实验五 圆环镦粗法测定摩擦系数
一、
实验目的
1．根据圆环镦粗后的变形，了解摩擦对金属流动的影响。 2．通过实验掌握实际测定摩擦系数的方法。
3．分析镦粗对材料组织的影响，并与铸态情形进行比较。 二、
实验内容说明
1．塑性加工过程中摩擦的特点
凡是物体之间有相对运动或有相对运动的趋势就有摩擦存在。前一种是动摩 擦，后一种是静摩擦。在机械传动过程中，主要是动摩擦。在塑性加工过程中的 摩擦，虽然也是由两物体间相对运动产生的， 但与一般机械传动中的摩擦有很大 差别。
（1）接触面上压强高
在塑性加工过程中，接触面上的压强一般在 lOOMPa以上。在冷挤压和冷轧 过程中可高达2500-3000MPa而一般机械传动过程中，摩擦副接触面上的压强 仅20-40MPa由于塑性加工过程中接触面上的压强高，隔开两物体的润滑剂容 易被挤出，降低了润滑效果。
（ 2） 真实接触面积大
在一般机械传动中，由于接触表面凹凸不平，因而，实际接触面积比名义接 触面积小得多。 而在塑性加工过程中， 由于发生塑性变形， 接触面上凸起部分会 被压平，因而实际接触面积接近名义接触面积。这使得摩擦阻力增大。
（3） 不断有新的摩擦面产生
在塑性加工过程中，原来非接触表面在变形过程中会成为新的接触表面。例 如，镦粗时， 由于不断形成新的接触表面， 工具与材料的接触表面随着变形程度 的增加而增加。 此外， 原来的接触表面， 随着变形程度的进行可能成为非接触表 面。例如，板材轧制时，轧辊与板材的接触表面不断变为非接触表面向前滑出。 因此，要不断给新的接触表面添加润滑剂。这给润滑带来困难。
（4） 常在高温下发生摩擦
在塑性加工过程中，为了减少变形抗力，提高材料的塑性，常进行热加工。 例如，钢材的锻造加热温度可达到 800-1200 C。在这种情况下，会产生氧化皮， 模具软化，润滑剂分解，润滑剂性能变坏等一系列问题。 2．摩擦对塑性加工过程的影响
摩擦对塑性加工过程的影响，既有有利的一面，也有不利的一面。轧制时， 若无摩擦力， 材料不能连续进入轧辊， 轧制过程就不能进行。 在摩擦力起积极作 用的挤压过程中， 浮动凹模与坯料之间的摩擦力有助于坯料运动， 使变形过程容 易进行。又如板料拉深时， 有意降低凸模圆角半径处的光洁度， 以增加该处的摩 擦力，使拉深件不易在凸模圆角处流动，以免引起破裂。但是，对多数塑性加工 过程，摩擦是有害的，主要表现在以下方面：
（1）增加能量消耗 在塑性加工过程中，除了使材料发生形状改变消耗能量外，克服摩擦力也要 消耗能量。 这部分能量消耗是无用的， 有时这部分能量消耗可占整个外力所做功 的 50%以上。
（2）改变应力状态，增加变形抗力 单向压缩时，如工具与工件接触面上不存在摩擦，工件内应力状态为单向压 应力状态。 当接触面上存在摩擦时， 工件内应力状态成为三向压应力状态。 同时 摩擦也引起接触面上应力分布状况的改变。 无摩擦均匀压缩时， 接触面上的正应 力均匀分布； 存在摩擦时， 接触面上的正应力呈中间高两边低的状况。 摩擦会使 变形抗力提高，从而增加能量消耗和影响零件的质量。 摩擦使金属流动阻力增加， 坯料不易充满型腔。 对于轧制过程， 由于摩擦使变形抗力提高， 轧辊的弹性变形 加大，同时使轧辊之间的缝隙中间大、两边小，其结果是轧件中间厚两边薄。
（3）引起变形不均匀 在挤压实心件时，由于外层金属的流动受到摩擦阻力的影响，出现了流动速 度中间快边层慢的现象， 严重时会在挤压件尾部形成缩孔。 有时，摩擦引起的变 形不均匀会产生附加应力，使制件在变形过程中发生破裂。
（4）加剧了模具的磨损，降低模具的寿命
