1、 4-1 引言引言 边界条件影响到：1）变形区的变形力学方程 2）产品的几何形状和性能 边界条件受下列因素的影响：1）坯料的几何学和性能 2）主设备传给工具的速度4.（摩擦）边界条件4-2 接触边界条件1.塑性加工时摩擦的特性 1）与一般机械传动中摩擦相比塑性加工机械传动1高温、中温、室温（一次加工）（二次加工）室温2高的工作载荷，约等于材料屈服应力的几倍几百几千Mpa工作载荷一定少于材料的屈服应力，仅产生很少弹性变形，几十Mpa3接触面积不断更新和扩大摩擦不断变化几乎保持不变2）塑性加工时的摩擦作用摩擦在加工过程中是不可避免的。它可以有助于变形，而且有时甚至是很必要的，但是它更经常地是一种组
2、碍。摩擦过大可能造成工具畸变以至失去对工件尺寸的控制，降低表面光洁度，使工具磨损和加重金属流动的不均匀性。金属与工具的接触面上存在着摩擦，摩擦力的方向只与接触面的切向重合。用单位接触面积的剪切力表示，所以，摩擦力也是接触面上的切应力。摩擦特性是十分复杂的，它和材料的性质，交界面的物理和化学特性，变形的温度、速度，加载特性等多种因素有关，根据现有的研究成果，还不可能用一个精确的函数关系定量确定摩擦力的分布规律，通常是用一些简化的模型，常用的摩擦模型有以下三种：2.摩擦模型及机理 1）摩擦模型 库仑摩擦定律 该定律用 =p，摩擦力，p为接触面上的正压力，为摩擦系数。公式表明，接触面上任一点的切应力
3、和它的正压力成正比。对于一定的工具和金属材料，在界面和温度不变时，常假定摩擦系数为常数，与速度无关。摩擦因子为常数ffa.该模型用 =mk ：摩擦力 m：摩擦因子 k：加工材料的剪切屈服应力，这就意味着摩擦力与正压力无关。对于一定的工具和变形材料，在界面和温度条件不变时，摩擦因子m取为常数，也与速度无关。b.在无摩擦的理想状态下，m=0，为m的极小值。根据材料的屈服准则，材料 经受的最大切应力 =k，因此m的极大值为1，即m值的可能变化范围 为：。c.在塑性变形时，交界面上的最小正压力为 为材料在拉伸时的 屈服应力 s与k的关系为 。ffmax10 mssP,min3sk由此可得摩擦系数的极大
4、值：即：因此值的变化范围为：上述两种模型，无论对于干摩擦或边界摩擦情况都适用。干摩擦时，交界面上无润滑剂，金属和工具的表面上微凸体能直接接触。在边界摩擦时，交界面上存在一层薄薄的润滑层，表面上的微凸体不能直接接触，但仍然互相嵌入。577.031minmaxmaxskp577.00 流体摩擦当交界面上有较厚的润滑层并能使工具与工件完全分开时，就形成了流体摩擦，摩擦力就是润滑层之间的内摩擦。在这种情况下，切应力 和润滑剂的粘度和相对运动的速度V成正比，同润滑层的厚度成反比。实际上，金属在塑性加工时接触表面上最常见的不是上述摩擦的单一形式，而是它们的组合形式混合摩擦，可以是干摩擦和边界摩擦的混合，也
5、可以是边界摩擦与液体摩擦的混合，或者三种摩擦形式同时存在。fvf2)摩擦机理：接触表面的局部粘结 在金属加工中，接触表面的压力很高，故表面间接合的很紧密。另外在变形过程中，有内部质点不断地迁移到接触表面上来，这些都使接触表面间的原子吸引力增大，从而使接触表面见产生粘着的趋势增强。当粘着时，当接触表面产生切向滑移时，必须切断粘着面。接触表面的机械咬合 工具不平度压入金属的表层，与金属形成机械咬合，当接触表面产 生滑动时，工具表面的凸起必须得碾平陷进工具凹痕内的金属。显然凸 起越高，压入变形金属内的深度越大，表面沿切向位移所需的力越大。摩擦力主要是由接触表面的机械咬合引起，所以表面愈粗 ，摩擦力
6、愈大这一事实得以证明。中间物质的剪切 中间物质的存在，在工具和变性金属之间形成一定隔离层，部分地 或全部地屏蔽着纯金属的表面。这些中间物质主要为金属表面上的氧化 皮、工艺润滑剂、水和尘埃等，对摩擦过程有很大影响。通常其强度大大 地低于变形金属。当接触表面产生润滑时，将在中间物质的隔离层内发生剪切变形。故 在这部分接触表面上，单位摩擦力决定于中间物质的剪切拉力。上述各机理的作用，决定于具体的摩擦条件。3.影响摩擦的主要因素及测定方法 1)工具表面不同，摩擦系数可能发生很大变化，初轧：刻痕加大摩 擦，以便咬入；冷轧板带：采用良好润滑，良好的表面及减少能耗。2)金属表面状态：金属的化学性质，氧化铁皮
7、的性质，工件变形前放置 的时间长短（影响氧化铁皮的厚度），都将影响摩擦系数的大小。3)变形温度：轧制时，氧化铁皮生成，使f值增高，当变形温度达到较高 时，氧化铁皮熔点低，易生成粘性体而引起润滑作用。图（3-40）0.50.8%C钢的摩擦系数与温度关系 4)变形速度：随轧制速度的增加，摩擦系数降低。图（3-41）轧制速度对摩擦系数的影响 原因解释：随速度增加时，润滑油的粘度改变，粘度高时，摩擦系数降低。速度高时，接触面上的凸凹来不急粘合，使f降低。5)变形区的几何特征参数的影响 =1 变形区呈长方形l h 摩擦影响极为重要 随着的增加，摩擦减弱。达一定值，摩擦的影响也不是重要因素，可忽视。即在值
8、小时，f较大，摩擦对工作载荷的影响随的增大而减小。（摩擦功随增加而减小，多余功随增加而增加）6)载荷的变化 测定方法：针对性很强的应用科学，实验测试很重要，实验 室实验一般有两种类型：有关润滑剂性能测定实验 如油墨强度，磨损、摩擦特性等，基本摩擦试验，如 四球机等。摩擦模拟实验用来模拟压力加工过程中，诸如轧制、拉拔 和深拉深的摩擦工况等。有好多例子：平面拉拔等。参考：塑性加工摩擦学茹铮、余望等4.润滑剂的选用 目的：降摩擦，减少力、能耗，提高表面质量 1)能大幅度的降低摩擦系数，润滑效果好。2)工具和谨慎表面上在高压、高速下能够有均匀而良好的润滑层，形成 均匀、致密的一层油膜，并有足够的强度，以保证润滑条件。3)润滑剂要有一定的化学稳定性，不能腐蚀金属工具的表面，而切不至 于游离、沉淀。4)当适当高的燃点，以避免在加工中由于变形导致温升而燃烧。5)加工后易于表面清除，同时含灰份要少，否则退火后在金属表面上留 下燃烧痕迹，使表面质量变坏。6)具有良好的冷却性能，以便把变形热代走，使变形稳定。7)价格便宜，质量好。4-3 自由边界条件 把裸露的不与任何物体相接触的边界面称为自由边界面，处于自由边界面上的金属不受任何约束力的作用（大气压力忽略不计），因此，自由边界面上正应力和切应力都等于零，自由边界条件表示为 带材轧制的直角边和鼓形边自由边界。0nn
