金屬塑性加工原理

PrincipleofPlasticDeformation

inMetalsProcessing第二篇金屬塑性加工的流動與變形規律第3章金屬塑性加工的宏觀規律

§3.1塑性流動規律（最小阻力定律）

§3.2影響金屬塑性流動和變形的因素§3.3不均勻變形、附加應力和殘余應力

§3.4金屬塑性加工諸方法的應力與變形特點§3.5塑性加工過程的斷裂與可加工性(歸入金屬學基礎)§3.1

塑性流動規律（最小阻力定律）概念：最小阻力定律最小周邊法則實際應用分析修磨圓角，減少阻力增加飛邊阻力圖3-1開式模鍛的金屬流動俯視圖，外力P方向向里接觸面上質點向周邊流動的阻力與質點離周邊的距離成正比質點向距離最短的周邊移動→分成四個區流動的結果是變成橢圓形圖3-2最小周邊法則方錠變圓（a）（b）B-B剖面（c）圖3-3正方形斷面變形模式（D′＞D，B′2＞B2）

小輥徑大輥徑小輥徑D延伸變形區大大輥徑D′寬展變形區大H、h、B1相同時

B′2＞B2圖3-6輥徑不同時軋件變形區縱橫方向阻力圖軋件坯料寬度不同

B1＜B2H、h、D相同時：寬展部分相同而窄板延伸＜寬板延伸其結果導致窄板寬展率大，延伸率小圖3-5不同寬度坯料軋制時寬展情況§3.2影響金屬塑性流動和變形的因素

3.2.1摩擦的影響3.2.2變形區的幾何因素的影響3.2.3工具的形狀和坯料形狀的影響3.2.4外端的影響3.2.5變形溫度的影響

3.2.6金屬性質不均的影響鐓粗時摩擦力對變形及應力分布的影響接觸面附近摩擦力，中心大，邊部小變形分成三個區難變形區、易變形區、自由變形區三個區的主應力圖有區別，主變形圖不同σ1=σ2=σ3ε1=ε2=ε3=00>

σ2

=

σ1>σ3ε3＜0ε1=ε2=-ε3/2σ1>0>

σ3σ2=0

ε1=-ε3ε2=？0思考：沒有摩擦力，怎么變形？圓柱鐓粗時接觸表面單位壓力分布圖用有孔的玻璃錘頭壓縮塑料發現中間進入圓孔的塑料高度高于邊部從邊緣到中心應力逐漸升高，邊緣應力等于屈服應力試樣高/徑比h/d越小，應力分布越不均勻思考：高向怎么變化？a)變形前b)摩擦系數很小或為零c)有摩擦

圓環鐓粗時金屬的流動無摩擦力σ2=σ1=0σ3＜0ε3＜0ε1=ε2=-ε3/2有摩擦力σ2、σ1<0σ3＜0出現中性面球壓縮時的流線45度角剪切最大，屈服準則，滑移帶形成正交網線形成變形錐隨變形程度，滑移帶向內、外擴展向外深入，上下變形錐相交內部質點滑移變形的近似模型變形錐模型向內，難變形區，摩擦力影響，靜水壓力大向外：當H/D很大時，滑移錐不相交，離接觸面越遠，滑移線不容易到達中間難變形，形成雙鼓形當H/D較小時，滑移錐相交，難變形區不變形，易變形區和自由變形區變形形成單鼓形當H/D很小時，滑移錐相互干涉最嚴重，相互插入難變形區，變形較均勻，需要很大的變形力h2為各種數值時的情況變形錐之間距離h對變形模式的影響接觸面是否產生滑動與摩擦力和變形因子有關？

工具（或坯料）形狀是影響金屬塑性流動方向的重要因素。工具與金屬形狀的差異，是造成金屬沿各個方向流動的阻力有差異，因而金屬向各個方向的流動（即變形量）也有相應差別。

