1、金属塑性变形理论第十九讲Lesson Nineteen张贵杰Zhang GuijieTel：0315-2592155E-Mail： 河北理工大学金属材料与加工工程系Department of Metal Material and Process EngineeringHebei Polytechnic University, Tangshan 063009Lesson NineteenLesson Nineteen*2第九章 塑性加工中的摩擦与润滑 主要内容Main Content 金属塑性加工时摩擦的特点及作用 塑性加工中摩擦的分类及机理 摩擦系数及其影响因素 测定摩擦系数的方法 塑性加工的
2、工艺润滑 Lesson NineteenLesson Nineteen*39.1 金属塑性加工时摩擦的特点及作用 金属塑性加工时摩擦的特点： （1）是在高压下产生的摩擦 （2）是在较高温度下的摩擦 （3）不断增加新的接触表面 （4）摩擦副（金属与工具）的性质相差大 Lesson NineteenLesson Nineteen*4在高压下产生的摩擦 塑性成形时接触表面上的单位压力很大，一般热加工时面压力为100150MPa，冷加工时可高达5002500MPa。但是，机器轴承中，接触面压力通常只有2050MPa。 如此高的接触面压力使润滑剂难以带入或容易从变形区挤出，使润滑困难及润滑方法特殊。 L
3、esson NineteenLesson Nineteen*5较高温度下的摩擦 塑性加工时界面温度条件例恶劣。对于热加工，根据金属不同，温度在数百度至一千多度之间，对于冷加工，则由于变形热效应、表面摩擦热，温度可达到颇高的程度。高温下的金属材料，除了内部组织和性能变化外，金属表面要发生氧化，给摩擦润滑带来很大影响。 Lesson NineteenLesson Nineteen*6不断增加新的接触表面 伴随着塑性变形而产生的摩擦，在塑性变形过程中由于高压下变形，会不断增加新的接触表面，使工具与金属之间的接触条件不断改变。接触面上各处的塑性流动情况不同，有的滑动，有的粘着，有的快，有的慢，因而在接
4、触面上各点的摩擦也不一样。 Lesson NineteenLesson Nineteen*7摩擦副（金属与工具）的性质相差大 一般工具都硬且要求在使用时不产生塑性变形；而金属不但比工具柔软得多，且希望有较大的塑性变形。二者的性质与作用差异如此之大，因而使变形时摩擦情况也很特殊。Lesson NineteenLesson Nineteen*8 外摩擦在压力加工中的作用： 不利方面改变物体应力状态，使变形力和能耗增加引起工件变形与应力分布不均匀恶化工件表面质量，加速模具磨损，降低工具寿命Lesson NineteenLesson Nineteen*9摩擦的利用增大摩擦改善轧制过程咬入条件 摩擦应力
5、促进金属的变形发展 增大冲头与板片间的摩擦，强化工艺，减少起皱和撕裂等造成的废品 Conform连续挤压法 Lesson NineteenLesson Nineteen*109.2 塑性加工中摩擦的分类及机理外摩擦的分类 干摩擦 流体摩擦 边界摩擦摩擦机理 分子吸附说 粘着理论 表面凸凹学说Lesson NineteenLesson Nineteen*11干摩擦 干摩擦是指不存任何外来介质时金属与工具的接触表面之间的摩擦。但在实际生产中，这种绝对理想的干摩擦是不存在的。通常说的干摩擦指的是不加润滑剂的摩擦状态。 Lesson NineteenLesson Nineteen*12摩擦力计算 库仑
6、摩擦定律 粘着摩擦理论 分子机械摩擦理论Lesson NineteenLesson Nineteen*13流体摩擦 当金属与工具表面之间的润滑层较厚，摩擦副在相互运动中不直接接触，完全由润滑油膜隔开，摩擦发生在流体内部分子之间者称为流体摩擦。 它不同于干摩擦，摩擦力的大小与接触面的表面状态无关，而是与流体的粘度、速度梯度等因素有关。因而流体摩擦的摩擦系数是很小的。Lesson NineteenLesson Nineteen*14摩擦力计算 液体摩擦定律分别为流体层间切应力和液体粘度流体速度梯度液体摩擦时 f = 0.0050.02Lesson NineteenLesson Nineteen*1
