金屬塑性變形過程中摩擦與滑移直接測量問題

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.1959.00.001 北京鋼纖工業學院學報 第7期1959年9月 金屬塑性變形過程中摩擦 興滑移直接測量問題° 董德元 (屡力加工教研組) 摘要 本文分析地概递了测定愿力加工過程的外摩擦和滑移的各撞方法，並提出和研 究了“具有分戴面組合式测力低”。這个完全新的儀器可以直接测量任何形式瀝力 加工過程的外摩擦及滑移等因数，如異型工具來缎造異型缎件的锻靂過程，冲愿過 程，拉拔過程，擠壓過程和輥轧過程等。 用在研究輥轧過程的具有分裁面的組合式测力候可以直接测量：1)在前滑區 和后滑區的總的摩擦力；2)摩擦亲数；3)摩擦力在燮形區内分佈曲牌；4)中 性角y；5)粘着區的存在與否及其漫界；6)純轧制力矩及合力作用點()等。 ·,此依器給研究歷力加工過程及塑性理論提供了具有萬能性的方法，可以研究很 多的现象及规律。 導言 人們在实暖中，也就是生产过程中，在科学研究过程中，在形形色色工艺設計中，常常 是总粘出一个或几个一般性的問题。这些一般性的周题將是与骸生产部門各个問題和现象有 关联的。人們对于这些一般性的問題的掌握和了解将有助于其他問题的解决和掌握。 ：,在压力加工中，影响既广且深的一般性問题之一便是金屬与工具之間的摩擦問題。最低 限度摩擦与下列几种問题有关〔1〕： 1)变形金屬和工具的体应力狀态； 2)金屬的变形抗力； 3)总压力； 4)能量消耗： 5)工具磨捐； 6)加工成品的表面情况； 7)不均匀变形。 8)成品的粗織和性能的不均勻性。 ①本文部分資料，曾以族狱通部院士H.M.门BOB和作者的名羲發表在HayuHbte nokna以 BLcue四konbI,1958N1,N2上

能 京 翻截工 拿拳院 拳银 第 期 夕，夕年 月 金 屡 塑 性 樊 形 遏 程 中 摩 擦 奥滑移直接翻量周题 董 德 元 屡力 加工教研组 摘 要 一 本文分析 地概 述 了浏 定廖 力 加 工 遏程 的外摩捧和 清移 的 各位 方法 ， 韭提 出和研 究 了 “ 具有分截 面 组合式 浏 力 伐 ” 。 这 个完全新的 谈 器 可 以 直 接 侧 量任何 形 式屋 力 加 工遇程 的外摩格及滑移等 因数 ， 如具型 工具来锻 造具型锻 件的染廖遇程 ， 冲屡遏 。 ‘ 程 ， 拉拔遇程 ， 挤 屡遇程 和视礼遇程 等 。 用 在研 究棍轧 遇程 的 具 有分截 面 的组合式 浏 力 误 可 以 直 接 浏 量 在前 滑 区 和后 清 匾 的魂 的 摩捧力 摩察 系数 摩捧 力在 熨 形 区 内分作 曲 稼 中 性 角 夕 粘 着区 的 存在 典 否 及 其邀界 纯札 制 力拒 及合 力作 用 黔 饰 等 。 此饭 器给研 究 屁 力 加 工 通程 及 塑性理奇提 供 了共 有蕊能性 的 方法 ， 可 以研究很 多的现 象及 规律 。 洋 言 人俩在卖跷 中 ， 也就是生产过程 中 ， 在科学研究趁程 中 ， 在形形色色 工艺毅升 中 ， 常常 是总精出一 个或 几 个一般性 的 周题 。 这些一般性的 周题牌是与孩生产部阴各个周题和现象有 关瑛的 。 人们对于这些一般性的 尚题的掌握 和 了解将有助于其 他周翅的解决和掌握 。 在压 力加工 中 ， 影响既广且深的一般性周题之一便是金易与工具之周 的摩擦尚题 。 最低 限度摩擦与下列几 种 周题有关 〔 〕 变形金属和工具 的体应 力状 态 ， 一 金属的变形抗力 总 压 力 一 能量渭耗 工具磨揖 加 工成品 的表 面情况 不均匀变形 。 成 品 的粗撤 和性能 的 不均 匀性 。 本欠部分资料 ， 曾以 殊耐通靓 院 士 的。 和作者 的名 羲登表在 职从 。 助 及从 日 山 。 益 山杖 ， ， 上 。 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1959．00．004