3.2.3工具的形狀和坯料形狀的影響a)圓型砧（zhen）b)V型砧c)凸型砧

圖3-13型鉆中拔長圓型砧和V型砧不利于寬展拔長效率高凸型砧利于寬展，拔長效率低圖3-14沿孔型寬度上延伸分布圖方形坯入橢圓形軋孔，沿寬向的延伸不均勻，易造成制品歪扭圖3-15拔長時外端的影響外端限制寬展當送料比l/a大時，寬展<延伸當送料比l/a小時，寬展增大圖3-16開式沖孔時的“拉縮”造成非變形區金屬變形不均勻變形產生的彎曲現象1——鋁；2——鋼鋁—鋼雙金屬軋制變形抗力不同，造成流動不均變形金屬中的化學成分、組織結構、夾雜物、相的形態等分布不均會造成金屬各部分的變形和流動的差異。

3.2.6金屬性質不均的影響3.3.1均勻變形與不均勻變形

3.3.2研究變形分布的方法3.3.3基本應力與附加應力3.3.4殘余應力§3.3不均勻變形、附加應力和殘余應力3.3.1均勻變形與不均勻變形若變形區內金屬各質點的應變狀態相同，即它們相應的各個軸向上變形的發生情況，發展方向及應變量的大小都相同，這個體積的變形可視為均勻的。不均勻變形實質上是由金屬質點的不均勻流動引起的。因此，凡是影響金屬塑性流動的因素，都會對不均勻變形產生影響。均勻變形的條件變形體均勻、各向同性任意瞬間、任意小單元上應力相同、應變增量相同無摩擦無外端3.3.2研究變形分布的方法

金屬塑性加工中，研究變形物體內變形分布（即金屬流動）的方法很多。常用的方法有：網格法；硬度法；比較晶粒法。圖3-19不同變形程度下鐓粗圓柱體圖3-20冷鐓粗后垂直斷面上洛氏硬度變化3.3.3基本應力與附加應力

金屬變形時體內變形分布不均勻，不但使物體外形歪扭和內部組織不均勻，而且還使變形體內應力分布不均勻。此時，除基本應力外還產生附加應力。定義：基本應力是由外力作用所引起的應力附加應力是物體不均勻變形受到整體性的限制，而引起的物體內相互平衡的應力．

基本應力圖與工作應力圖工作應力圖是處于應力狀態的物體在變形時用各種方法測出來的應力圖。不均勻變形時，工作應力等于基本應力與附加應力的代數和。la—若邊緣部分自成一體時軋制后的可能長度lb—若中間部分自成一體時軋制后的可能長度l—整個軋制后的實際長度圖3-21在凸形軋輥上軋制矩形坯產生的附加應力中間延伸大，邊部延伸少，受整體性制約，中間受壓應力，邊部受拉應力圖3-22相鄰晶粒的變形宏觀級、顯微級、原子級變形不均幾何區域之間，第一類附加應力相臨晶粒之間，第二類附加應力晶粒內部滑移面，第三類附加應力附加應力的作用附加應力是為了保持變形體的完整和變形連續而產生的內力附加應力由不均勻變形產生，同時又限制不均勻變形的自由發展附加應力相互平衡、成對出現附加應力定律：由于物體塑性變形總是不均勻的，因此在變形過程中總有相互平衡的附加應力不均勻變形對金屬塑性變形的不良后果引起應力狀態發生變化，使應力分布不均勻造成變形過程物體破壞使材料變形抗力提高、塑性降低使產品質量降低使生產操作復雜化形成殘余應力（a）及縱向應力分布（b）、（c），其中（c）為摩擦很大時應力分布；（實線）基本應力；（虛線）附加應力；（點畫線）工作應力=基本＋附加應力擠壓時金屬流動表面工作應力為拉應力假想應力，×9.8N/mm2Φ18φ201）帶缺口試樣δ=2%2）未帶缺口試樣δ=35%圖3-24拉伸實驗曲線使變形抗力提高塑性降低變形程度ε應力σσsbσsa1)無缺口試樣拉伸時的真應力的曲線2）有缺口樣拉伸的真應力曲線圖3-25拉伸時真應力與變形程度的關系使產品質量降低變形不均過大，附加應力不同平衡，而導致產品形狀缺陷變形不均，造成組織、性能不均3.3.4殘余應力定義塑性變形完畢后保留在變形體內的附加應力也分三類殘余應力1．殘余應力的來源2．變形條件對殘余應力的影響3．殘余應力所引起的后果4．減小或消除殘余應力的措施5．研究殘余應力的主要方法

