【文章內容簡介】 斷有新的摩擦面產生在塑性加工過程中，原來非接觸表面在變形過程中會成為新的接觸表面。例如，鐓粗時，由于不斷形成新的接觸表面，工具與材料的接觸表面隨著變形程度的增加而增加。此外，原來的接觸表面，隨著變形程度的進行可能成為非接觸表面。例如，板材軋制時，軋輥與板材的接觸表面不斷變?yōu)榉墙佑|表面向前滑出。因此，要不斷給新的接觸表面添加潤滑劑。這給潤滑帶來困難。（4）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，常進行熱加工。例如，鋼材的鍛造加熱溫度可達到8001200℃。在這種情況下，會產生氧化皮，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)進入軋輥，軋制過程就不能進行。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動，使變形過程容易進行。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，工件內應力狀態(tài)為單向壓應力狀態(tài)。當接觸面上存在摩擦時，工件內應力狀態(tài)成為三向壓應力狀態(tài)。同時摩擦也引起接觸面上應力分布狀況的改變。無摩擦均勻壓縮時，接觸面上的正應力均勻分布；存在摩擦時，接觸面上的正應力呈中間高兩邊低的狀況。摩擦會使變形抗力提高，從而增加能量消耗和影響零件的質量。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生附加應力，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生的熱使模具軟化，摩擦使變形抗力提高，從而導致模具的磨損加劇。3．影響摩擦系數(shù)的主要因素（1）金屬的種類和化學成分不同種類的金屬，其表面硬度、強度、氧化膜的性質以及與工具之間的相互結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，當化學成分不同時，摩擦系數(shù)也不相同。一般來說，材料的強度、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。當單位壓力達到一定值后，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 一般認為在室溫下變形時，金屬坯料的強度、硬度較大，氧化膜薄，摩擦系數(shù)最小。隨著溫度升高，金屬坯料的強度硬度降低，氧化膜增厚，表面吸附力、原子擴散能力加強；同時高溫使?jié)櫥瑒┬阅茏儔?，所以，摩擦系?shù)增大。到某一溫度，摩擦系數(shù)達到最大值。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，使接觸面相對運動速度增大，摩擦系數(shù)便降低。4．圓環(huán)鐓粗法原理圖1 測定摩擦因子用的標定曲線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、內徑、高度的比值）一定的圓環(huán)放在平板之間進行壓縮。壓縮后圓環(huán)內、外徑的變化情況與平板接觸面上的摩擦情況關系很大。理論分析結果與實驗結果表明，圓環(huán)的內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，其中各質點在徑向均向外流動，流動速度與質點到對稱軸之間的距離成正比，當接觸面上的潤滑情況很差時，壓縮后圓環(huán)的內徑將減?。蝗绻佑|面上的潤滑情況較好，則壓縮后圓環(huán)的內徑將增大。因此，采用圓環(huán)鐓粗法時，是以壓縮后圓環(huán)的內徑變化來確定摩擦系數(shù)或摩擦因子的。假設圓環(huán)的幾何尺寸為外徑：內徑：高度=6:3:2，高度壓縮30%后內徑變化率為10%。根據(jù)上述數(shù)據(jù)，在相應標定曲線上（如圖1所示）就可得一點。從圖1可以看出，該點與m=，因而可以認為對所考慮的情況，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．實驗設備、工具及輔助材料設備：600KN和1000KN萬能材料試驗機；工具：150mm游標卡尺、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、內徑、高度）。注意測量時測量圓環(huán)內徑的上、中、下三個直徑尺寸，取其平均值。重復進行上述步驟三次，控制總壓縮量在50%。根據(jù)所獲得的內徑、高度數(shù)據(jù)，查預習要求中指定教材的圖910，得出摩擦系數(shù)值。四、 實驗報告內容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力分布一、 實驗目的1．了解圓柱體鐓粗時，接觸面上正應力分布情況，以及應力曲線形狀和應力值與摩擦系數(shù)及鐓粗后的尺寸D/h值有關。2．應用電測法直接測出接觸面上的應力值與應力分布規(guī)律，并與理論計算公式的計算值進行比較。二、 實驗內容說明 金屬塑性加工理論的基本任務之一是對各種塑性成形工序進行力學分析和確定工序變形力，以作為合理選用成形設備、正確設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，如主應力法等。1．主應力法的基本原理通過對應力狀態(tài)作一些近似假設，建立以主應力表示的簡化平衡方程和塑性條件，使求解過程大大簡化。其基本假設為：（1）把問題簡化為平面問題或軸對稱問題，對于形狀復雜的變形體，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的基元體，且設作用于該基元體上的正應力與一個坐標無關并為均勻分布的主應力，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)基元體的靜力學平衡條件，得到一個簡化的應力平衡微分方程。（3）應用塑性條件時，假設接觸面上的正應力為主應力，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)求得接觸面上的應力分布，進而求得變形力。2．圓柱體鐓粗變形力計算在均勻變形假設條件下，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。如圖1所示，設為圓柱體的高度，為半徑，為徑向正應力，為子午面上的正應力，為接觸表面上的摩擦切應力。從變形體中切取一高度為、厚度為、中心角為的單元體。沿徑向列出單元體的靜力平衡方程忽略高次微量，并且有，整理后可得 (1)為了求解式(1)，需要確定與之間的關系。在均勻變形條件下，圓柱體壓縮時產生的徑向應變?yōu)?周向應變?yōu)?即，由應力應變關系式可得，代入式(1)，可得 (2)仍假設接觸表面上的摩擦切應力服從庫侖摩擦定律，則有 (3)式中，為工具作用在圓柱體上的單位壓力。在式(3)中包含有方向上的應力和工具作用在圓柱體方向上的單位壓力，與變形力有關的是。為了消除，需要引入屈服準則式（4）： (4)由于，式（）中。為壓縮應力，同樣有，代入式(4)，可得 (5)因實際上不是主應力，式(5)為近似屈服準則。對式(5)微分后得 （6）將上式（6）代入式(3)，可得 (7)將式(7)積分后，可得 (8)應力邊界條件為：當時，由屈服準則式(5)可知