【文章內(nèi)容簡介】 ）常在高溫下發(fā)生摩擦 在塑性加工過程中，為了減少變形抗力，提高材料的塑性，常進(jìn)行熱加工。例如，鋼材的鍛造加熱溫度可達(dá)到 8001200℃。在這種情況下，會產(chǎn)生氧化皮，模具軟化，潤滑劑 分解，潤滑劑性能變壞等一系列問題。 2．摩擦對塑性加工過程的影響 摩擦對塑性加工過程的影響，既有有利的一面，也有不利的一面。軋制時，若無摩擦力，材料不能連續(xù)進(jìn)入軋輥，軋制過程就不能進(jìn)行。在摩擦力起積極作用的擠壓過程中，浮動凹模與坯料之間的摩擦力有助于坯料運(yùn)動，使變形過程容易進(jìn)行。又如板料拉深時，有意降低凸模圓角半徑處的光潔度，以增加該處的摩擦力，使拉深件不易在凸模圓角處流動，以免引起破裂。但是，對多數(shù)塑性加工過程，摩擦是有害的，主要表現(xiàn)在以下方面： （ 1）增加能量消耗 在塑性加工過程中，除了使材料發(fā)生形狀改 變消耗能量外，克服摩擦力也要消耗能量。這部分能量消耗是無用的，有時這部分能量消耗可占整個外力所做功的 50%以上。 （ 2）改變應(yīng)力狀態(tài)，增加變形抗力 單向壓縮時，如工具與工件接觸面上不存在摩擦，工件內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)為單向壓應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)接觸面上存在摩擦?xí)r，工件內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)成為三向壓應(yīng)力狀態(tài)。同時摩擦也引起接觸面上應(yīng)力分布狀況的改變。無摩擦均勻壓縮時，接觸面上的正應(yīng)力均勻分布；存在摩擦?xí)r，接觸面上的正應(yīng)力呈中間高兩邊低的狀況。摩擦?xí)棺冃慰沽μ岣?，從而增加能量消耗和影響零件的質(zhì)量。摩擦使金屬流動阻力增加，坯料不易充滿型腔 。對于軋制過程，由于摩擦使變形抗力提高，軋輥的彈性變形加大，同時使軋輥之間的縫隙中間大、兩邊小，其結(jié)果是軋件中間厚兩邊薄。 （ 3）引起變形不均勻 在擠壓實心件時，由于外層金屬的流動受到摩擦阻力的影響，出現(xiàn)了流動速度中間快邊層慢的現(xiàn)象，嚴(yán)重時會在擠壓件尾部形成縮孔。有時，摩擦引起的變形不均勻會產(chǎn)生附加應(yīng)力，使制件在變形過程中發(fā)生破裂。 （ 4）加劇了模具的磨損，降低模具的壽命 摩擦產(chǎn)生的熱使模具軟化，摩擦使變形抗力提高，從而導(dǎo)致模具的磨損加劇。 3．影響摩擦系數(shù)的主要因素 （ 1）金屬的種類和化學(xué)成分 不同種類的 金屬，其表面硬度、強(qiáng)度、氧化膜的性質(zhì)以及與工具之間的相互結(jié)合力等特性各不相同，所以摩擦系數(shù)也不相同。即使同一種金屬，當(dāng)化學(xué)成分不同時，摩擦系數(shù)也不相同。一般來說，材料的強(qiáng)度、硬度愈高，摩擦系數(shù)愈小。 （ 2）工具表面粗糙度 通常情況下，工具表面越粗糙，變形金屬的接觸表面被刮削的現(xiàn)象愈大， 摩擦系數(shù)也愈大。 （ 3）接觸面上的單位壓力 單位壓力較小時，表面分子吸附作用小，摩擦系數(shù)保持不變，和正壓力無關(guān)。當(dāng)單位壓力達(dá)到一定值后，接觸表面的氧化膜破壞，潤滑劑被擠掉，坯料和工具接觸面間分子吸附 作用愈益明顯，摩擦系數(shù)便隨單位壓力的增大而增大。但增大到一定程度，便穩(wěn)定了。 （ 4）變形溫度 一般認(rèn)為在室溫下變形時，金屬坯料的強(qiáng)度、硬度較大，氧化膜薄，摩擦系數(shù)最小。隨著溫度升高，金屬坯料的強(qiáng)度硬度降低，氧化膜增厚，表面吸附力、原子擴(kuò)散能力加強(qiáng)；同時高溫使?jié)櫥瑒┬阅茏儔模?