3.4.1金屬在平錘間鐓粗時的應力及變形特點3.4.2平輥軋制時金屬的應力及變形特點3.4.3棒材擠壓時的應力及變形特點3.4.4棒材拉伸時的應力及變形特點

§3.4金屬塑性加工諸方法的應力與變形特點3.4.1金屬在平錘間鐓粗時的應力及變形特點1．鐓粗時組合件的變形特點2．基本應力的分布特點3．第一類附加應力的分布特點

3.4.2平輥軋制時金屬的應力及變形特點1．基本應力特點2．變形區內金屬質點流動特點3．平輥軋制時，第一類附加應力的分布特點3.4.3棒材擠壓時的應力及變形特點1.棒材擠壓時的基本應力狀態2.棒材擠壓時的金屬流動規律3.棒材擠壓時的附加應力3.4.4棒材拉伸時的應力及變形特點1．棒材拉伸時的基本應力狀態2．棒材拉伸時金屬的流動規律3．棒材拉拔時的附加應力

第4章金屬塑性加工的摩擦與潤滑

§4.1概述§4.2金屬塑性加工時摩擦的特點及作用§4.3塑性加工中摩擦的分類及機理§4.4摩擦系數及其影響因素§4.5測定摩擦系數的方法§4.6塑性加工的工藝潤滑

§4.1概述金屬塑性加工中是在工具與工件相接觸的條件下進行的，這時必然產生阻止金屬流動的摩擦力。這種發生在工件和工具接觸面間，阻礙金屬流動的摩擦，稱外摩擦。由于摩擦的作用，工具產生磨損，工件被擦傷；金屬變形力、能增加；造成金屬變形不均；嚴重時使工件出現裂紋，還要定期更換工具。因此，塑性加工中，須加以潤滑。潤滑技術的開發能促進金屬塑性加工的發展。隨著壓力加工新技術新材料新工藝的出現，必將要求人們解決新的潤滑問題。§4.1概述在金屬塑性加工中，必須在工模具與加工坯料之間加入潤滑介質，以減少摩擦，防止粘接，稱為潤滑。潤滑技術的開發能促進金屬塑性加工的發展。隨著壓力加工新技術新材料新工藝的出現，必將要求人們解決新的潤滑問題。§4.2金屬塑性加工時摩擦的特點及作用在高壓下產生的摩擦較高溫度下的摩擦摩擦副（金屬與工具）的性質相差大在接觸面上各點的摩擦也不一樣接觸表面工作壓力：熱加工時，100～150MPa冷加工時，500～

2500MPa機械傳動時：20～

50MPa壓力為工具作用于變形金屬表面的力，與變形抗力密切相關高壓力使一般潤滑劑難以帶入接觸表面，或易從接觸表面擠出潤滑劑。需采用特殊的潤滑劑和潤滑方法。在高壓下產生的摩擦熱加工溫度可達1000度以上冷加工，變形熱和摩擦熱會使表面溫度升高變形過程中，存在工模具、潤滑劑的冷卻過程；變形和摩擦的發熱過程。因此溫度會產生變化，接觸表面還會由于冷卻和發熱不均勻而造成溫度不均還會出現表面金屬氧化、相變，潤滑劑性能變化，產生表面反應等現象較高溫度下的摩擦一般要求工具硬度高而不易變形；變形金屬柔軟而塑性大材質和性能不同給潤滑劑的選擇和使用帶來困難摩擦副（金屬與工具）的性質相差大變形過程中不斷形成新的接觸表面變形金屬的性質在不斷變化(加工硬化)溫度、速度和潤滑條件可能改變接觸表面各點的摩擦方式可能不同：如滑動摩擦、粘著摩擦在接觸面上各點的摩擦也不一樣外摩擦在壓力加工中的作用

