金属塑性成形的_平均摩擦系数_与接触压力的关系研究_赵振铎
１．金属材料塑性成形过程中的摩擦特点
通过设备和模具向金属材料施加压力，使金属材料产生变形，得到人们所需要的形状和尺寸的工件，称为金属材料的塑性变形工艺。在金属材料的塑性变形过程中，金属材料与模具接触面上的接触压力相当高，同时还存在一些特殊的动力学条件，所以金属材料塑性成形的摩擦状态与通常的接触表面存在很大的特殊性。
（１）由于金属材料在塑性变形的过程中，一部分材料的塑性变形功转化为热量，连同相对滑动产生的热量，使金属材料和模具升温，如不锈钢板料在室温下进行拉伸的过程中局部的温度也可高达４００℃以上。同时金属材料塑性成形中的高温状态使润滑剂的黏度变稀，从而改变了摩擦条件，给润滑工作带来很大的困难。
（２）金属材料在成形过程中都将产生不同程度的新生金属材料表面，新的金属表面的物理、化学性能与原先的金属材料表面不同，同时也缺少润滑剂薄膜的保护，易与模具发生黏着现象，也给润滑增加了困难。
（３）同时，金属材料塑性成形中的摩擦是一种间断的、非稳定的摩擦状态，模具接触表面的不同部位的摩擦都不相同。
（４）在金属板料塑性变形的过程中，还存在有利摩擦的部位（摩擦力有利于金属材料的流动变形）。金属材料的塑性成形中的摩擦同机械传动中的摩擦一样，大多数的摩擦是有害摩擦。但是在金属材料的塑性成形工艺中确实存在着有利摩擦的部位。对于有利摩擦的部位，不能够涂覆润滑剂。
（５）许多金属材料的体积成形通常需要采用加热工艺，此时的摩擦表面处于高温状态。
在金属材料相互接触并产生滑动时，接触压力、滑动速度和润滑剂的黏度对润滑膜的作用可用斯特贝克（Ｓｔｒｉｂｅｃｋ）在１９００－１９０２年提出的Ｓｔｒｉｂｅｃｋ曲线表示（见图１所示）。图中的Ⅰ区所示厚膜润滑或者流体动力润滑区；Ⅱ区所示薄膜润滑或者弹性流体润滑区；Ⅲ区所示边界润滑或者极压润滑区。
图１中的三个区域，对应着三种主要的摩擦－润滑状态。在区域Ⅰ中，摩擦表面被连续的润滑油膜所隔开，油膜的厚度远大于两表面粗糙度之和，摩擦阻力由润滑油的内摩擦来决定，这是流体动压润滑或弹性流体动压润滑状态。当两个金属表面的接触压力增大的情况下，或者润滑剂的黏度和滑动速度降低时，润滑剂的油膜会变得越来越薄，将出现表面微凸体间的接触，从而进入混合润滑状态Ⅱ。在这种状态下，载荷一部分由流体润滑油膜承受，另一部分为接触的表面微凸体所承受，摩擦阻力由油膜的剪切力和表面微凸体的相互作用力决定。进入到区域Ⅲ后，摩擦表面靠得极近，摩擦表面微凸体之产生更多的接触，流体动压的作用和润滑油的整体流变性能的影响已无足轻重，这时起主要作用的是边界润滑剂薄层的特性与固体表面之间的相互作用。这个区域称为边界润滑区。当接触压力达到非常大的时候，金属材料之间的摩擦才有可能进入干摩擦状态。
图１Ｓｔｒｉｂｅｃｋ
曲线及其润滑状态
２００７年第１期（总第６期）
２００７Ｎｏ．１（ＳｅｒｉａｌＮｏ．６）
英才高职论坛
ＴｈｅＦｏｒｕｍｏｆＹｉｎｇｃａｉＨｉｇｈｅｒＶｏｃａｔｉｏｎａｌＥｄｕｃａｔｉｏｎ
金属塑性成形的“平均摩擦系数”与
接触压力的关系研究＊
赵振铎，刘芬，黄书亮
（山东英才职业技术学院机械制造及自动化工程学院，山东济南２５０１０４）
摘要：本文探讨了金属材料塑性成形的摩擦特点，指出目前生产中测量的摩擦系数实际是“平均摩擦系数”。此“平均摩擦系数”与物理学采用的库伦摩擦理论中的摩擦系数概念不同。并试验验证了“平均摩擦系数”与接触压力的关系。
关键词：塑性成形；接触压力；摩擦系数；黏着－犁沟理论
＊收稿日期：２００７－０１－０８
作者简介：赵振铎（１９４９－），男，山东英才职业技术学院机械制造及自动化工程学院教授。
综上所述，在金属材料的塑性成形工艺中，模具与变形金属材料的接触表面上各点的接触状态不同，显然在整个接触表面上的不同位置，滑动阻力是不同的；同时在金属材料的塑性加工过程中，不断出现新生的金属材料表面，新生的材料表面与已经经过自然氧化和污染的金属材料表面的物理性质不同，其摩擦性能当然也不相同，所以滑动阻力（即摩擦力）在变形金属材料的接触表面上不是均匀分布的。由于实际情况是非常复杂的，研究、分析变形金属材料接触表面上每一个具体位置的实际摩擦情况是非常困难的。目前，人们为了分析问题方便，按照人们在物理学中的习惯，仍然采用滑动阻力与接触压力的比值作为“摩擦系数”的概念，实际上为整个接触面积上的平均摩擦系数。
