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塑性加工过程摩擦

/friction of metal working/
条目作者赵林春撰张晓明修订
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赵林春撰

张晓明修订

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最后更新 2022-01-20
浏览 211
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金属塑性加工过程中,金属和工具间在有相对运动或有运动趋势时,两接触面之间产生的阻碍相互运动的现象。

英文名称
friction of metal working
所属学科
冶金工程

摩擦在多数情况下是有害的,主要表现在:①增大金属变形阻力。②引起金属的变形不均。③增加工具磨损。④损害制品表面质量。⑤增加金属变形的能耗。但也能产生积极作用,如在轧制过程中咬入和轧制过程建立、薄板冲压过程的压边、拔制过程坯料头部的夹持等。

金属塑性成形中的摩擦有内摩擦、外摩擦之分。内摩擦是金属内部质点产生相对运动(滑移)引起的;外摩擦是由于工具与工件之间相对运动产生阻碍表面金属质点流动引起的。为改善塑性加工过程的摩擦状态,在工具和金属相互接触的表面通常采用塑性加工工艺润滑,以改变工具和金属表面之间的性质,降低界面摩擦阻力,减少工具磨损,提高产品表面质量,还可以防止金属和工具黏结,并起到冷却作用。

金属塑性加工过程中的摩擦不同于普通机械运动中的摩擦,后者在运动中通常表面接触压力比塑性变形时要小。在塑性加工时,金属工件和加工工具间的接触压力很大,摩擦性质复杂。关于摩擦产生机理有三种学说:①表面凹凸学说,认为摩擦是由于接触面上的凹凸不平引起的。因为经过机械加工的表面并非都是绝对平坦光滑的,从微观上来看,都有不同程度的凸起和凹坑。因此在两个表面相互接触时,凸起和凹坑会相互咬合。当在外力作用下发生相对运动时就会产生阻力,这就是摩擦力。②分子吸附学说,认为当两个接触表面非常光滑时,其界面的摩擦力不但不会降低,反而会增加,这是由于接触表面分子之间相互吸引的结果。③黏着理论,认为当两个接触面上某些接触点处的压力很大,以至发生黏接或焊合,这样两表面相对运动时,黏接点将被切断而产生相对滑动阻力,这个阻力也称为摩擦力。

古典摩擦理论认为,摩擦力的大小与接触面之间的法向压力成正比,即库仑定律。库仑定律也可用于边界润滑条件下摩擦力的计算,但实际上影响边界润滑的条件有很多,很难用这个简单模型加以描述,采用库仑定律只是一个近似的计算方法。

在塑性加工过程中,根据坯料与工具接触表面之间润滑状态的不同,可以把摩擦分为干摩擦、边界摩擦和液体摩擦。介于这三种之间的摩擦分别为半干摩擦和半液体摩擦。干摩擦是不存在任何外来介质时,金属与工具的接触表面之间的摩擦。但在实际生产中,绝对理想的干摩擦是不存在的,通常指工具与工件接触面不施以任何润滑剂的摩擦状态。对于镦粗和锻造、无润滑挤压铝及铝合金等塑性加工过程,都可能出现干摩擦状态。边界摩擦是一种介于干摩擦与流体摩擦之间的摩擦状态。其产生是由于润滑剂对金属表面的物理和化学吸附作用,形成一层只有几个分子厚的边界润滑膜。液体摩擦是当工件与工具表面之间的润滑层较厚时,摩擦副在相互运动中不直接接触,两接触面完全被润滑膜隔开,摩擦发生在流体内部分子之间,如在高速轧制与拉拔时局部容易出现这种摩擦。半干摩擦和半液体摩擦称为混合摩擦。半干摩擦是干摩擦和边界摩擦的组合,半液体摩擦是液体摩擦和边界摩擦的组合。在实际塑性加工过程中,界面的摩擦并非某个单一类型,而是3种摩擦类型的过渡或混合状态。

影响塑性加工过程中摩擦的因素可分为两类:一类是与工具和变形金属的表面状态,以及它们之间相互作用的接触面性质(润滑剂、氧化膜等)相关的因素。这些因素影响摩擦的过程,但不能完全决定接触表面的摩擦应力大小及分布。另一类是与两接触表面力学性质,以及应力-应变状态有关的因素。在表面状态与性质一定时,摩擦应力的大小及分布取决于金属承受的应力状态和金属质点的运动学特点。因此,在塑性加工过程中,在接触表面上某一点的摩擦应力取决于表面的受力条件、变形材料的流变性质和摩擦表面状态等。

  • 俞汉清,陈金德.金属塑性成形原理.北京:机械工业出版社,2005.
  • 姚若浩.金属压力加工中的摩擦与润滑.北京:冶金工业出版社,1990.
  • 霍林.摩擦学原理.北京:机械工业出版社,1981.

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