摩擦的不利方面改變物體應力狀態，使變形力和能耗增加引起工件變形與應力分布不均勻惡化工件表面質量，加速模具磨損，降低工具壽命外摩擦在壓力加工中的作用

摩擦的利用用增大摩擦改善咬入條件，強化軋制過程；增大沖頭與板片間的摩擦，強化工藝，減少起皺和撕裂等造成的廢品外摩擦在壓力加工中的作用

為Conform連續擠壓機提供擠壓力§4.3塑性加工中摩擦的分類及機理一、外摩擦的分類

干摩擦流體摩擦邊界摩擦二、摩擦機理

分子吸附說表面凸凹學說(1)干摩擦干摩擦：不存在任何外來介質時，金屬與工具接觸面之間的摩擦。理想干摩擦狀態很難存在，因為金屬表面可能存在氧化膜、灰塵、氣體等工程上稱不加潤滑劑的狀態即為干摩擦

(2)流體摩擦當金屬與工具表面之間的潤滑層較厚，兩摩擦副在相互運動中不直接接觸，完全由潤滑油膜隔開，摩擦發生在流體分子之間的摩擦稱為流體摩擦。流體摩擦的大小與接觸面的表面狀態無關與流體的粘度、速度梯度等因素有關摩擦系數較小由于壓力、溫度高，流體易擠出或燒掉，只能是部分工具與工件界面接觸示意圖(3)邊界摩擦接觸面放大模型在塑性加工中，無論是坯料表面還是工具表面，總是處于介質包圍之中，總是有一層敷膜吸附在表面上，使表面接觸處于干摩擦與流體摩擦之間的摩擦狀態，稱為邊界摩擦自然污染膜、油性吸附的金屬膜、物理吸附形成的邊界膜、潤滑劑形成的化學反應膜、氧化膜等。混合摩擦、半干摩擦、半流體摩擦混合摩擦：由干摩擦、邊界摩擦和流體摩擦組成的混合狀態半干摩擦：由邊界摩擦和干摩擦的混合狀態半流體摩擦：由流體摩擦與邊界摩擦的混合狀態摩擦機理—(1)表面凸凹學說表面凸凹學說認為：

當凹凸不平的兩個表面相互接觸時，產生機械咬合。當這兩個相互接觸的表面在外力作用下發生相對運動時，相互咬合的部分會被剪斷，此時的摩擦力表面為這些凸峰被剪切時的變形阻力。現象：表面越粗糙，相對運動時的摩擦力越大解決辦法：降低表面粗糙度，涂抹潤滑劑以填補表面凹坑摩擦機理—(2)分子吸附說分子吸附說認為：摩擦產生的原因是由于分子之間的相互吸引的結果。現象：接觸表面非常光滑時，接觸摩擦力不但不降低，反而會提高。用分子吸附說解釋是由于物體表面越光滑，實際接觸面積越大，接觸面間的距離越小，分子吸引力越大摩擦機理—(3)近代摩擦理論表面凹凸說和分子吸附說都起作用流體摩擦時，摩擦力是潤滑層之間的流動阻力塑性加工時接觸表面摩擦力的計算

在計算金屬塑性加工時的摩擦力時，分下列三種情況考慮1．庫侖摩擦條件這時不考慮接觸面上的粘合現象（即全滑動），認為摩擦符合庫侖定律。其內容如下：（1）摩擦力與作用于摩擦表面的垂直壓力成正比例，與摩擦表面的大小無關；（2）摩擦力與滑動速度的大小無關；（3）靜摩擦系數大于動摩擦系數。其數學表達式為：

F=μN或τ=μσN

式中F——摩擦力；

μ——外摩擦系數；N——垂直于接觸面正壓力；

σN——接觸面上的正應力；

τ——接觸面上的摩擦切應力。由于摩擦系數為常數（由實驗確定），故又稱常摩擦系數定律。對于像拉拔及其他潤滑效果較好的加工過程，此定律較適用。(1)常摩擦系數定律當接觸表面沒有相對滑動，完全處于粘合狀態時，單位摩擦力（τ）等于變形金屬流動時的臨界切應力k，即：

