷态 的金属毛坯放入装在压力机上的模具模腔内，在强大的压力和一定的速度作用下， 迫使金属从模腔中挤出，从而获得所需形状、尺寸以及具有一定机械性能的挤压件。 显然，冷挤压加工是靠模具来控制金属流动，靠金属体积的大量转移来成形零 件的。冷挤压加工是在强大的压力作用下，迫使大截面的毛坯从凹模孔或从凸模与 凹模之间的缝隙中挤出，从而获得小截面的挤压件。 2 1 2 冷挤压的基本方法 根据玲挤压时金属流动方向与凸模运动方向之间的关系，常用的冷挤压方法可 以分为以下几种： ( 1 ) 正挤压。挤压时，金属的流动方向与凸模的运动方向相一致。正挤压又分 为实心件正挤压和空心件正挤压； ( 2 ) 反挤压。挤压时，金属的流动方向与凸模的运动方向相反。反挤压可以制 造各种断面形状的杯形件； ( 3 ) 复合挤压。挤压时，毛坯一部分金属流动方向与凸模的运动方向相同，而 另一部分金属流动方向则与凸模运动方向相反： ( 4 ) 减径挤压。变形程度较小的一种变态正挤压法，毛坯截面仅作轻度的缩减。 以上是冷挤压中应用最广的几种方法，他们的共同特点是：金属流动方向都与凸模 轴线平行，因此又统称为轴向挤压法。 ( 5 ) 径向挤压。挤压时，金属的流动方向与凸模的运动方向相垂直。径向挤压 又分为离心和向心径向挤压法： ( 6 ) 镦挤法。冷镦与冷挤压相结合的一种加工方法【3 0 j 。 一 生查苎兰堡主兰竺丝圭 一 2 1 3 冷挤压的优缺点 1 冷挤压的优点 ( 1 ) 可以降低原材料的消耗。冷挤压加工是利用金属的塑性变形制成所需形状 的零件，因而能大量减少切削加工，提高材料的利用率。冷挤压材料的利用率一般 可达到8 0 以上； ( 2 ) 可以提高劳动生产率。用冷挤压工艺代替切削加工制造机械零件，能使生 产率提高几倍、几十倍、甚至上百倍； ( 3 ) 可以提高零件的机械性能。在冷挤压过程中，由于受三向压应力的作用， 材料的塑性升高，并产生冷作硬化现象，硬度、强度有一定的提高。因此，某些原 需热处理强化的零件用冷挤压工艺后可省去热处理工艺；有些零件原需用强度较高 的钢材制造，用冷挤压工艺后就可用强度较低的材料代替； ( 4 ) 可以降低零件的制造成本。由于冷挤压工艺具有节约原材料、提高生产率、 减少零件的切削加工量，可用较差的材料代替优质材料的优点，从而使零件成本大 大降低； ( 5 ) 可加工形状复杂的零件。难以切削加工的零件，如异型截面、复杂的内腔、 内齿等； ( 6 ) 可获得较高尺寸精度和表面光洁度的零件。 2 冷挤压的缺点 ( 1 ) 变形抗力高。冷挤压时毛坯在模具中受三向压应力而使变形抗力显著增大， 这使模具所受的应力远比一般冲压模具大： ( 2 ) 模具使用寿命短。由于在冷挤压时，毛坯在模具中的强烈塑性变形，会使 模具温度升高，模具材料需具有高强度、足够的冲击韧性、耐磨性和回火稳定性： ( 3 ) 对毛坯的要求高。在挤压前需进行表面处理，增加了工序，难于生产自动 化： ( 4 ) 需大吨位压力机。由于冷挤压时毛坯的变形抗力大，需用数百吨甚至几千 吨的压力机。 山东大学硕士学位论文 2 1 4 冷挤压变形过程及受力分析 冷挤压的变形过程，大体上可分为四个阶段，即： ( 1 ) 充满阶段； ( 2 ) 开始挤压阶段； ( 3 ) 稳定挤压阶段： ( 4 ) 终了挤压阶段。 冷挤压变形时，变形区内任一点的应力状态和应变状态，皆可用主应力简图和 主应变简图来表示。