一40- 销院學報 具体到輥札过程，則几乎大多数問题是与摩擦連系着的。 摩擦問题的另外一方面，便是金属与工具之間的滑移现象。在輥軋过程中的前滑，后滑、 中性角(y),以及大家經常年論的問題粘着区的存在与否都包括在这里。 篮于問题的一般性（重要性），有不少科学工作者和工程师們从事这方面工作，取得了很 多的成裁，揭示了各种的規律。但是这些理論和規律中有很多是沒有得到大家所公認或者是 落后于生产。这种情况的形成，很大的程度上决定于缺乏一些能够直接测量某些基本现象的 实驗仪器从而积累足够的数据，实际上到今天为止，还沒有一个比較完善的方法来调得在 塑性变形中的摩擦系数。本文的目的在于此較系統的介紹一下现有的测量摩擦力和滑移的方 法並着重介紹一种新的方法：接触摩擦力組合式（有分截面）测量仪。 测量膝擦系敷的各種方法 部定某种方法的好环应当知道以下列所述为其标准： 1)骸方法是否正确地反应該加工过程，因为加工过程不同，則其摩擦也將不同； 2)在武驗中該方法能够在多大程度上保持加工条件如金屬和工具的表面情况，温度， 速度等； 3)最后計算摩擦系数的作用力和公式的谁确程度； 4)从各种不同条件下能測得各种变数的意义上髒，骸方法的万能性；如测得摩擦力， 又同时能測得前滑等；. 5)用骸方法所测得的数据的璀确性和明显性。 下面主要介轺一些在輥札过程中测量摩擦系数的方法： 1)最大咬入角法：此方法的实质是利用了最大咬入角CMax不能大于娅擦角B,(C,ax ≤B。),逐渐增加轧件的高度，找到最大可能的高度丑，利用下面的公式可以求“Max Co8 CaMax=1-且-h D 式中D一軋輥值徑； h一軋件的出口高度。 此方法的优点在于他的簡單，不用任何特殊仪器，在任何条件下都能做。他的缺点在于 ①不能反应稳定过程的摩擦系数，实际生产上和研究中都发现了咬入阶设和稳定阶段摩擦系 数是不一样的〔2〕；②輥跳，琿性变形和武样頂头的压局影响数值的难确性；⑧很难同时得 到其他的参数如压下量的变化，前滑等。 过去會有很多人利用这个方法来澜定摩擦系数，冷軋低炭鋼的陲擦系数波动在f=0.14 ÷0.25之閻〔3〕 2)ΠaBnoB的钳形工具法，此方法的实霞是把軋件的一端用帶有测压仪的钳子夾住，测 得的轧件与札輥开始打滑时的水平拉力Qx和用放在压下螺絲下面的测压仪所测得的总压力 F。,然后利用他之間的平衡关系 f=-Qx+tag- 2F。 2 来求摩摩擦系数f, 式中c一接触角。 到今天为止，大家認为此方法是比較好的，有相当的一部分关于摩擦的規律是用这个