确定变形金属材料接触面上任意一点的摩擦系数，必须先确定整个变形区的单位摩擦阻力和接触压力分布图，然后得到关于摩擦系数沿整个接触面的分布情况。虽然整个接触表面摩擦系数分布图对于金属材料的塑性加工的摩擦与润滑研究工作具有很大的指导意义，但是这一工作是非常困难的。
目前，现有研究接触面单位摩擦阻力分布的各种方法都存在各种缺点，同时无法评定各种测量方法的精确性；其次是要求采用比较复杂的测试装置和仪器，同时实验数据的处理既复杂又费时，而且难以判断测量数据的准确程度等。实际上对于大多数金属材料塑性成形工艺的非稳定流动而言，
准确的摩擦系数分布图实际使用意义也不大。因此，在实际生产中广泛使用“平均摩擦系数”更为方便。应该指出：准确地测量金属材料相互滑动时的平均摩擦系数也是很困难的，而且比较各种润滑剂的润滑效果并不一定需要准确的测量摩擦系数，主要根据所使用的润滑剂能够减少金属材料的成形力的程度，即可以判断所用润滑剂的润滑效果。
２．物理学中摩擦系数与经典摩擦定律
众所周知，普通物理学中的摩擦系数定义为：两个相互接触物体存在滑动趋势或者产生滑动时，滑动阻力与接触压力的比值。
经典的库伦摩擦定律从１７８５年一直使用至今，其主要结论为：（１）摩擦力与作用于摩擦面的垂直力
（接触压力）成正比，与接触面面积无关，摩擦系数仅取决于两个接触表面的物理因素：接触表面的材质、接触表面的粗糙度、滑动的速度和接触表面中间使用的润滑剂种类等。（２）摩擦力（动摩擦）与滑动速度的大小无关。（３）静摩擦力大于动摩擦力。虽然该理论称为库伦摩擦定律，实际上早在库伦之前约１００年，阿芒汤已基本确认了这些定律，所以也有人把这些定律称为阿芒汤－库伦定律。该经典摩擦理论建立在绝对的刚体（即接触表面的接触压力小，物体表面不变形）的假设上，即两个物体相对滑动产生阻力的起因是由于物体表面上的凹凸不平，两个固体表面发生接触时，由于接触表面凹凸不
实践表明：在模具与变形金属材料的接触压力相当大的情况下，在模具与变形金属材料的接触面上的摩擦是十分复杂的，在接触表面上同时存在着不同的摩擦区域（见图２）：Ａ．黏着区（由若干个分散的“冷焊点”组成），当模具与变形金属材料相互滑动时，对冷焊点必须产生撕离，此点的撕离力将是滑动阻力的一个组成部分，撕离力的大小取决于较软的变形金属材料的抗剪切强度和黏着面积的大小；Ｂ．犁沟区域，部分硬质模具的凸峰点压入较软的变形金属材料，在发生相互滑动时，硬质的模具凸峰将在较软的变形金属材料上产生“犁沟效应”，此犁沟力也是滑动阻力的一个组成部分，犁沟力的大小取决于较软的变形金属材料的抗剪强度和犁沟面积，而黏着面积和犁沟的面积都取决于接触压力的大小和变形金属材料的力学强度。Ｃ．在模具与变形金属材料之间的接触表面上还存在平面接触部分。当模具与变形金属材料发生相对滑动时，此平面接触部分也产生滑动阻力。在金属材料的塑性加工工艺中，黏着面积和犁沟面积以及两个金属
材料的平面接触面积之和称为“真实接触面积”，根据理论分析和试验验证，真实的接触面积与接触压力成正比，与金属材料的屈服强度成反比。Ｄ．在模具与变形金属材料的凹谷处，通常还存在部分润滑剂。当模具与变形金属材料发生相对滑动时，有一定黏度的润滑剂也将产生滑动阻力。综上分析，金属材料塑性加工中的滑动阻力由以上四部分滑动阻力组成。同时由于当接触压力增大时，真实的接触面积增大，使润滑剂占的面积比例减少，即随着接触压力的增大，由真实面积增大产生的滑动阻力增大，而由润滑剂产生的滑动阻力却减少。所以模具与变形金属的滑动阻力并不与接触压力成正比。对金属材料塑性变形滑动阻力的研究表明：随着接触压力的增大，滑动阻力增大，但是滑动阻力增加的速率小于接触压力增加的速率，即表示滑动阻力与接触压力比值的“摩擦系数”随着接触压力的改变而改变，通常表现为“摩擦系数”
随着接触压力的增大而减少。
图２变形金属材料与模具表面的接触状态
注：Ａ－较软的金属材料凸峰被模具材料压平；Ｂ－较软的金属材料被模具的凸峰压入；Ｃ－金属材
料的平面部分与模具平面接触；Ｄ－金属材料与模具的凹谷之间还存在着润滑剂。
平处的互相镶合，产生阻碍两个固体相互滑动的阻力，故又可称之为“机械摩擦理论”。所以此理论仅适用于接触压力比较小的滑动规律。
