第一章 最小阻力定律

1、1.5 金屬塑性加工的宏觀(guān)規(guī)律1.最小阻力定律1）定律 金屬塑性加工時(shí)，質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)規(guī)律可以應(yīng)用最小阻力定律分析。最小阻力定律可表述為：變形過(guò)程中，當(dāng)變形體中的質(zhì)點(diǎn)有可能沿著不同的方向發(fā)生流動(dòng)時(shí)，質(zhì)點(diǎn)將向著阻力最小的方向流動(dòng)。即“做最少的功，走最短的路”。 矩形斷面棱柱體鐓粗時(shí)的金屬流動(dòng)模型 變形足夠大時(shí)，將變成邊長(zhǎng)最小的圓形周邊，因此，最小阻力定律在鐓粗中也稱(chēng)為最小周邊法則 塑性加工時(shí)，根據(jù)體積不變條件和最小阻力定律，便可大體確定出塑性成形時(shí)的金屬流動(dòng)規(guī)律。有時(shí)還可用來(lái)選擇坯料的斷面和尺寸、加工工具的形狀和尺寸等 2）應(yīng)用舉例 A.模鍛 B. 平錘間壓縮方坯 C.平砧拔長(zhǎng)矩形截面坯料為提高拔長(zhǎng)

2、的效率，應(yīng)適當(dāng)減少送給量L若要使坯料展寬時(shí)，送進(jìn)量L應(yīng)大些 D.壓下量、輥徑相同的條件，坯料寬度不同的軋制 2.影響金屬塑性流動(dòng)和變形的因素 1）摩擦的影響 圓柱體鐓粗時(shí)摩擦力對(duì)變形及應(yīng)力分布影響 圓環(huán)鐓粗的金屬流動(dòng)(a)變形前 (b)摩擦系數(shù)很小或?yàn)榱?(c)有摩擦2）變形區(qū)的幾何因素的影響 鋼球壓縮時(shí)的流線(xiàn)受塑壓時(shí)物體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)滑移變形的近似模型3）工具的形狀和坯料形狀的影響 型砧中拔長(zhǎng)（a）弧型砧 (b)V型砧 (c)凸型砧4）外端的影響 變形中的某一時(shí)刻，變形體中沒(méi)有產(chǎn)生塑性變形的部分拔長(zhǎng)時(shí)外端對(duì)變形的影響 5）變形溫度的影響 變形物體的溫度不均勻，會(huì)造成金屬各部分變形和流動(dòng)的差異。變形

3、首先發(fā)生在那些變形抗力最小的部分。一般地，在同一變形物體中高溫部分的變形抗力低，低溫部分的變形抗力高。這樣，在同一外力的作用下，高溫部分變形量大，低溫部分變形量小。而變形物體是一整體，限制了物體各部分不均勻變形的自由發(fā)展，從而產(chǎn)生相互平衡的附加應(yīng)力。此外，在變形體內(nèi)因溫度不同所產(chǎn)生熱膨脹的不同而引起的熱應(yīng)力，與由不均勻變形所引起的附加應(yīng)力相疊加后，有時(shí)會(huì)增大應(yīng)力的不均勻分布，甚至?xí)鹱冃挝矬w的斷裂。(*_*) 嘻嘻無(wú)圖了6）金屬性質(zhì)不均的影響 吭吭 還是美圖變形金屬中的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、夾雜物、相的形態(tài)等分布不均會(huì)造成金屬各部分的變形和流動(dòng)的差異 3.不均勻變形、附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力 這么多

4、？1）均勻變形與不均勻變形要實(shí)現(xiàn)均勻變形狀態(tài)，必須滿(mǎn)足以下條件：A.變形物體的物理性質(zhì)必須均勻且各向同性；B. 整個(gè)物體任何瞬間承受相等的變形量；C. 接觸表面沒(méi)有外摩擦，或沒(méi)有接觸摩擦所引起的阻力；D. 整個(gè)變形體處于工具的直接作用下，即處于無(wú)外端的情況下。說(shuō)什么說(shuō)！好好聽(tīng)很難實(shí)現(xiàn)均勻變形，所以 ，一般的塑性加工中都是不均勻變形。 不均勻變形有三種類(lèi)型： A.第一類(lèi)不均勻變形 由于摩擦力、變形體外端等條件的影響，使變形體中不同區(qū)域的變形不同。 B.第二類(lèi)不均勻變形 由于變形體中各晶粒的位相不同，使變形體中不同晶粒的變形不同。 C.第三類(lèi)不均勻變形 由于同一晶粒內(nèi)各滑移系的取向不同，使變形體中