了 一 如 一 如 倪 争 较 具体到棍轧过程 ， 儿乎大 多数周题是与摩擦速系着的 。 摩擦简题的另 外一方面 ， 便是金属与工具之简的滑移现象 。 在棍轧趁程 中的前滑 ， 后滑 、 中性角 约 ， 以及大家握常争渝的 周题粘着 区 的存在与否都包括在这里 。 赣于尚题的叫 般性 重耍性 ， 有不少科学工作者和工 程 师们从事这方面工作 ， 取得 了很 多的成橙 ， 揭示 了各种的规律 。 但是这些理靛和规律 中有很多是浚有得到大家所公器或 者是 落后于生产 。 这种情 况的形成 ， 很大的程度上 决定于缺乏一些能够直接 量某些基本现象的 实敏仪器从而积果足够 的 数据 ， 实际 上到今天为止 ， 江遐 有一 个 此 较 完 善的 方法来侧得在 塑性变形 中的摩擦系 数 。 本文的 目的在于比较系抚 的介招一 下现有 的测量摩擦力和滑移的 方 法业着重介貂一 种新的 方法 接触摩擦 力粗合式 有分截面 侧量仪 。 测量准擦系救的各程方法 部 定某 种方法 的好坏 唯 当知道以 下列所述 为其标准 工 孩方法是否正确地反 应蔽加 工过程 ， 因 为加工过程不 同 ， 剧其磨擦也牌不 同 在拭脸 中孩方法能够在 多大程度上保持加工条件如金局和工具的表面情况 ， 提度 ， 速度等 最后 豁算摩擦系数的作用 力和公式的灌确程度 从各种不 同条 件下能侧得各种变 数的意义上磷 ， 孩方法 的万能性 如测得摩攘力 ， 又同时能测得前滑等 、 用蔽方法所测 得的 数据的准确性和 明显性 。 下面主耍介貂一些在辊札过程 中测量摩擦系 数的 方法 最大咬入 角法 此 方法 的实鬓是利 用 了最大 咬入角 “ 不能大于摩 擦角 口 。 。 ‘ 日 ， 逐渐增加 札件的 高度 ， 找到最大可 能的 高度 ， 利 用下面的公式可以求 ， ， 。 二 二 一 一 式中 一 札辊遭便 一 轧件的 出口 高度 。 此 方法的优 点在于他的 筒罩 ， 不用 任何特殊仪器 ， 在任何条 件下都能做 。 他的缺点在于 ①不能反应稳定过程的摩擦系 数 ， 实际生 产上 和研究 中都发现 了咬入阶段和稳定阶段摩擦系 数是不一样 的〔 〕 ①辊跳 ， 弹性变形 和藏样 顶头 的 压扁影响数值的淮确性 很难同时得 到其他的 参 数如压 下量的变化 ， 前滑等 。 ’ 过去曹有很 多人利 用这个 方法来侧 定膺擦系数 ， 冷札低炭铜 的摩擦系数波动在 二 十 之 简 〔 〕 妇 即 “ ，的封形 工具法 ， 此 方法 的实臂是把札件的一端用带有测压仪 的封子夹住 ， 侧 得的乾件与札幌开始打滑时 的水平拉力 二和 用放在压 下螺林 下面的测压仪 所 测 得的总 压力 。 ， 然后 利用他之简的平衡关 系 ‘ 一 瓷 一 奇 来求摩摩擦系 数 ， 式中 “ 一 接触角 。 到今天为 止 ， 大家靓为此 方法是此较好的 ， 有相 当的一部分 关 于 摩 擦的观律是用这小

期·七第 …41- 方法研究后建立的。 他的缺点有：①輥轧的自然条件因拉力而受到害；②在計算公式中利用了合力作用点 P位于接触角c中間(p=c),实际上波动在(0.35-0.5)c的范圆内。 3)最大楼触角法，此方法与最大咬入角法相似，不过是在稳定过程中增伽軋件的压下 w 量以达到打滑的程度，然后利用： CMax=nB 公式来計算f,(f=tngB) 式中B一摩擦角。 n-系数，在合力作用点p=麦c时，n=2。.此方法的缺点在于①n值对于各种軋制过程 来說（如治軋、热）是一个波动此較大的数值，很难取舍；②此方法局限于压下最最大的 情况下，而压下量不同，則表面情况，压力分佈亦將变化；③为了測定，必須测田在打滑时 的札件憝了高度，而这个打滑出现时期是很不明显的。 4)前滑法：此方法在于用直楼测量方法求得前滑S,然后利用輥凯过程中的雨个基本 公式求得摩擦角B,即利用Fik的前滑公式求得中性角y: S=h+D(1-co8.7)co87-1 h 然后把y角代入3 kenyHA一aBnoB公式便可以求得摩擦角B: =g(-0) 此方法在实蝼中有其巨大的意义和前途，因为无論是在实驗室中或在生产条件下，不用 任何特殊設备，在不破环輥軋正常进行的条件下，可以求得前滑$。