人们在后来的实践中发现，在接触表面的光洁度达到表面分子的吸引力能发生有效作用时（如超精加工表面），摩擦力不仅不减少，反而加大，从而无法使用这个理论进行解释。所以随后又出现了“分子吸附理论”。认为接触表面分子间的吸力和斥力是分子间距离的函数，即当一个物体沿另一个物体表面滑动时，由于物体的表面上存在凸峰，某些凸峰点的分子间的距离很小，它们之间产生分子斥力，而另一些凸峰点的分子间的距离较大，它们之间产生分子吸力。由力的平衡条件可得，外法向压力加上所有吸力应该等于所有斥力之和。根据这个观点，他推导出摩擦系数与接触面积成正比，而与载荷的立方根成反比的结论。
３．近代摩擦学的特点——
—摩擦系数
与接触压力的关系
随着工业技术的进步，接触表面上的压力越来越大，人们发现过去广泛使用的库伦摩擦定律中的摩擦系数对于同种材料不变的结论也与实际的情况不符，摩擦系数不仅是材质、润滑剂的函数，同时也是接触压力的函数，摩擦系数随着接触压力的增加而减少。当然随着接触压力的增加，摩擦力也随之增加，但是摩擦力的增加速度小于接触压力的增加速度。与此同时，各国学者开始使用先进的测量仪器对摩擦学进行深入的研究，逐渐形成两大理论，即“黏着－犁沟理论”和“机械－分子”理论。
１９３５年起英国学者鲍登（Ｆ．Ｐ．Ｂｏｗｄｅｎ）和泰伯（Ｄ．Ｔａｂｏｒ）提出在接触压力作用下金属材料的“真实接触面积”的概念，并建立了较完善的“黏着摩擦理论”，以后又提出“修正的黏着理论”。这种理论认为：（１）当两表面相接触时，在载荷作用下，两个表面上的某些凸峰相互接触并承担外载荷，这些相互接触的点称为“真实接触面积”，某些接触点的单位压力大而处于塑性接触状态，接触表面距离很近而引起电子转移，使两表面黏着，形成“冷焊点”。同时接触点塑性变形引起实际接触面积增加，直至此真实接触面积能够承受所加载荷时为止。（２）在金属材料相对滑动时，黏着的金属材料将被剪开，滑动摩擦的过程就是金属材料的黏着与滑动剪切交替发生的黏－滑过程。（３）较硬金属材料的凸峰在较软金属材料的表面上产生犁沟效应。所以摩擦阻力是黏着撕裂力和犁沟效应产生阻力的总和。在“修正的黏着理论”中，又进一步提出了压缩应力和剪切应力联合作用当量应力Ｋ的概念，并以当量应力代替较软金属材料的屈服应力。
同时，前苏联学者克拉盖尔斯基（И．В．Крагельский）于１９３９年提出了滑动摩擦的“分子－机械”理论，综合考虑了机械摩擦阻力和分子的吸附阻力的作用。这两大理论使
金属材料在中、高接触压力作用下的摩擦机理研究进入了一个崭新的阶段。
针对具体的接触条件。人们还先后提出了“弹性流体动力润滑”（ＥｌａｓｔｉｃＨｙｄｒｏ－Ｄｙｎａｍｉｃ，Ｌｕｂｒｔｉｃａｔｉｏｎ，简称ＥＨＤ）的理论。此润滑理论综合考虑了弹性体的弹性接触变形以及润滑剂黏度变化对动压油膜的作用，通常需要进行一系列的假设并使用叠代的方法进行计算。“塑性流体动力润滑”（ＰｌａｓｔｉｃＨｙｄｒｏ－ＤｙｎａｍｉｃＬｕｂｒｔｉｃａｔｉｏｎ，简称ＰＨＤ）理论，需要应用流体动力润滑方程和塑性变形方程联立求解，它是弹性流体动力润滑的扩展。
１９６６年英国“约斯特（Ｈ．Ｐ．Ｊｏｓｔ）报告”中提出应该建成一门独立的“Ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ”学科，Ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ中译为摩擦学，并很快被各国学者接受。美国国家自然科学基金（ＮＳＦ）的Ｊ．Ｌａｒｓｅｎ－Ｂａｓｓｅ认为摩擦学将发展到“表面工程时代”。１９８４年，ＮＳＦ年会在关于优先支持领域研究的报告中，摩擦学曾被确认为机械领域四个主要学科之一。
以上各种摩擦学理论分别适应各种具体的接触状态，对于各种金属塑性成形工艺中的摩擦理论研究都有着十分重要的指导意义。
４．平均摩擦系数与接触压力的关系试验验证
如上所述，当金属材料相对滑动时，摩擦力随接触压力的增大而增大，但是由于摩擦力的增大速度小于接触压力的增大速度，所以平均摩擦系数随接触压力的增大而减少。
为验证上述结论，笔者研制了一种新的摩擦系数测试装置（简称ＭＣＸＮＹ）。新型摩擦系数测定装置使用自带的液压系统作为工作动力，采用拉力传感器、压力传感器、Ａ／Ｄ转换板、计算机（测试程序）对试验数据进行采集、分析处理。图３表示了使用同种润滑剂（代号ｓｄｌ）、相同的试验材料（１Ｃｒ１８Ｎｉ９），在不同压力下的摩擦系数试验曲线。该曲线清楚地表明了在接触压力为０．２ＭＰａ时摩擦系数为０．２５６，而在接触压力高达５ＭＰａ时，摩擦系数降低为０．０９，从而验证了摩擦系数随接触压力增大而减小的理论分析。
图３同种润滑剂、相同材料在不同压力下的试验曲线
注：润滑剂：ｓｄｌ，实验材料：１Ｃｒ１８Ｎｉ９
。
