第四章 模具摩擦磨损.ppt

第四章模具的摩擦和磨损 1引言 2摩擦与磨损 3磨损分类和特性一粘附磨损二磨粒磨损三腐蚀磨损四疲劳磨损 4模具的磨损失效 1引言 磨损是摩擦学三大基本内容 摩擦 磨损和润滑 之一 磨损又是金属机械零件失效的三种主要形式 磨损 疲劳 腐蚀 之一 随着科学技术的日益发展 材料与能源的节约变得越来越重要 减少磨损的任何措施 都可节约材料 能源 人力和物力 因此防磨和抗磨对国民经济有重要意义 在工业比较发达国家里 据分析 目前能源消耗约有1 3是由于摩擦和磨损造成的 约1965年英国的教育科研部提出关于摩擦学教育和研究的报告之后 人们日益重视摩擦和磨损对整个工业的影响 H peterJost曾估计美国常年为摩擦和磨损开支1000亿美元 据西德研究和技术部估计 摩擦和磨损使西德经济每年损失约100亿马克 其中一半 是磨料磨损 造成的 另据U S A评议局 OAT 报导 美国切削机床每年维护费为750亿美 元 铁道车辆为30亿美元 而一架值勤的海军飞机飞行每小时磨损消耗值为245美元 耗油只有376美元 可见磨损消耗之大 又如在农业机械及建材行业 40 的配件是由于摩擦磨损消耗的 其它如矿山 建筑 煤炭 电力 铸造机械中磨料磨损也十分严重 我国关于摩擦磨损的研究开展的也很早 60年代初在兰州召开了第一次全国摩擦 磨损会议 有关课题也列入了全国科学规划 1975年机械部召开的摩擦 磨损 会议上的调查报告指出 国家分给机械部钢材有一半作为配件 而配件又大部分用于维修 如1974年汽车产值16 6亿元 耗用钢材27万吨 配件产值为14亿元 耗用钢材23万吨 这其中绝大部分用于维修易磨损件 可见磨损问题在我国也相当严重 关于磨损研究是投资少 收益大 美国机械工程协会报告讲 1976年美花在交通运输 发电 透平机械和工业生产四个主要领域中关于发展摩擦磨损方面研究费用为2400万美元 而总节约量估计为美国每年能源消耗的11 相当于160亿美元 摩擦与磨损对人类生活产生深远的影响 摩擦生火使人与动物分开 车的发明是一种由滚动摩擦代替滑动摩擦 减少磨损的实例 但摩擦磨损的研究长期以来只限于力学范畴类 阿 通 库伦定律几乎统治了两个世纪 磨损是一种十分复杂的现象 涉及的范围很广 特别是磨损是一种微观和动态的过程 仅从力学观点去研究显然是无法解决摩擦磨损这一复杂问题的 60年代以后 由于电镜的大量应用 磨损研究才快速发展起来 扫描电镜 透射电镜 俄歇电子能谱技术 X光电谱技术 扫描离子谱和离子衍射谱技术等新技术的应用 加之铁谱技术的发展 使得磨损机理失效分析 监测和维修各方面都有很大发展 摩擦磨损分析研究是解决磨损问题之关键 具体到模具 首先必须了解造成磨损的原因 揭露磨损之机理 本章就是关于这方面的讲述 希望大家认真重视 2摩擦与磨损 摩擦三种状态 干摩擦 边界摩擦及润滑摩擦 与磨损 关于摩擦 在有关方面课中已作过详细分析 本课程不再赘述 这里仅就各种摩擦状态下的磨损情况 有磨屑的产生 简要予以说明 1 干摩擦与磨损干摩擦是指没有任何污染 表层吸附物 油膜 氧或水分薄膜及其它非固体的第三种物质薄膜 的固体之间的摩擦 干燥条件下的接触模型 示于下图中 由于是干燥条件下 两物体A与B间接触面 可以看作是强有力地粘附在一起的 此时 磨屑脱落机理是很复杂的 有多种不同的说法 最广泛的是下图所示的模型 Archard模型 设接触点直径为d 接触点为n 当滑动距离为d时 则有图示中虚线所示半球状的磨屑脱落下来 于是 载荷 金属流动压力 因之 全滑动距离L时全部磨损量为 1 与所作用垂直载荷成正比 2 与滑动距离成正比 3 