但是，非常遗域的是，在 求得摩擦系数所利用的雨个公式的导来是在均句变形的条件下得来的，而且忽略了合力作用 点移动等彩响。由于到现在为.止尚沒有一个方法能直接测得y角的变化規律，所以上述公式 的难确性尙待証明。 CeBepaeHko用此法求得洽軋低脱鋼f=0.05÷0.09。 5)压力法：此方法的实質是在計算压力的公式中包括有￡和变形抗力P。,,如果用实 驗方法测得P。p代入压力公式中，则可以得到￡，但是問題在于压力公式有各种各样的，而这 些公式又都是建立在一定假設的基础上，不同公式的取舍所得的数据f不但在量上有所差 别，就是变化規律上也有很大的不同。 POKOTSHI的冷軋低炭鋼的弑验桔果为f=0.2÷0.3。 6)力矩法〔4〕：此方法是用粘在联結触上的电阻仪测得軋制力矩（近似的）M,用放 在压下螺絲下面的压仪测得总压力（垂谊合力）F,然后利用下面的公式来計算： M f=F。R’ 式中R一軋輥牛徑。 但是大家都知道上面公式只有在沒有前滑的时候才是正确的，为此會采用后拉力来迫使 前滑等于雾（或者y二0）。 此方法对子冷軋薄板的生产过程来配是一个較好的方法，如果能确定轴承上的摩擦力所 做的功以得到純軋制力矩，並估計到后拉力的影响，將更好一些①。根据whitton和Ford的数 ①徐作華同志在族聯科學院金周研究所曾利用了同步旋韓軸承求得純轧制力矩

翻 七 维 一 越 一 方法研究后建立的 。 一 ‘ ’ ‘ 一 他的缺点 有 ⑦棍勒的有然条件因拉力而受到担害 ⑦在针算公式中利用 了合力作用点 护 位于按触 角 中简 护 圣“ ， 实除 上 甲 波动在 一 句 。 的范圈内 。 名 最大接触角法 ， 此 方法与最大咬入角法相似 ， 不过是在徐定过程 中增加轧件的压下 量以达到打滑的程度 ， 然后利 用 ， 。 口 公式来针算 ， 的 式 中 口一 摩擦羚 。 系数 ， 在合力作用点 叨 蚤 时 ， 一 。 此 方法的缺点在于① 值对于各种札制过程 来歌 如冷乾 、 热乾 是一个波动 此较大 的数值 ， 很难取舍 此方法局限于压 下量最大的 情况下 ， 而压 下量不同 ， 则表面情况 ， 压 力分怖亦牌变化 ⑧为 了侧 定。 ， 必复测出在打滑时 的札件桩 了高度 ， 而这个打滑出现时期是很不明显的 。 前滑法 此 方法在于用遭接侧量方法求褥前滑 ， 然后利用辊轧过程 中的雨个基本 公式求得摩擦角 月 ， 即利用 的前猾公式求得中性角 少 一 枷 少 少一 然后把 护角代入 砂 几一 。 。 公式便可以求得靡擦角 口 、 二 一 ， 一 扭上 一 一二二 艺 、 艺禅 ， 此 方法在实跳 中有其 亘大的意 义和前途 ， 因 为无希是在实段室中或在生产条件下 ， 不 用 任何特殊毅备 ， 在不破坏辊轧正常进行的条件下 ， 可以求得前滑 。 但是 ， 非常遣诚的是 ， 在 求得摩擦系数所利 用的雨个公式的导来是在均 匀变形的条 件下得来的 ， 而且忽略了合 力作用 点移动等影响 。 由于到现在为止尚汽有一个方法能道接侧得 角 的变化规律 ， 所以上述公式 的雀确性尚待题 明 。 几翎 用此法求得冷札低碳纲 二 。 压 力法 此方法 的实矍是在针算压 力的公式中包括有 和变形扰力 。 ， ， 如果角实 脸方法侧得 。 ， 代入压 力公式 中 ， 则可以得到 ， 但是简胆在于压 力公式有各神各样的 ， 而这 些公式又都是建立在一 定假 投的基础 上 ， 不 同公式的取舍所得的 数据 不但在量 上 有 所 差 别 ， 就是变化规律上也有很大 的不 同 。 。 劝” 的冷卓低炭剔的藏敬拮果 为 二 。 力矩法 〔 〕 此 方法是 用粘在联拮帕上 的 电 阻仪测得轧制 力炬 近似的 ， 用放 在压 下螺搽下面的测压仪测得总压 力 垂直合力 。 ， 然后利用下面的公式来针算 式中 一轧棍半握 。 但是大家都知道上面公式只 有在没有前滑的时候才是正确的 ， 为此曹采用后拉力来迫使 前滑等于零 或者 少红 。 此方法对于冷乾薄板的生产趁程来靓是一个较好的方法 ， 如果能确定轴承上的摩擦力所 做的功以得到钝轧制 力矩 ， 亚估针到后拉力的影响 ， 将更好一些 。 根据 和 的 数 徐作羊 同志在殊 哪抖拳院 金属研 究所 曾利 用 了同步放牌轴承末将纯札 刹 力乡九

一42一 铺院：學報 据f=0.085(冷軋低炭鋼)。 除上远各种方法之外尚有許多。其中「y6:所建議的楔形工具法會被大家所梁用[5]。 但是从保持压力加工过程来看，此方法有相当的局限性。 总起来說，从文献中可以查到的各种測量摩擦系数的方法是有原則性的觖点的。这个粘 論可以被用各种方法所测得的数据近一步說明（表1）。 从表上可以看出他們波动在0.05÷0.3之間，也就是說，最低值与最高值相差几乎六倍。 表1 低炭鋼冷軋的摩擦系数 作 者 f 方 法 CeBepAeHKo 0.05-0.09 前滑法 0.25 最大咬入角法 0.09-0.14 鉗形工具法 Tpyaees 0.14 最大咬入角法 0.086 最大接触弧法 POKOTAH 0.2-0.3 压力法 Whitton and Ford 0.085 力矩法 開於滑移的直接测量間題 爵于滑移范图的問題有前滑、后滑、中性角和粘着区等。到现在为止用实驗方法能直接 测量的只有前滑或者后滑，也就是滑动的外部表现。而中性角y等，到今天为.止尚沒有一个 合人滿意的方法。所以有关滑移的文献一般是局限于前滑的研究。而中性角y不仅是一个簡 單的数量和现象，·而是一个各种现象（如摩擦力、压力、压下量、輥子直徑、力矩等）的粽 合性的物理现象。 直接测定滑移的主要困难如下： 1.在变形区内进行着塑性变形，压力很大，因此在很微小的孔隙内也將挤入金屬，这 样就使得任何仪器的零件工作非常困难，比如测压力分布式的针头。 :2.工具的彈性变形，破坏了测量仪器的准确性。 3,变形区是封附的，而且变形是不均勻的，从外部很难测量，用覌察轧件侧面移动的 方法不是可靠的。 罗馬尼亞一个同志Exe6a3aH在H.M,TaBnoB頜导下會武制了三种方法来谊接定 滑移〔6]： 1.摆动針法（图1）； 2.滑轴滑动尺法（图2）； 3.印痕法（图3）。 摆动針法是在札輥内鍍入一个可以因摩擦力作用而摆动的十字形针头，並在雨側装有测 压仪，当露出輥面的针头因受摩擦力而摆动时，与測压仪相速結的示波器將指示摩擦力的方 向和大小。此方法由于礼觀的彈性变形和金属的挤入，实际上沒有能够成功的工作