τ=k

對于軸對稱(單向變形)，k=0.5σT,如擠壓棒材對于平面變形(純剪變形)，k=0.577σT，如軋寬板熱變形時變形抗力小，摩擦力大，易發生粘著，適合(2)最大摩擦條件認為接觸面間的摩擦力，不隨正壓力大小而變。其單位摩擦力是常數，即常摩擦力定律，其表達式為：

τ=m·k式中，m為摩擦因子

m在0～1之間，當面等于1時，與最大摩擦條件一致。正壓力非常高，表面完全粘著，金屬的剪切流動主要出現在次表面層內，τ=τs。與相應條件下變形金屬的性能有關。熱變形過程最常用(3)摩擦力不變條件--常摩擦力定律§4.4摩擦系數及其影響因素摩擦系數隨金屬性質、工藝條件、表面狀態、單位壓力及所采用潤滑劑的種類與性能等而不同。其主要影響因素有：1.金屬的種類和化學成分2.工具材料及其表面狀態3.接觸面上的單位壓力4.變形溫度5.變形速度6.潤滑劑(1)金屬的種類和化學成分與金屬種類和化學成分有關的性質：硬度、強度、吸附性、擴散能力、導熱性、氧化速度、氧化膜性質、金屬間結合力

鋼中碳含量對摩擦系數的影響材料的硬度、強度越高，μ小如黃銅(0.10)、青銅粘附性越大、軟，μ大如：鋁(0.18)、紫銅(0.17)、鉛、鋅(2)工具材料及其表面狀態工具硬度越高，μ越小金屬陶瓷<硬質合金<淬火合金鋼、鑄鐵<鋼表面光潔度不同，可在0.05～0.5范圍變化一般光潔度高，μ小；但光潔度非常高，μ增加坯料表面的粗糙度也會影響μ(3)接觸面上的單位壓力單位壓力小時，μ與壓力無關壓力增大到一定程度，μ隨壓力增加而增大，潤滑劑被擠掉或表面膜破壞，接觸面積和分子吸附作用增強壓力繼續增大，μ趨于穩定(4)變形溫度溫度升高，硬度降低、氧化膜增厚，表面吸附力、原子擴散能力加強；潤滑劑效果變壞μ提高溫度繼續升高，氧化膜軟化、脫落，起潤滑作用，μ降低鋼的摩擦系數銅的摩擦系數(5)變形速度變形速度增加：干摩擦時咬入不完全邊界摩擦時油膜增厚μ降低溫度升高μ增加變形程度增加，壓力增加μ增加1.壓下率60%，潤滑劑中無添加劑2.壓下率60%，潤滑劑中加入酒精3.壓下率25%，潤滑劑中加入酒精(6)潤滑劑不同變形條件，采用不同的潤滑劑§4.5測定摩擦系數的方法夾鉗軋制法楔形件壓縮法塑性加工常用摩擦系數圓環鐓粗法塑性加工常用摩擦系數不同金屬變形時摩擦系數與溫度的關系熱鍛時的摩擦系數磷化處理后的摩擦系數拉深(沖壓)時的摩擦系數熱擠壓時的摩擦系數§4.6塑性加工的工藝潤滑

工藝潤滑的目的及潤滑機理

一、潤滑的目的減少工模具磨損，延長工具使用壽命提高制品質量降低金屬變形時的能耗二、潤滑機理流體力學原理吸附機制流體力學原理潤滑劑與固體層不產生相對滑動，被帶入變形區工具與坯料的夾角變小，壓力增大當潤滑劑壓力增到變形壓力時，潤滑劑進入變形區接觸面變形速度、潤滑劑粘度越大，夾角越小，潤滑劑壓力上升越急劇摩擦力為潤滑劑的內摩擦力，由粘度決定：t=η.Δυ/ε吸附機制極性或非極性分子對金屬表面具有吸附作用，吸附在金屬表面形成油膜潤滑劑的活性是指極性分子在摩擦表面形成結實表面層的能力粘度是潤滑劑本身的粘稠程度，過小易擠出，過大阻力