对于正、反挤压应力与应变状态在整个变形区的不同区域中， 应力和应变状态的顺序是不同的，但是共同的特点是冷挤压变形区的基本应力状态 皆为三向压应力【3 l 】 4 1 。 区 正挤压变形区主应力图 变形区主应变图 图2 1正挤压时变形区主应力和主应变图 反挤压 变形区主应力图变形区主应变图 图2 2 反挤压时变形区主应力和主应变图 2 1 5 冷挤压中的冷作硬化、热效应 1 冷作硬化 金属材料在低于静态回复、静态再结晶温度以下，进行冷挤压变形时，随着变 形程度的增加，所有的强度指标( 弹性极限、比例极限、流动极限及强度极限) 以 及硬度不断的提高，塑性指标( 延伸率、断面收缩率及冲击韧性) 相应的降低，这 种现象称为冷作硬化。 冷挤压就是利用“冷作硬化”来强化金属的，这是冷挤压加工越来越得到广泛 应用的原因之一。冷作硬化与合金化、热处理样，都是改革金属性质的重要手段， 特别是对那些采用热处理方法无法使其强化的无相变的金属材料，冷作硬化就成了 唯一的强化手段。 冷作硬化可用位错理论来解释：冷挤压加工时，金属的变形主要是以滑移的形 式进行的，而滑移又都是通过位错进行的。一切阻碍位错移动的因素都会使滑移阻 力增加，从而使金属晶体的变形抗力增大。位错运动形成的位错塞积和位错割阶， 均会引起变形抗力的增加，即金属晶体在塑性变形过程中会发生加工硬化现象。 2 热效应 在冷挤压变形过程中，消耗于塑性变形功的一部分能量变成了热能，当变形速 度较大时，特别是在高速挤压的情况下，热量来不及散失，被挤坯料的温度就会升 高，从而使强度降低，塑性升高。这种现象称为热效应。 须注意的是，加工硬化现象中，实验结果表明，面心立方金属加工硬化曲线比 较典型，出现三个阶段，具备三个特征( 如图2 3 ) 所示。铝晶体属于面心立方结 构。在晶体变形的第1 阶段，位错在平行的滑移面内移动，表现出轻微的硬化，即 ，十 硬化系数目= ；较小，这是由于位错应力场的相互作用引起的。当滑移在几个滑移 d s 系统同时进行时，单晶体变形进入第1 i 阶段，这时晶体的加工硬化系数很大。在第 1 i i 阶段的特征是，加工硬化速率降低，曲线呈抛物线型，变形温度和层错能对第1 i i 阶段有影响。纯铝在室温下变形时，从加工硬化第1 阶段很快的过渡到第1 i i 阶段。 c o t t r e l l 和s t o k e 发现，加工硬化第1 i i 阶段有加工软化现象。观察第1 i i 阶段内部组织 山东大学硕士学位论丈 变化的特征是，出现了滑移带。随着变形量的增加，滑移都集中于滑移带内，在滑 移带之间不再出现新的滑移痕迹，而在滑移带内可以看到交滑移【4 j 【2 1 1 【2 2 1 【3 2 i 。 多晶体因为有晶界等的约束，塑性变形一开始就出现第1 i 阶段的硬化，不久就 进入第1 i i 阶段。 i i iii i | 彳 爿= 笔 l e 图2 3面心立方金属单晶体加工硬化的三个阶段 2 1 6 冷挤压对金属组织和机械性能的影响 冷挤压对金属组织有一定的影响，发生一些变化： 1 对金属组织的影响【3 3 ( 1 ) 显微组织的变化。冷挤压时，在强烈的三向压应力作用下，金属晶粒被压 碎，原来晶粒较大的金属，冷挤压后变为晶粒较小的金属，冷挤压的变形程度愈大， 晶粒形状的改变也愈大。 在冷挤压变形的金属中，存在削弱金属强度的夹杂物时，由于冷挤压加工是属 于“二压一拉”的主应变状态，因此，夹杂物顺着拉伸的方向被拉长，金属晶粒也 被拉长形成纤维组织。随着变形程度的增加，纤维组织越细越长，它在降低金属强 度方面的作用就越小，从而使金属强度相应提高。 ( 2 ) 产生内应力。