影响摩擦力的因素及其优化策略

从上述分析可知，在冷挤压加工中计算摩擦力的大小，严格说来库仑定律已不适用。这是因为冷挤压中的摩擦力应由两部分组成：一部分为与正压力有关的摩擦力；另一部分为与正压力无关的附着力。但是目前对于冷挤压中摩擦规律的研究还很不够，欲确定与局部粘结、机械咬合、中间物质等有关的摩擦力大小是很困难的。因此，目前计算摩擦力的大小仍采用与库仑定律相同的形式。不过，此时摩擦因数的大小不能采用机器零件中滑动摩擦因数值，其数值应该加大，加大的部分就是考虑了与正压力无关的附着力的影响。

因此，这里主要讨论摩擦因数的大小，容易理解摩擦因数的数值实际上随金属的化学成分、模具表面状态、接触面上压力、接触面积、变形程度、变形速度、变形温度以及润滑条件状况而异。下面将具体分析这些因素的影响。

（1）金属化学成分 外摩擦因数随着金属、化学成分的不同而异。例如，用光洁的钢压头，在常温下对不同材料进行压缩时测得：软钢的摩擦因数为0.17，铝的摩擦因数为0.18，α-黄铜的摩擦因数为0.10，电解铜的摩擦因数为0.17。对于不同的钢种，摩擦因数也不一样。钢中的碳含量增加时，摩擦因数会减小。钢中的合金元素的种类、数量也影响摩擦因数，一般说来，随着合金元素的增加，摩擦因数下降。

图1-55 锡在模具钢上滑动时模具表面粗糙度对摩擦因数的影响

金属的种类、化学成分影响接触面的粘合性。例如，在同样的压力下，室温时铝与钢在干摩擦的粘合性比钢与钢之间的粘合性大得多，接触面的粘合性越强，摩擦因数越大。总的说来，金属材料越硬，摩擦因数越小；反之，软材料的摩擦因数则较大。

（2）模具表面状态 表面状态主要是指表面粗糙度、加工痕迹的方向及硬度等。

模具表面越粗糙，越凹凸不平，真实接触面积率就越大，摩擦因数也就越大。图1-55所示为锡在模具钢上滑动时模具表面粗糙度对摩擦因数的影响。由该图可知，模具表面粗糙度越小，摩擦因数就越低。

模具表面的机械加工痕迹的方向性，使摩擦因数也具有方向性。实验证明，顺着加工方向的摩擦因数比垂直于加工方向的摩擦因数约小20%。

模具表面的硬度越高，受压力作用后，弹性变形越小，使真实接触面积率减小，则摩擦因数也减小；反之，硬度越小，摩擦因数就越大。模具与变形金属的硬度差越大，硬度高的模具表面上的凹谷就越易被金属所充填，使真实接触面积率增大，则摩擦因数也增大。

冷挤压成形中，模具的表面粗糙度在决定摩擦因数大小方面是起主要作用的。但被挤压毛坯表面粗糙也会引起摩擦因数的增加，因此要求毛坯表面应该足够平整和光滑。

（3）接触面上单位压力 计算冷挤压摩擦力的大小仍借用库仑定律，即摩擦力T与正压力P成正比，即

T=fP （1-8）

式中 f——冷挤压变形时的摩擦因数。

冷挤压变形时，在模具与毛坯的接触面上，由于存在摩擦力，从而引起了切应力。这种切应力称为平均摩擦应力，用τ表示，则

式中 A——接触表面的面积。

由T=τA=fP=fσA （1-10）

得

式中 σ——正应力。

由式（1-10）可知，当其他条件相同时，单位面积上的摩擦应力与正应力成正比。但这一正比关系是有限制的，这是因为随着正应力的增大，变形程度增大，被挤毛坯与模具之间的凸起与凹谷互相嵌入程度增大。当互相嵌入达到了最大值时，摩擦力也达到了最大值。在单向应力状态下，当摩擦应力等于临界剪应力τ_K时达到最大值，此时