摩擦产生的热使模具软化， 摩擦使变形抗力提高， 从而导致模具的磨损加剧。 3．影响摩擦系数的主要因素
（1）金属的种类和化学成分 不同种类的金属，其表面硬度、强度、氧化膜的性质以及与工具之间的相互 结合力等特性各不相同， 所以摩擦系数也不相同。 即使同一种金属， 当化学成分 不同时，摩擦系数也不相同。 一般来说，材料的强度、 硬度
愈高，摩擦系数愈小。
（2）工具表面粗糙度 通常情况下，工具表面越粗糙，变形金属的接触表面被刮削的现象愈大， 摩擦系数也愈大
（3） 接触面上的单位压力
单位压力较小时，表面分子吸附作用小，摩擦系数保持不变，和正压力无 关。
当单位压力达到一定值后，接触表面的氧化膜破坏，润滑剂被挤掉，坯料和 工具接触面间分子吸附作用愈益明显， 摩擦系数便随单位压力的增大而增大。 但 增大到一定程度，便稳定了。
（4） 变形温度
一般认为在室温下变形时，金属坯料的强度、硬度较大，氧化膜薄，摩擦系 数最小。随着温度升高，金属坯料的强度硬度降低，氧化膜增厚，表面吸附力、 原子扩散能力加强；同时高温使润滑剂性能变坏，所以，摩擦系数增大。到某一 温度，摩擦系数达到最大值。此后，温度继续升高，由于氧化皮软化和脱落，氧 化皮在接触面间起润滑剂的作用，摩擦系数却下降了。
（5） 变形速度
由于变形速度增大，使接触面相对运动速度增大，摩擦系数便降低。 4•圆环镦粗法原理
这种方法适于测定体积成形过程中的摩擦系数或摩擦因子。采用这种方法 时，将几何尺寸（指外径、内径、高度的比值）一定的圆环放在平板之间进行压 缩。压缩后圆环内、外径的变化情况与平板接触面上的摩擦情况关系很大。
理论
分析结果与实验结果表明，圆环的内径变化对接触面上摩擦情况的变化比较敏 感。如果接触面上不存在摩擦，则圆环压缩时的变形情况和实心圆柱体一样，其 中各质点在径向均向外流动，流动速度与质点到对称轴之间的距离成正比， 当接
图1测定摩擦因子用的标定曲线
触面上的润滑情况很差时，压缩后圆环的内径将减小；如果接触面上的润滑情况 较好，则压缩后圆环的内径将增大。因此，采用圆环镦粗法时，是以压缩后圆环 的内径变化来确定摩擦系数或摩擦因子的。假设圆环的几何尺寸为外径：内径： 高度=6:3:2，高度压缩30%t内径变化率为-10%。根据上述数据，在相应标定曲 线上（如图1所示）就可得一点。从图1可以看出，该点与m=0.10的曲线最为 接近，因而可
以认为对所考虑的情况， 三、
实验方法和步骤
m=0.10。
1 •试样
试样为工业纯铝，制成环状，其外圆、内径、高度比值为 尺寸如图2所示。
中10
6: 3: 2,具体
图2圆环试样
2 •实验设备、工具及辅助材料
设备：600KN和1000KN万能材料试验机； 工具：150mn游标卡尺、垫板； 辅助材料：MoS油膏 3.实验步骤
取圆环铝试样两个，分别在不同摩擦条件下（一个用油膏，一个不用油膏） ， 在两平板间进行压缩，圆环要放在平板中心，保证变形均匀。
每次压缩量为15%左右，然后取出擦净测量变形后的圆环尺寸（外径、内径、 高度）。注意测量时测量圆环内径的上、中、下三个直径尺寸，取其平均值。
重复进行上述步骤三次，控制总压缩量在 50%
根据所获得的内径、高度数据，查预习要求中指定教材的图 系数值。 四、
实验报告内容
9-10，得出摩擦
1．列表填写实验数据（分加润滑剂和未加润滑剂） ； 2．计算、并查对校正曲线，得出实验结果 3．分析不同摩擦条件对圆环变形分布的影响 4．对测定摩擦系数的误差因素进行分析
5．通过金相分析，绘制出镦粗前后材料的组织特征，并说明有何不同 6．讨论本实验方法有什么优缺点