与材料流动压力成正比实际上磨屑是一种概率现象 把概率因素考虑进去 多用下列公式表示其中为磨损系数 是一个无因次量 实际中 因次为 来代替 则 该值为磨损率 与均可用来表示材料的耐磨性 磨损量与时间之比值称磨损率 边界摩擦与磨损关于边界润滑条件的磨损机理 仅就磨屑脱落的概率来说 润滑能减少磨屑脱落 在每个接点处 完全处于干摩擦和有润滑情况下的脱落的比例是不同的 流体润滑与磨损在完全理想润滑条件下 不会产生磨损 但现实中 任何一种流体润滑的轴承 仍然会有一定的固体接触 或多或少会产生少量磨损 已为实践所证实 摩擦功与磨损及其相互关系引起磨屑脱落必然要付出一定能量 因此 在摩擦功中 包括了磨损功 但一般情况下 磨损功以外的摩擦与变形所消耗的功多属内功而不呈现于表面 研究指出 干摩擦时磨损量与成正比 为 n 2 为摩擦系数 实验结果 与 成正比均有之 对于单位机械磨损有 3摩擦分类和特性 磨损分类的方法很多 有按磨损发生的机理分类法 有按机械运动状态的分类法以及根据其它观点的分类法 达几十种之多 J T 鲍维尔的分类法是 1 粘附磨损 2 磨粒磨损 3 腐蚀磨损 4 表面疲劳磨损 或叫 麻点磨损 5 次要的磨损形式 浸蚀 冲击等 面压在一起 正压力为 则可写成 屈服强度 1 据阿查得 Archard 的研究 假定 每次有两个微凸体进入接触才能形成结点 因此必有一个不变的形成粘附磨损微粒的概率 再进一步假定 每个微粒均为半球状的 其直径d等于结点的直径 并且所有的结点尺寸都相同 如果在任一瞬间都有几个结点存在 则真实触面为 2 将 1 和 2 联立可得 再假定 在滑过等于结点直径d的距离后 原结点撕裂 并同时形成新结点 因此在每单位滑动距离中重新生成结点的次数必须为1 d 而每单位滑动距离中重新生成结点的总数为 3 4 如果磨粒生成概率为k 单位滑距内生成结点总数为N 每生成一个磨粒的体积为 半球状 则每单位滑距所生成的磨粒体积可用下式求得 联立 4 5 两式 沿总滑距离Ls对 6 积分 则可以得到粘附磨损体积 表达式为 5 6 设为粘附磨损深度 Aa为表观接触面积 则式 7 可改写为 或者式中 支承面间的平均公称接触压力 磨损系数 它取决于生成迁移碎片 7 8 9 的概率和较软材料的屈服强度 或硬度 几种材料体的磨损常数的典型值 对于表17 1中 润滑对磨损常数影响表示在表17 2中 从式 9 可看出 若由实验所得比值是常数 则 9 式就是正确的 实验资料表明 对给定的材料时 在平均公称接触压应力大约等于单向屈服强度前 该比率为常数 超过这个应力水平 粘附磨损剧 10 增 并伴有严重的撕脱和咬死 因此 粘磨下的平均磨损程度可以这样估算 以下两式为粘附磨损方程 当时 当时 将发生撕脱和咬死 实际用这个表达式在于求得一个粘附磨损常数值 其范围大概在英寸 磅 该方程对其他形式磨损不适用 控制磨损方法有 保护层原则 包括使用润滑剂 表面膜 油漆 电镀 磷化化学处理 火焰处理等 转化原则 通过选择金属副 硬度 表面光洁度 接触压力等使磨损由破坏性转化到可容性 更换原则 采用经济的可更换磨损元件 以便在 磨坏 时予以更换 以上这些方法不但适用于粘磨 而且也适用于磨粒磨损 二 磨粒磨损1 定义 因较硬配合面上微凸体的犁削和凿削作用 或者由于裹夹在两磨面间的自由硬微粒的作用使磨损微粒从摩擦表面脱落下来过程谓之 二体磨损 一个表面微凸体磨掉与之配合表面上的这种磨粒磨损谓之三体磨损 由夹裹在两表面间硬磨粒引起的磨损谓之刮伤概念 使表面形成沟槽和划痕的磨损谓之 磨粒磨损可细分为 主应力凿削高应力水平 常由冲击载荷引起低应力划伤由裹入的砂粒引起的冲刷性腐蚀冲蚀是由于流体或体力场 