经冷挤成形的零件，放置一段时间后，可能会自动发生变形， 这是由于零件内部存在着内应力而造成的。内应力可分为三种类型：a 宏观内应力。 由被挤坯料各部分之间的变形不均匀而引起的；b 微观内应力。由于各晶粒取向不 一致，产生了不均匀变形引起的；c 晶格畸变。冷挤压变形使原子在晶格中偏离其 山东大学硕士学位论文 平衡位置而引起的。 ( 3 ) 亚结构细化。在多晶体的每一个晶粒内，晶格位向也并非完全一致，而是 存在着许多尺寸很小、位向差也很小的晶块，它们相互镶嵌而成晶粒，称为亚结构。 经过冷挤压等冷塑性变形以后，亚结构将细化。亚结构的边界是晶格畸变区，堆积 有大量的位错。因此，亚结构细化可以强化金属。 2 对机械性能的影响 ( 1 ) 机械性能出现方向性。冷挤压时，金属朝着一定方向流动。因此，冷挤后 挤压件的机械性能出现了方向性：与流线方向相垂直和平行的方向上的强度是不相 同的。 ( 2 ) 硬度分布不一致。冷挤压时，因各部分的变形程度不同，使各部分的硬化 程度有较大的差异，这些差异可以用各处的硬度分布来表示。 ( 3 ) 机械性能的变化。材料的强度极限、屈服极限以及硬度都随变形程度的增 加而发生变化。 2 2 铝合金概述 2 2 1 铝合金性能 铝及铝合金具有良好的物理、机械和工艺的综合性能，是用途广泛的工程和建 筑材料之一。众所周知，它的重量轻，某些铝合金的强度还优于结构钢；在大多数 使用情况下，铝具有良好的耐腐蚀性：不形成带色的盐类物质因而对其临近表 面或相接触的无色制品( 如纺织品、化工溶液) 不形成污染；铝无毒；具有良好的导 电性和导热性，对于热和光有较高的反射性；铝易于d n - f 成各种形状和进行各种表 面涂饰。 铝的平均密度为2 7 9 c m 3 ，在大多数环境条件下，包括在空气、水( 或盐水) 、 石油化学和很多化学体系中铝能显示出优良的抗腐蚀性。这是由于当铝表露于大气 中会迅速形成一层很薄的肉眼看不出的氧化膜，该氧化膜使铝制品不再进一步氧 化，起到保护铝的作用。 通过各种冷加工和热处理，铝合金可获得不同的机械性能和状态。在确定任意 一1 4 山东大学硕士擘住论文 给定产品的状态时，应该考虑相应的加工方法和冷作程度。换句话说，铝合金在加 工中冷作的程度会改善产品所要求的特性。 可供冷挤压用的材料主要有： ( 1 ) 纯铝。工业用纯铝l 1 、l 2 、l 3 、l 4 、l 5 等，含爿f 量高达9 9 以上，含各 种杂质为1 0 以下，属面心立方晶型的纯金属，共有3 4 = 1 2 个滑移系，是一种很 理想的冷挤压材料。它不仅变形抗力低、塑性好，而且变形时几乎不产生加工硬化， 因此模具的使用寿命很长。 ( 2 ) 变形铝合金。冷挤压用变形铝合金主要有四类：防锈铝、硬铝、超硬铝和 锻铝等( 2 0 】1 2 l 】。变形铝合金变形时，强度、硬度等均有不同程度的提高。 2 2 2 铝的合金化与强化方法 纯铝的力学性能不高，不适宜制作承受较大载荷的结构零件。为了提高铝的力 学性能，在纯铝中加入某些合金元素制成铝合金。铝合金仍保持纯铝的密度小和抗 腐蚀性好的特点，而力学性能比纯铝高得多。可热处理强化的铝合金经热处理后其 力学性能可以和钢铁材料相媲美。铝合金的相对比强度极限接近甚至超过了合金 钢，而其相对比刚度则大大超过钢铁材料。故对于重量相同的结构零件，如用铝合 会制造是可以保证得到最大的刚度。由于铝合金具备上述特性，因此铝合金广泛应 用于机械、汽车、摩托车、自行车、航空及空间技术等工业。 