一 拐 一 姗 院 几 季 狠 据 冷载低炭绷 。 · ’ 除上远备种方法之外尚 有辞多 。 共中 所建哉的楔形工具法曹被大家所采用 〔的 。 但是从保持压 力加工趁程来看 ， 此 方法有相 当的局 限性 。 总起来靓 ， 从文献 中可以查到的各种侧量摩擦系数的方法是有原刻性的缺点 的 。 这个枯 希可以被用各种 方法所测得的 数据近一 步靛 明 表 。 从表上可以看出他们波动在 之简 ，也就是 靓 ，最低值与最 高值相差兀乎六倍 。 表 低炭翱冷札的摩擦系 数 作 · 者 方 法 · 几 一 前滑法 最大咬人角法 一 封形工具法 厂 几 最大 咬入角法 最大接触弧法 只 一 压 力法 力炬法 翩龄滑移的直接测里周通 局于滑移范圆的 简题有前滑 、 后滑 、 中性角和粘着 区等 。 到现在 为止用实翻方法能 道按 浏量的 只 有前滑或者后 滑 ， 也就是滑动 的 外部表现 。 而中性角 少等 ， 到今天为 尚没有一 个 今入满意的万法石而以有哭隋移的天献二 履是局限子俞隋的丽究舀而币性两少不反夏二 不裔 单的数量和现象 ，· 而是一 个各种现象 如摩擦力 、 压 力 、 压下量 、 棍子直攫 、 力矩等 的粽 合性的物理现象 。 道接 定滑移的主耍 困难 如 下 在变形 区 内进行着塑性变形 ， 压 力很大 ， 因此在很微小 的孔随 内也牌挤入金属 ， 这 样就使得任何仪 器的零件工作非 常困难 ， 比如 压 力分布式的斜头 。 工具的弹性变形 ， 破坏 了侧量仪器的准确性 。 变形 区是封阴 的 ， 而且变形是不均 匀的 ， 从外部很难测量 ， 用观察札件侧 面移动 的 方法 不是可靠的 。 罗 渴 尼亚一 个 同志 ‘ ” 在 加” 成导下曾 藏制 了三种 方法来道接测 定 滑移一 摆动针法 图 二 滑翰滑动 尺法 图 印痕法 图 。 摆 动针法是在札辊内镶 入一 个可以 因摩擦力作用 而摆动 的十字形针头 ， 亚在雨侧装有 压仪 ， 当露 出辊面的斜头 因 受摩擦力而摆动 时 ， 与测 压仪 相座桔的示 波器将指示摩擦 力的方 向 和 大 小 。 此方法亩于札辊的弹性变形和金局的挤入 ， 实际 上汽有能够成 功的工作

” 第七，期 -48一 接示波器 测压仪 ynop 摆动针 轧辊 型性套圈 镜蘭尾 飞 乳件 圈1扼動針的示意图 圖2沿轴滑動尺法示意留 A一實驗曲線； B一如采有粘着區存在時的曲線 圖吕辊面印痕法示意圖 沿軸滑动尺法是在札輥上沿軸方向有一潘槽，内装有以等速滑动的尺子，在尺子上面有 突出的微小尖針，当尺子滑动时便在軋件上剥划細痕。当轧件沿x軸前进而滑动尺沿y軸移 动时，則在軋件上刻划出二者之合速曲線，經过一定的計算便可以得到軋件在变形区内的滑 移速度和变化。作者用此方法轧塑料时得到一些秸果，但札制金函时則相当困难。此方法另 一缺点是由后滑区向前滑区的轉折点不是十分清楚。 第三种方法实質上是用在軋輥表面上的刻痕网留在未憝軋件上的痕跡来計算滑移的路 程。缺点是軋輥表面破坏的很厉害，而且后浴向前滑轉折点不十分清楚

︸乡州 革 · 走 ‘ 期 、峪 飞 爪寡黔︷ 一 州 乳什 圆 型性套圈 对扮尾 。箱夕定 朴 报勤针 的 示 意 圆 圆 浩轴 清勤尺法示 意 圈 一 贫脸 曲 稼 一 如来有拈 着区 存在 峙的 曲 像 圆 辘面 印泉法示意 圈 沿翰滑动尺法是在札辊上沿翰方 向有一簿槽 ， 内装有以等速滑动 的尺子 ， 在尺子上面有 突 出的微小尖斜 ， 当尺子滑动时便在札件上 刻划栩痕 。 当札件沿 朝前进而滑动尺沿 翰移 动 时 ， 剧在轧件上 刻划出二者之合速 曲腺 ， 趣过一定的补算便可以得到轧件在变形 区内的滑 移速度和变化 。 作者用此 方法札塑料时得到一些桔果 ， 但札制 金履时则相 当困难 。 此 方法另 一缺点是 由后滑区 向前滑 区 的棘折点 不是十分清楚 。 第三种方法卖 霄上是用在乾辊表 面上的 刻痕网留在未籽乾件上 的痕肺来 针 算 滑 移的路 程 。 缺点是轧棍表 面破坏的很厉害 ， 而且后 滑向前滑斡折点不十分清楚