如重力场 驱动微粒流动所致2 模型 假设引起切削作用的微凸体或微粒形状是圆锥形的 对于单个微凸体 它所承担的载荷除以微凸体水平投影面积 等于塑性流动应力 即 而滑动距离时产生的总磨损体积为 将 13 求出的代入 15 式 就可求出单个微凸体磨损体积 全部微凸体产生的磨损总体积为 15 16 17 式中 施加的总载荷 所有微凸体的的加权平均值 总滑动距离 较软材料的单向屈强将求磨粒磨损体积的 17 和求粘附磨损体积的 7 比较 可看出 它们在形式上是一样的 只是粘附磨损方程中的为 而磨粒磨损方程常数为 于是磨粒磨损平均深度估算为 18 或式中 支撑面间的平均公称接触压力 总滑动距离 磨粒磨损系数 它取决于表面粗糙特性和软材料的屈服强度 或硬度 19 三 腐蚀磨损 参考教材P15 当粘附磨损或磨粒磨损的条件与导致腐蚀的条件同时并存时 则磨损与腐蚀过程同时进行并互相促进 若腐蚀生成物是坚硬性的和磨粒性的 则这些在面间的腐蚀微粒将加速磨粒磨损过程 磨损过程反过来磨掉生成物表面保护层 使新金属面裸露在腐蚀环境中 加速腐蚀过程 因之 腐蚀过程可以自加速 可引起高的磨损率 另一方面 某些腐蚀生成物 例如金属磷酸盐 硫化物和氧化物 则所生产的润滑膜 在实际上大大降低了磨损速率 尤其是粘附磨损占主要地位的情况更是如此 腐蚀磨损分两种 1 氧化磨损其磨损率为 属轻微磨损 滑动干摩擦 粘附磨损率为 严重磨损 因此 对无润滑的正常磨损来说 尽可能实现氧化磨损 2 腐蚀环境磨损当磨擦副处于腐蚀环境中工作时 金属表层活性能力增强 因而易于腐蚀而促进磨损 四 疲劳磨损 参考教材P14 下列两种情况 1 因反复进行滚动接触而引起的表层疲劳 点蚀 麻点磨损 2 假使在滑动接触过程中 实际接触点的粘附倾向是很小的 但由于弹性接触反复进行 以至于达到疲劳破坏 对第一种情况 如下图所示 可看做是球与平面间接触 属于纯滚动时 最大剪应力发生在距表面为0 6a深度内 a为接触圆半径 可按下列公式计算 图中所示 最大剪应力深度变小 而且 因滑动引起的磨损较大时 则出现点腐蚀可能性很小 它在滚动轴承 齿轮凸轮以及有滚动接触表面的其他所有机件中都是一种常见的失效形式 在滚动轴承中 其循环次数计算寿命N大约为 式中P 轴承载荷C 已知轴承常数 由ABMA 滚动轴承制造者协会 定义为额定基本载荷 它是一批同样的轴承 在可靠度为90 内座圈旋转 寿命达100万次时的能承受的径向载荷 4模具的磨损失效 一 模具磨损失效形式一对磨损体 模具 坯料 由于之间相互磨擦 引起表面物质消耗 模具几何形状变化不能再服役 谓之模具磨损失效 在磨擦过程中 模具表面粘附一些坯料金属 这种模具几何形状也发生改变而不能工作 也称失效 故磨损失效表现有 刃口钝化 棱角变圆 平面下陷 表面沟痕 剥落 粘模等以上表现在冷冲 热冲模中 冷 温挤压模中 冷镦模中 压铸模中 轴承套圈辗扩模具中 锻模中大量存在 二 模具磨损失效原因模具磨损失效原因根本是磨擦 模具磨损失效的形式和过程速度与模材 坯料化学成分及机理 模具表面粗糙度 模具表面状态 压力加工过程中压力 温度 润滑有关 模具钢耐磨性 不仅决定于其强度 还决定于碳化物分布数量 大小 性质 在硬度相等条件下 碳化物数量和性质均影响钢的耐磨性 目前在工具钢中 以高速钢和高 碳高铬钢耐磨性最高 磨损机制对钢的磨损寿命及磨损形式影响很大 在静磨损条件下 薄板冲裁 拉延 弯曲等 模具钢含碳量愈高 其耐磨性愈高 在冲击磨损条件下 如冷镦 模具钢中过多的碳化物无助于提高其耐磨性 反而会降低耐磨性 由上图可见 在冲击磨粒磨损条件下 模具钢含碳量 以0 6