5、同一晶粒內(nèi)的各部分的變形不同。 唉！不如-2）研究變形分布的方法 A.網(wǎng)格法 B.硬度法 在冷變形情況下，變形金屬的硬度隨變形程度的增加而提高 ，不同變形程度的區(qū)域，其硬度不同如此簡(jiǎn)單！在冷變形情況下，變形金屬的硬度隨變形程度的增加而提高C.比較晶粒法 變形越大，再結(jié)晶后晶粒越小。利用再結(jié)晶圖，近似地得出變形體內(nèi)各處的變形程度 地球人都知道3)基本應(yīng)力與附加應(yīng)力 金屬變形時(shí)體內(nèi)變形分布不均勻，不但使物體外形歪扭和內(nèi)部組織不均勻，而且還會(huì)在變形體內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力。這種由不均勻變形引起的應(yīng)力稱(chēng)為附加應(yīng)力；而把由外力作用所引起的應(yīng)力叫基本應(yīng)力。我呢？A.附加應(yīng)力 根據(jù)不均勻變形的分類(lèi)，附加應(yīng)力也分為三類(lèi)。

6、第一類(lèi)附加應(yīng)力 ：第二類(lèi)附加應(yīng)力 ：第三類(lèi)附加應(yīng)力 ：附加應(yīng)力是變形體為保持自身的完整和連續(xù)，約束不均勻變形而產(chǎn)生的內(nèi)力。就是說(shuō)，附加應(yīng)力是由不均勻變形所引起的，但同時(shí)它又限制不均勻變形的自由發(fā)展。附加應(yīng)力是互相平衡、成對(duì)出現(xiàn)的，當(dāng)一處受附加壓應(yīng)力 時(shí)，另一處必受附加拉應(yīng)力 B.附加應(yīng)力對(duì)金屬的塑性變形造成的不良后果a.引起變形體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，使應(yīng)力分布更不均勻 b. 造成物體的破壞c.使材料變形抗力提高和塑性降低d.使產(chǎn)品質(zhì)量降低e.使生產(chǎn)操作復(fù)雜化f.形成殘余應(yīng)力C.克服或減輕變形及應(yīng)力不均的有害影響常采用的措施 a.正確選定變形的溫度速度規(guī)程 b.盡量減小接觸面上外摩擦的有害影響

7、c.合理設(shè)計(jì)加工工具形狀 d.盡可能保證變形金屬的成分及組織均勻 4）殘余應(yīng)力 A.殘余應(yīng)力的來(lái)源 殘余應(yīng)力是塑性變形完畢后保留在變形物體內(nèi)的附加應(yīng)力 ；總是成對(duì)出現(xiàn)，大小相等，方向相反分為三類(lèi)：B.殘余應(yīng)力所引起的后果 a.引起物體尺寸和形狀的變化 b.使零件的使用壽命縮短 c.降低了金屬的塑性加工性能 d.降低金屬的耐蝕性以及沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度 5）減小或消除殘余應(yīng)力的措施 a.熱處理方法 b.機(jī)械處理 總算完了總算完了總算完了1.6 金屬塑性加工時(shí)摩擦的特點(diǎn)及作用1.塑性成形時(shí)摩擦的特點(diǎn)在高壓下產(chǎn)生的摩擦較高溫度下的摩擦摩擦副（金屬與工具）的性質(zhì)相差大有新的摩擦面產(chǎn)生塑性成形時(shí)接觸表面上

8、的單位壓力很大，一般熱加工時(shí)面壓力為500Mpa左右，冷加工時(shí)可高達(dá)25003000MPa。但在機(jī)器軸承中，接觸面壓通常只有2050MPa 高溫下的金屬材料，除了內(nèi)部組織和性能變化外，金屬表面要發(fā)生氧化，給摩擦潤(rùn)滑帶來(lái)很大影響 2.外摩擦在壓力加工中的作用 1)摩擦的不利方面改變物體應(yīng)力狀態(tài)，使變形力和能耗增加引起工件變形與應(yīng)力分布不均勻惡化工件表面質(zhì)量，加速模具磨損，降低工具壽命2)摩擦的利用 例如，用增大摩擦改善咬入條件，強(qiáng)化軋制過(guò)程；增大沖頭與板片間的摩擦，強(qiáng)化工藝，減少起皺和撕裂等造成的廢品。 不利影響的如圓柱體鐓粗有利的如模鍛飛邊槽處的摩擦3.塑性加工中摩擦的分類(lèi)及機(jī)理1)外摩擦的分