τ与σ的正比关系也破坏了。由式（1-11）可知，由于τ_K为定值，因此摩擦因数f值随正应力σ的增大反而下降。原因在于：随着正应力的增大，在被挤毛坯与模具接触面上出现所谓“磨损生成物”，这些质点起着吸附润滑的作用，单位压力越大，“磨损生成物”越多，吸附润滑作用越大，摩擦因数就越小。

（4）接触面积 冷挤压加工的摩擦应力τ可用下式表示：

τ=τ₁β+τ₂（1-β） （1-12）

式中 β——真实接触面积率；

τ₁——真实接触面积上的摩擦应力；

τ₂——充满润滑剂部分的摩擦应力。

接触面上充满润滑剂，可以认为是属于液体润滑。此时τ₂=0，那么，式（1-12）变为

τ=τ₁β （1-13）(www.xing528.com)

式（1-13）表明摩擦应力与真实接触面积率成正比。冷挤压加工中采用良好的表面处理和润滑处理就是为了减少β，从而减少摩擦应力。近几年发展起来的静液挤压如图1-56所示。由图1-56中的结构可知，毛坯进入凹模锥形部分以前，四周充满高压液体，当进入凹模锥形部分时，带入高压液体，使毛坯始终保持良好的液体润滑状态，大大减小真实接触面积率，即明显减小摩擦阻力。

（5）变形程度 随变形程度增加，真实接触面积率β增大，因而摩擦应力τ也增大，如图1-57所示。由图1-57还可以看出：原始润滑膜越厚，相同变形程度时的真实接触面积率β越小。

图1-56 静液挤压

1—凸模 2—钢圈 3—密封圈 4—液体介质 5—毛坯 6—凹模 7—挤压筒

（6）变形速度 随着变形速度的增加，摩擦因数逐渐减小，如图1-58所示。由图1-58可知，高速变形的摩擦因数比低速变形小。原因在于：由液体润滑状态变成吸附润滑或半干摩擦需要一定的时间，高速变形的时间极短，仍能维持良好的润滑状态和较小的真实接触面积率β，因而摩擦因数也就较小。

图1-57 变形程度与真实接触面积率的关系

图1-58 铝试样压缩加工时变形速度与摩擦因数的关系

（7）变形温度 冷挤压过程中，由于热效应的影响比较显著，使得模具和毛坯材料的变形温度皆有不同程度的提高，这就直接影响到润滑剂的黏度，从而影响到润滑皮膜的厚度和摩擦因数的大小。图1-59所示为摩擦因数与变形温度的关系。由该图可知，不同黏度的润滑剂，随着变形温度的升高，摩擦因数逐渐加大。

（8）润滑条件 良好的润滑条件可以始终保持较厚的润滑皮膜、较小的真实接触面积率β，从而保持较小的摩擦因数。因此，合理选择润滑剂能成倍降低摩擦因数。

（9）其他因素的影响 载荷特性对摩擦也有明显的影响。例如，振动变形能使毛坯的塑性变形力降低1.5～2倍，超声加工条件也能减小摩擦。

关于不同冷挤压条件下的摩擦因数值，建议参考表1-1选取。

图1-59 摩擦因数与变形温度的关系

1—黏度较小的润滑剂 2—黏度较大的润滑剂

表1-1 摩擦因数f值

总之，在大多数情况下，冷挤压中的摩擦和摩擦力是一个不利的因素。它带来了以下几方面的不利影响。

1）由于外摩擦的作用，引起应力和变形不均，使工件内产生附加应力和残余应力，降低产品质量，如图1-60所示零件产生内孔表面环状裂纹。

2）由于外摩擦的作用，增加了克服摩擦力的附加变形功及变形力，使工作应力增加，能量消耗提高。

3）由于外摩擦的作用，使变形力增加，因而加重模具的负荷，此外摩擦力会加快模具的磨损，降低模具的使用寿命。

4）由于外摩擦的作用，引起变形不均匀分布，使挤压件产生附加应力和残余应力，从而降低了产品质量。

图1-60 锡磷青铜冷挤压

a）毛坯 b）挤压件 c）内孔环状裂纹

5）由于外摩擦的作用，有时会产生粘模现象，增加了从模具中取出冷挤压件的困难，影响正常生产工作。