7、5边界摩擦 这是一种介于干摩擦与流体摩擦之间的摩擦状态，称为边界摩擦。这种摩擦出现在高压、低速和润滑剂粘度小的情况。 在实际生产中，由于摩擦条件比较恶劣，理想的流体润滑状态较难实现。此外，在塑性加工中，无论是工具表面，还是坯料表面，都不可能是“洁净”的表面，总是处于介质包围之中，总是有一层敷膜吸附在表面上，这种敷膜可以是自然污染膜，油性吸附形成的金属膜，物理吸附形成的边界膜，润滑剂形成的化学反应膜等。因此理想的干摩擦不可能存在。实际上常常是上述三种摩擦共存的混合摩擦。 Lesson NineteenLesson Nineteen*16边界摩擦Lesson NineteenLesson Nine
8、teen*17分子吸附说 当两个接触表面非常光滑时，接触摩擦力不但不降低，反而会提高，这一现象无法用机械咬合理论来解释。分子吸附学说认为：摩擦产生的原因是由于接触面上分子之间的相互吸引的结果。物体表面越光滑，实际接触面积就越大，接触面间的距离也就越小，分子间的作用力越强。克服该分子间作用力的摩擦力也就越大。Lesson NineteenLesson Nineteen*18Lesson NineteenLesson Nineteen*19粘着理论Lesson NineteenLesson Nineteen*20表面凹凸学说 所有经过机械加工的表面并非绝对平坦光滑，都有不同程度的微观凸起和凹入。当
9、凹凸不平的两个表面相互接触时，一个表面的部分“凸峰”可能会陷入另一表面的凹坑，产生机械咬合。 当这两个相互接触的表面在外力的作用下发生相对运动时，相互咬合的部分会被剪断，此时摩擦力表现为这些凸峰被剪切时的变形阻力。 根据这一观点，相互接触的表面越粗糙，相对运动时的摩擦力就越大。降低接触表面的粗糙度，或涂抹润滑剂以填补表面凹坑，都可以起到减少摩擦的作用。Lesson NineteenLesson Nineteen*21Lesson NineteenLesson Nineteen*229.3 摩擦系数及其影响因素 金属的种类和化学成分 工具材料及其表面状态 接触面上的单位压力 变形温度 变形速度
10、润滑剂Lesson NineteenLesson Nineteen*23金属的种类和化学成分 摩擦系数随着不同的金属、不同的化学成分而异。由于金属表面的硬度、强度、吸附性、扩散能力、导热性、氧化速度、氧化膜的性质以及金属间的相互结合力等都与化学成分有关，因此不同种类的金属，摩擦系数不同。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摩擦系数：软钢为0. 17；铝为0.18；黄铜为0.10，电解铜为0.17，即使同种材料，化学成分变化时，摩擦系数也不同。如钢中的碳含量增加时，摩擦系数会减小。一般说，随着合金元素的增加，摩擦系数下降。材料的硬度、强度越高，摩擦系数就越小。 Lesson Ni
11、neteenLesson Nineteen*24工具材料及其表面状态 工具选用铸铁材料时的摩擦系数，比选用钢时摩擦系数可低15%20%，而淬火钢的摩擦系数与铸铁的摩擦系数相近。硬质合金轧辊的摩擦系数较合金钢轧辊摩擦系数可降低10%20%，而金属陶瓷轧辊的摩擦系数比硬质合金辊也同样可降低1020%。 工具的表面状态视工具表面的精度及机加工方法的不同，摩擦系数可能在0.050.5范围内变化。一般来说，工具表面光洁度越高，摩擦系数越小。但如果两个接触面光洁度都非常高，由于分子吸附作用增强，反使摩擦系数增大。 Lesson NineteenLesson Nineteen*25接触面上的单位压力 单位压
12、力较小时，表面分子吸附作用不明显，摩擦系数与正压力无关，摩擦系数可认为是常数。当单位压力增加到一定数值后，润滑剂被挤掉或表面膜破坏，这不但增加了真实接触面积，而且使分子吸附作用增强，从而使摩擦系数随压力增加而增加，但增加到一定程度后趋于稳定， 0.130.120.110.100.090.080.070.060.050.040.030.020.0102006001000140018002200N/mm20.14正压力对摩擦系数的影响Lesson NineteenLesson Nineteen*26变形温度温度对钢和铜的摩擦系数的影响 Lesson NineteenLesson Nineteen*