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ＥＩＰＧＩＳ信息共享系统采用ＭａｐＸｔｒｅｍｅ＋ＳＱＬＳｅｒｖｅｒ作为
地图服务器，采用ＪａｖａＳｃｒｉｐｔ进行编程实现，系统集成界面如图２所示。该系统实现了对空间数据的浏览和信息查询，为用户提供方便的信息查询手段。它面向社会公众，用户通过系统提供的ＷＥＢＧＩＳ系统，可以实现生态工业园区数据的网上浏览、查询、放大、缩小等功能，实现生态工业园区信息的共享。
４．结语
本文运用ＧＩＳ技术建立的ＥＩＰＧＩＳ已成为烟台市生态工业园区科学管理的重要手段；基于组件技术的ＧＩＳ的集成二次开发，将Ｃ／Ｓ和Ｂ／Ｓ模式相结合为空间数据管理和信息共享提供了一种可行的解决方案。ＥＩＰＧＩＳ是“数字园区”建设的一个重要应用示范系统，将为其它生态工业园区的开发、建设和科学管理等信息化奠定技术基础。参考文献：
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ＧｅｏｇｒａｐｈｉｃａｌＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ
ＷＡＮＧＲｕｏｃｈｅｎｇ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｄｏｎｇＹｉｎｇｃａｉＶｏｃａｔｉｏｎａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏｌｌｅｇｅ，Ｊｉｎａｎ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ２５０１０４）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｂｕｉｌｄｉｎｇａｎｄｄｅｓｉｇｎｏｆｅｃｏｌｏｇｙｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｐａｒｋｓｈａｖｅｂｅｃｏｍｅａｇｌｏｂａｌｈｏｔｓｐｏｔｎｏｗａｄａｙｓ．Ｈｏｗｔｏｅｘｐｌｏｉｔｅｃｏｌｏｇｙｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｐａｒｋｓｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｏｐｉｃｆｏｒｔｈｅｆｕｔｕｒｅｓｏｃｉａｌｅｃｏｎｏｍｉｃｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｗｈｏｌｅｆｒａｍｅｗｏｒｋ，ｆｕｎｃｔｉｏｎ，ｄａｔａｂａｓｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆＥＩＰＧＩＳａｎｄｓｙｓｔｅｍｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄｂｙｔａｋｉｎｇＥＩＰＧＩＳｏｆＹａｎｔａｉｃｉｔｙａｓａｎｅｘａｍｐｌｅ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｉｔｐｕｔｓｆｏｒｗａｒｄａｆｅａｓｉｂｌｅｓｏｌｕｔｉｏｎｉｎｓｐａｔｉａｌｄａｔａｍａｎａｇｅｍｅｎｔａｎｄｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｆｒｏｍｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｏｉｎｔｏｆｖｉｅｗ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｃｏｌｏｇｙｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｐａｒｋｓ；ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃａｌｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ；ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｓｙｓｔｅｍ
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