9、類(lèi) 干摩擦 流體摩擦邊界摩擦不存任何外來(lái)介質(zhì)時(shí)金屬與工具的接觸表面之間的摩擦 當(dāng)金屬與工具表面之間的潤(rùn)滑層較厚，摩擦副在相互運(yùn)動(dòng)中不直接接觸，完全由潤(rùn)滑油膜隔開(kāi)，摩擦發(fā)生在流體內(nèi)部分子之間者稱(chēng)為流體摩擦 當(dāng)坯料與工具之間的接觸表面上加潤(rùn)滑劑時(shí)，隨著接觸壓力的增加，坯料表面凸起部分被壓平，潤(rùn)滑劑被擠入凹坑中，被封存在里面，這時(shí)在壓平部分與模具之間存在一層極薄的潤(rùn)滑膜，其厚度約為10-6mm左右。這種潤(rùn)滑膜一般是一種流體的單分子膜，接觸表面就處在被這種單分子膜隔開(kāi)的狀態(tài)，這種單分子膜潤(rùn)滑的狀態(tài)稱(chēng)為邊界潤(rùn)滑，這種狀態(tài)下產(chǎn)生的摩擦稱(chēng)為邊界摩擦 摩擦分類(lèi)示意圖a）干摩擦 b）邊界摩擦 c）流體摩擦這圖？

10、呼嚕- 2)摩擦機(jī)理 表面凸凹學(xué)說(shuō)所有經(jīng)過(guò)機(jī)械加工的表面并非絕對(duì)平坦光滑，都有不同程度的微觀(guān)凸起和凹入。當(dāng)凹凸不平的兩個(gè)表面相互接觸時(shí)，一個(gè)表面的部分“凸峰”可能會(huì)陷入另一表面的凹坑 ，產(chǎn)生機(jī)械咬合。當(dāng)這兩個(gè)相互接觸的表面在外力的作用下發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，相互咬合的部分會(huì)被剪斷，此時(shí)摩擦力表現(xiàn)為這些凸峰被剪切時(shí)的變形阻力。根據(jù)這一觀(guān)點(diǎn)，相互接觸的表面越粗糙，相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力就越大。降低接觸表面的粗糙度，或涂抹潤(rùn)滑劑以填補(bǔ)表面凹坑，都可以起到減少摩擦的作用 分子吸附說(shuō)摩擦產(chǎn)生的原因是由于接觸面上分子之間的相互吸引的結(jié)果。物體表面越光滑，實(shí)際接觸面積就越大，接觸面間的距離也就越小，分子吸引力就越強(qiáng)，

11、因此，滑動(dòng)摩擦力也就越大粘著理論當(dāng)兩個(gè)表面接觸時(shí)，接觸面上某些接觸點(diǎn)處壓力很大，以致發(fā)生粘接或焊合，當(dāng)兩表面產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，粘接點(diǎn)被切斷而產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)。近代摩擦理論認(rèn)為，摩擦力不僅來(lái)自接觸表面凹凸部分互相咬合產(chǎn)生的阻力，而且還來(lái)自真實(shí)接觸表面上原子、分子相互吸引作用產(chǎn)生的粘合力。對(duì)于流體摩擦來(lái)說(shuō)，摩擦力則為潤(rùn)滑劑層之間的流動(dòng)阻力 4.塑性加工時(shí)接觸表面摩擦力的計(jì)算 在計(jì)算金屬塑性加工時(shí)的摩擦力時(shí)，分下列三種情況考慮 1）庫(kù)侖摩擦條件 這時(shí)不考慮接觸面上的粘合現(xiàn)象（即全滑動(dòng)），認(rèn)為摩擦符合庫(kù)侖定律。其內(nèi)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(wú)關(guān)；（2）摩擦力與

12、滑動(dòng)速度的大小無(wú)關(guān)；（3）靜摩擦系數(shù)大于動(dòng)摩擦系數(shù)。 其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 或 式中 F摩擦力； 外摩擦系數(shù)； N垂直于接觸面正壓力； 接觸面上的正應(yīng)力； 接觸面上的摩擦切應(yīng)力。 由于摩擦系數(shù)為常數(shù)（由實(shí)驗(yàn)確定），故又稱(chēng)常摩擦系數(shù)定律。對(duì)于像拉拔及其他潤(rùn)滑效果較好的加工過(guò)程，此定律較適用。 NFNN2）最大摩擦條件 當(dāng)接觸表面沒(méi)有相對(duì)滑動(dòng)，完全處于粘合狀 態(tài)時(shí)，單位摩擦力（ ）等于變形金屬流動(dòng) 時(shí)的臨界切應(yīng)力k，即： = k 3）摩擦力不變條件 認(rèn)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(shù)，即常摩擦力定律，其表達(dá)式為： =mk 式中，m為摩擦因子 5.摩擦系數(shù)及其影響因素 摩擦系數(shù)