，摩擦系?shù)增大。到某一溫度，摩擦系數(shù)達(dá)到最大值。此后，溫度繼續(xù)升高，由于氧化皮軟化和脫落，氧化皮在接觸面間起潤滑劑的作用，摩擦系數(shù)卻下降了。 （ 5）變形速度 由于變形速度增大，使接觸面相對運(yùn)動速度增大，摩擦系數(shù) 便降低。 4．圓環(huán)鐓粗法原理 這種方法適于測定體積成形過程中的摩擦系數(shù)或摩擦因子。采用這種方法時，將幾何尺寸（指外徑、內(nèi)徑、高度的比值）一定的圓環(huán)放在平板之間進(jìn)行壓縮。壓縮后圓環(huán)內(nèi)、外徑的變化情況與平板接觸面上的摩擦情況關(guān)系很大。理論分析結(jié)果與實驗結(jié)果表明，圓環(huán)的內(nèi)徑變化對接觸面上摩擦情況的變化比較敏感。如果接觸面上不存在摩擦，則圓環(huán)壓縮時的變形情況和實心圓柱體一樣，其中各質(zhì)點在徑向均向外流動，流動速度與質(zhì)點到對稱軸之間的距離成正比，當(dāng)接觸面上的潤滑情況很差時，壓縮后圓環(huán)的內(nèi)徑將減?。蝗绻佑|面上的潤滑情況較好，則壓縮后圓環(huán)的內(nèi)徑將增大。因此，采用圓環(huán)鐓粗法時，是以壓縮后圓環(huán)的內(nèi)徑變化來確定摩擦系數(shù)或摩擦因子的。假設(shè)圓環(huán)的幾何尺寸為外徑：內(nèi)徑：高度 =6:3:2，高度壓縮 30%后內(nèi)徑變化率為 10%。根據(jù)上述數(shù)據(jù)，在相應(yīng)標(biāo)定曲線上（如圖 1所示）就可得一點。從圖 1可以看出，該點與 m= 的曲線最為接近，因而可以認(rèn)為對所考慮的情況， m= 。 三、 實驗方法和步驟 1．試樣 試樣為工業(yè)純鋁，制成環(huán)狀，其外圓、內(nèi)徑、高度比值為 6： 3： 2，具體尺寸如 圖 2所示。 圖 2 圓環(huán)試樣 2．實驗設(shè)備、工具及輔助材料 設(shè)備： 600KN 和 1000KN 萬能材料試驗機(jī)； 工具： 150mm 游標(biāo)卡尺、墊板； 輔助材料： MoS2油膏 3．實驗步驟 取圓環(huán)鋁試樣兩個，分別在不同摩擦條件下（一個用油膏，一個不用油膏），在兩平板間進(jìn)行壓縮，圓環(huán)要放在平板中心，保證變形均勻。 每次壓縮量為 15%左右，然后取出擦凈測量變形后的圓環(huán)尺寸（外徑、內(nèi)徑、高度）。注意測量時 測量圓環(huán)內(nèi)徑的上、中、下三個直徑尺寸，取其平均值。 重復(fù)進(jìn)行上述步驟三次，控制總壓縮量在 50%。 根據(jù)所獲得的內(nèi)徑、高度數(shù)據(jù)，查預(yù)習(xí)要求中指定教材的圖 910，得出摩擦系數(shù)值。 四、 實驗報告內(nèi)容 1．列表填寫實驗數(shù)據(jù)（分加潤滑劑和未加潤滑劑）； 2．計算、并查對校正曲線，得出實驗結(jié)果 3．分析不同摩擦條件對圓環(huán)變形分布的影響 4．對測定摩擦系數(shù)的誤差因素進(jìn)行分析 5． 通過金相分析，繪制出鐓粗前后材料的組織特征，并說明有何不同。 6．討論本實驗方法有什么優(yōu)缺點 實驗六 圓柱體鐓粗時接觸面上的正應(yīng)力分 布 一、 實驗?zāi)康? 1．了解圓柱體鐓粗時，接觸面上正應(yīng)力分布情況，以及應(yīng)力曲線形狀和應(yīng)力值與摩擦系數(shù)及鐓粗后的尺寸 D/h值有關(guān)。 2．應(yīng)用電測法直接測出接觸面上的應(yīng)力值與應(yīng)力分布規(guī)律，并與理論計算公式的計算值進(jìn)行比較。 二、 實驗內(nèi)容說明 金屬塑性加工理論的基本任務(wù)之一是對各種塑性成形工序進(jìn)行力學(xué)分析和確定工序變形力，以作為合理選用成形設(shè)備、正確設(shè)計模具和制訂工藝規(guī)程的主要理論依據(jù)。