13、27 变形温度对摩擦系数的影响很复杂。因为温度变化时，材料的温度、硬度及接触面上的氧化质的性能都会发生变化，可能产生两个相反的结果：一方面随着温度的增加，可加剧表面的氧化而增加摩擦系数；另一方面，随着温度的提高，被变形金属的强度降低，单位压力也降低，这又导致摩擦系数的减小，所以，变形温度是影响摩擦系数变化因素中，最积极、最活泼的一个，很难一概而论。 温度较低时，金属的硬度大，氧化膜薄，摩擦系数小。随着温度升高，金属硬度降低，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。当温度继续升高，由于氧化质软化和脱落，氧化质在接触表面间起润滑剂的作用，摩擦系数反
14、而减小。 Lesson NineteenLesson Nineteen*28变形速度 许多实验结果表明，随着变形速度增加，摩擦系数下降 变形速度增加引起摩擦系数下降的原因，与摩擦状态有关。在干摩擦时，变形速度增加，表面凹凸不平部分来不及相互咬合，表现出摩擦系数的下降。在边界润滑条件下，由于变形速度增加，油膜厚度增大，导致摩擦系数下降，如图4-9所示。但是，变形速度与变形温度密切相关，并影响润滑剂的曳入效果。 Lesson NineteenLesson Nineteen*29润滑剂 压力加工中采用润滑剂能起到防粘减摩以及减少工模具磨损的作用，而不同润滑剂所起的效果不同。因此，正确选用润滑剂，可显
15、著降低摩擦系数。常用金属及合金在不同加工条件下的摩擦系数可查有关加工手册（或实际测量）。 Lesson NineteenLesson Nineteen*30其他因素 压下率 带润滑冷轧时，若试样表面不粗糙，一般随压下率增加摩擦系数增大。 变形区几何形状参数l/h 摩擦系数随l/h的增大而减小。 轧辊直径 当其它条件相同时，摩擦系数随轧辊直径的增加而减小。Lesson NineteenLesson Nineteen*319.4 测定摩擦系数的方法 夹钳轧制法 楔形件压缩法 圆环镦粗法 轧制力矩法Lesson NineteenLesson Nineteen*32圆环镦粗法Lesson Ninete
16、enLesson Nineteen*33h, mmd, mmLesson NineteenLesson Nineteen*349.5 塑性加工的工艺润滑 润滑的目的 润滑机理 润滑剂的选择 润滑方法的改进Lesson NineteenLesson Nineteen*35润滑的目的 降低金属变形时的能耗 提高制品质量 减少工模具磨损，延长工具使用寿命 Lesson NineteenLesson Nineteen*36润滑机理 流体力学原理 Lesson NineteenLesson Nineteen*37 吸附机制 金属塑性加工用润滑剂从本质上可分为不含有表面活性物质（如各类矿物油）和含有表面活
17、性物质（如动、植物油，添加剂等）两大类。这些润滑剂中的极性或非极性分子对金属表面都具有吸附能力，并且通过吸附作用在金属表面形成油膜。Lesson NineteenLesson Nineteen*38润滑剂的选择 液体润滑剂 矿物油（非极性）、动植物油（极性）、乳液（油包水或水包油等） 固体润滑剂 石墨(500)、二硫化钼(350)、肥皂、氮化硼(900)等 液固体润滑剂 把固体润滑粉末悬浮在润滑油或工作油中，构成乳液 熔体润滑剂 玻璃(5002000)Lesson NineteenLesson Nineteen*39润滑方法的改进 流体润滑Lesson NineteenLesson Nineteen*40 改变工具形状Lesson NineteenLesson Nineteen*41工件表面处理 表面磷化处理皂化 表面氧化处理 表面镀层Lesson NineteenLesson Nineteen*42课后作业Homework 习题集P46习题7、9、10