13、隨金屬性質(zhì)、工藝條件、表面狀態(tài)、單位壓力及所采用潤(rùn)滑劑的種類(lèi)與性能等而不同。其主要影響因素有： 1 ）金屬的種類(lèi)和化學(xué)成分 0.60.50.40.30.20.100.40.60.81.01.2100011001200900800700含碳量%C圖6-2 鋼中碳含量對(duì)摩擦系數(shù)的影響2）工具材料及其表面狀態(tài) 工具的表面狀態(tài)視工具表面的精度及機(jī)加工方法的不同，摩擦系數(shù)可能在0.050.5范圍內(nèi)變化。一般來(lái)說(shuō)，工具表面光潔度越高，摩擦系數(shù)越小。但如果兩個(gè)接觸面光潔度都非常高，由于分子吸附作用增強(qiáng)，反使摩擦系數(shù)增大。 工具表面加工刀痕常導(dǎo)致摩擦系數(shù)的異向性。例如，垂直刀痕方向的摩擦系數(shù)有時(shí)要比沿刀痕方向

14、高于20%。至于坯料表面的粗糙度對(duì)摩擦系數(shù)的影響，一般認(rèn)為只有初次（第一道次）加工時(shí)才起明顯作用，隨著變形的進(jìn)行，金屬表面已成為工具表面的印痕，故以后的摩擦情況只與工具表面狀態(tài)相關(guān) 0.130.120.110.100.090.080.070.060.050.040.030.020.0102006001000140018002200N/mm2摩 擦系數(shù)0.14圖4-6 正壓力對(duì)摩擦系數(shù)的影響3）接觸面上的單位壓力0.50.40.30.20.102004006008000.40.20400600800圖4-7 溫度對(duì)鋼的摩擦系數(shù)的影響 圖4-8 溫度對(duì)銅的摩擦系數(shù)的影響4 ）變形溫度變形溫度對(duì)摩擦

15、系數(shù)的影響很復(fù)雜。因?yàn)闇囟茸兓瘯r(shí)，材料的溫度、硬度及接觸面上的氧化質(zhì)的性能都會(huì)發(fā)生變化，可能產(chǎn)生兩個(gè)相反的結(jié)果：一方面隨著溫度的增加，可加劇表面的氧化而增加摩擦系數(shù)；另一方面，隨著溫度的提高，被變形金屬的強(qiáng)度降低，單位壓力也降低，這又導(dǎo)致摩擦系數(shù)的減小，所以，變形溫度是影響摩擦系數(shù)變化因素中，最積極、最活潑的一個(gè)，很難一概而論 這么復(fù)雜5）變形速度隨著變形速度增加，摩擦系數(shù)下降 在干摩擦?xí)r，變形速度增加，表面凹凸不平部分來(lái)不及相互咬合，表現(xiàn)出摩擦系數(shù)的下降。在邊界潤(rùn)滑條件下，由于變形速度增加，油膜厚度增大，導(dǎo)致摩擦系數(shù)下降 6 ）潤(rùn)滑劑6.測(cè)定摩擦系數(shù)的方法夾鉗軋制法 搞不懂楔形件壓縮法錘間塑壓楔形件圓環(huán)鐓粗法（a） （b）圓環(huán)鐓粗時(shí)金屬的流動(dòng)這么多圖7.塑性加工的工藝潤(rùn)滑工藝潤(rùn)滑的目的及潤(rùn)滑機(jī)理 潤(rùn)滑的目的 減少工模具磨損，延長(zhǎng)工具使用壽命 提高制品質(zhì)量 降低金屬變形時(shí)的能耗 潤(rùn)滑機(jī)理 流體力學(xué)原理 吸附機(jī)制8.潤(rùn)滑劑的選擇 1）塑性成形中對(duì)潤(rùn)滑劑的要求在選擇及配制潤(rùn)滑劑時(shí)，必符合下列要求：（1）潤(rùn)滑劑應(yīng)有良好的耐壓性能，在高壓作用下，潤(rùn)滑膜仍能吸附在接觸表面上，保持良好的潤(rùn)滑狀態(tài)；（2）潤(rùn)滑劑應(yīng)有良好耐高溫性能，在熱加工時(shí)，潤(rùn)滑劑應(yīng)不分解，不變質(zhì)；（3）潤(rùn)滑劑有冷卻模具的作用；（4）