除了實驗方法外，工程上一般還采用一些近似的方法來求解變 形力，如主應(yīng)力法等。 1．主應(yīng)力法的基本原理 通過對應(yīng)力狀態(tài)作一些近似假設(shè)，建立以主應(yīng)力表示的簡化平衡方程和塑性條件，使求解過程大大簡化。其基本假設(shè)為： （ 1）把問題簡化為平面問題或軸對稱問題，對于形狀復(fù)雜的變形體，可以把它劃分為若干部分，每一部分分別按平面問題或軸對稱問題處理。 （ 2）根據(jù)變形時金屬流動的方向，沿變形體整個（或部分）截面切取一個包含接觸面在內(nèi)的基元體，且設(shè)作用于該基元體上的正應(yīng)力與一個坐標(biāo)無關(guān)并為均勻分布的主應(yīng)力，接觸面上的摩擦力用庫侖摩擦條件或常摩擦條件表示。根據(jù)基元體的靜力學(xué)平衡 條件，得到一個簡化的應(yīng)力平衡微分方程。 （ 3）應(yīng)用塑性條件時，假設(shè)接觸面上的正應(yīng)力為主應(yīng)力，即忽略摩擦力對塑性條件的影響，從而使塑性條件大大簡化。 將經(jīng)過簡化的平衡微分方程和塑性條件聯(lián)立求解，并利用邊界條件確定積分常數(shù)求得接觸面上的應(yīng)力分布，進(jìn)而求得變形力。 2．圓柱體鐓粗變形力計算 在均勻變形假設(shè)條件下，圓柱體在壓縮過程中不會出現(xiàn)鼓形，因此，圓柱體鐓粗屬于軸對稱問題，宜采用圓柱坐標(biāo) ? ?zr ,? 。如圖 1 所示，設(shè) h 為圓柱體的高度， R 為半徑， r? 為徑向正應(yīng)力， ?? 為子午面上的正應(yīng)力， f? 為接觸表面上的摩擦切應(yīng)力。從變形體中切取一高度為 h 、厚度為 dr 、中心角為 ?d 的單元體。 沿徑向列出單元體的靜力平衡方程 忽略高次微量，并且有 22sin ?? dd ? ，整理后可得 02 ???? rhdrd rfr ????? (1) 為了求解式 (1)，需要確定 r? 與 ?? 之間的關(guān)系。在均勻變形條件下，圓柱體壓縮時產(chǎn)生的徑向應(yīng)變?yōu)? rdrd r ?? 周向應(yīng)變?yōu)? ? ? rdrr rdrrd ???? ? ??? ? 2 22 即 ??? dd r ? ，由應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系式可得 ??? ?r ，代入式 (1)，可得 圖 1 鐓粗圓柱體及單元體上的應(yīng)力分量 d ? ? ? R r h Z P ? f ? r ? r +d ? r dr ? ? 02 ?? hdrd fr ?? (2) 仍假設(shè)接觸表面上的摩擦切應(yīng)力服從庫侖摩擦定律 pf ?? ? ，則有 02 ?? hpdrd r ?? (3) 式中， p 為工具作用在圓柱體上的單位壓力。 在式 (3)中包含有 r 方向上的應(yīng)力 r? 和工具作用在圓柱體 z 方向上的單位壓力 p ，與變形力有關(guān)的是 p 。為了消除 r? ，需要引入屈服準(zhǔn)則式（ 4）： szr ???? ??? (4) 由于 ??? ?r ，式（ ）中 1?? 。 z? 為壓縮應(yīng)力，同樣有 zp ??? ，代入式 (4)，可得 srzr p ???? ???? (5) 因 z? 實際上不是主應(yīng)力，式 (5)為近似屈服準(zhǔn)則。對式 (5)微分后得 dpd r ??? （ 6） 將上式（ 6）代入式 (3)，可得 02 ?? hpdrdp ? (7) 將式 (7)積分后，可得 rhCep ?2?? (8) 應(yīng)力邊界條件為：當(dāng) Rr? 時， 0?r? ，由屈服準(zhǔn)則式 (5)可知 sRrp ??? 將上式代入式 (8)，可得 RhseC ?? 2? 將上式再代入式 (8)，可