铝在合会化时常加入的合金元素有铜、镁、锌、硅、锰、镉、镍、钴、钛及锶 等。在某些铝合金中也有时适量加入稀土元素。在加入的合金元素中大多是熔点很 高的元素，通常是将高熔点的合金元素先制成中间合金，再配制成各种铝合金。这 些元素对铝的强化作用主要通过以下几个方面实现： 1 、固溶强化。合金元素加入纯铝中形成铝基固溶体，起固溶强化作用，使其强 度提高； 2 、时效强化。合金元素对铝的另一强化作用是通过热处理实现的。由于铝没有 同素异构体，铝合金的热处理强化，主要是由于合金元素在铝中有较大固溶度且随 温度的降低而急剧减小的特点，故铝合金经加热到某温度保温后水中淬火，可以 得到过饱和的铝基固溶体。当放置在室温或加热到某温度时，其强度和硬度随时 一1 5 - - 山东大学硕士擘住论文 间的延长而提高，但塑性、韧性降低，这个过程称为时效。时效过程中使合金的强 度、硬度增高的现象称为时效强化或时效硬化； 3 、过剩相强化。当铝中加入的合金元素含量超过其极限溶解度时，淬火加热时 便有一部分不能溶入固溶体的第二相出现，称为过剩相。在铝合金中过剩相多数为 硬而脆的金属间化合物，在合金中起阻碍滑移和位错运动的作用，使强度、硬度提 高，而塑性、韧性降低； 4 、细化组织强化及变质处理。细化组织包括细化铝合金固溶体基体和过剩相组 织，变形铝合金中添加微量钛、锆、铍、锶以及稀土等元素，它们能形成难熔化合 物，在合金结晶时作为非自发晶核，起细化晶粒作用，提高合金的强度和塑性：铸 造铝合金中常加入微量元素作为变质剂进行变质处理来细化合金组织，提高强度和 塑性。 5 、冷变形强化。冷变形强化亦称冷作硬化，即金属材料在再结晶温度以下的冷 变形。冷变形强化是金属材料常用的强化方法之一，不能热处理强化的防锈铝合会 主要采用冷变形强化。冷变形时，金属内部位错密度增大，且相互缠结并形成胞状 结构，阻碍位错运动。变形度越大位错缠结越严重，变性抗力越大，强度越高【 】。 2 2 3 铝合金的应用 铝良好的耐腐蚀性和导热性对化工和石油工业设备是非常重要的。这些性能加 上无毒性就可用来制作食品加工设备。外形美观、耐大气腐蚀以及保养简便，使铝 广泛地应用于各类建筑构件。高反射性、良好的耐大气腐蚀性及重量轻使铝成为重 要的屋顶建筑材料。不论用于何处，重量轻都有助于降低贮运费用。 许多使用场合只有用具有多方面性能的铝材才能够满足需要。具有良好综合性 能的铝及铝合金现在正逐日地以新的方式进行应用，目前在全国各地的两万多的企 业中，铝已被作为一种基本原材料进行使用了。 在我国，随着经济的发展和人民生活水平的迅速提高，铝( 合金) 挤压型材在 生产和生活中得到了大量应用。铝型材加工也得到了迅速发展。近年来，我国的铝 加工企业已增加到1 0 0 0 家以上，主要装备水平与国外先进水平较为接近，有铝挤 压机2 0 0 0 余台，模具数量己增至3 0 万套，铝型材年产能力约为1 0 0 多万吨，均居 一1 6 - - - 山东大学硕士学位论文 世界前列。 2 2 4 铝合金的挤压特性 ( 1 ) 挤压铝合金对工具材料粘着作用很高，产生很大的接触摩擦应力。此应力 接近于剪切应力的最大值( 剪切屈服强度) ，这将使毛料的表面层和中间层之间的 剪切变形量产生很大差别，变形的不均匀性增加。如铝板冲裁粘模严重，o 5 哪厚 铝及铝合金冲裁件经过润滑冲l 万件后，毛刺高度比无润滑要小6 0 7 0 。 ( 2 ) 接触表面的机械咬合，接触面积不断变化。经机械加工的模具表面与坯 料表面具有一定的不平度，存在着微观