第13章金属塑性加工中的摩擦和润滑

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1、第十三章 金属塑性加工中的摩擦与润滑,本章主要内容： 13.1 金属塑性加工中摩擦的特点与作用 13.2 金属塑性加工中的摩擦与润滑理论 13.3 影响摩擦的主要因素 13.4 摩擦系数测定 13.5 塑性加工的工艺润滑,材料成形原理,13.1金属塑性加工中摩擦的特点与作用,13.1.1 塑性成形时摩擦的特点,（1）接触面单位压力大 热加工:100-150MPa，冷加工500-2500 MPa。 （2）接触面温度较高 热加工温度：800-1200，冷加工：200-300 。内部组织和性能变化，表面氧化，润滑剂受影响。 （3）接触面更新和分区 由于高压下变形，会不断增加新的接触表面，工具与金属间

2、接触条件改变。接触面上各处塑性流动不同，有滑动、粘着，有快、慢，接触面上各点摩擦不同。 （4）摩擦副性质差别大 工具无塑性变形、组织不发生变化；工件较具大塑性变形。二者性质与作用差异大，变形摩擦特殊。,第十三章 金属塑性加工中的摩擦与润滑,摩擦的不利方面： （1）改变物体应力状态，增加变形抗力和能耗。一般情况下，摩擦加大使负荷增加30%。例如，平锤锻造圆柱体（如图所示）。 （2）引起工件变形与应力分布不均匀。,13.1.2 外摩擦在压力加工中的作用,摩擦的利用： 例如，增大摩擦，改善轧制过程咬入条件；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。,（3）恶化工件表面质量，加速模

3、具磨损，降低工具寿命。,13.1 金属塑性加工中摩擦的特点与作用,13.2 金属塑性加工中的摩擦与润滑理论,13.2.1 摩擦分类 塑性成形时的摩擦根据其性质可分为干摩擦、边界摩擦、流体摩擦；摩擦分类示意图如下所示:,图13-2 摩擦分类示意图,摩擦机理 ：分子吸附说 、表面凸凹学说、粘着理论,第十三章 金属塑性加工中的摩擦与润滑,（1）干摩擦。金属与工具的接触表面之间不存在任何外来介质，即直接接触时所产生的摩擦称为干摩擦，如图13-2a所示。但通常所说的干摩擦是指不加润滑剂的摩擦状态。,（2）流体摩擦。金属与工具表面间加入润滑层较厚，摩擦副在相互运动中不直接接触，完全由润滑油膜隔开（图13-

4、2c），摩擦发生在流体内部分子之间称为流体摩擦。,（3）边界摩擦。当金属与工具之间的接触表面上加润滑剂时，随着接触压力的增加，金属表面凸起部分被压平，润滑剂被挤入凹坑中，被封存在里面（图13-2b），压平部分与模具之间存在一层极薄的润滑膜，其厚度约为10-6mm左右。,13.2.1 摩擦分类,13.2 金属塑性加工中的摩擦与润滑理论,13.2.2 摩擦机理,（1）表面凹凸学说 在摩擦过程中，要使接触面间互相嵌合的微凸体发生相对运动，就必须给以一定的能量，才能使微凸体彼此越过相对接触面上的高峰，这就是所需克服的摩擦力。这种阐明摩擦产生的理论称“凹凸理论”或“机械理论”。 （2）分子吸附学说 两个

5、非常光滑的接触面间发生干摩擦时，摩擦力增大。这种摩擦力的增加来源于在两接触表面上的分子吸引力，建立在这种观点上的摩擦理论则称为“分子吸附理论”或“分子理论”。 （3）粘着理论 两表面相接触，某些接触点上的单位压力很大，这些点将发生粘着，当一表面相对另一表面滑动时，粘着点即被剪断而产生滑移，摩擦力是剪断金属粘着所需要的剪切力。,13.2 金属塑性加工中的摩擦与润滑理论,13.2.3 塑性加工时接触表面摩擦力的计算,金属塑性加工时，工具与坯料接触面上的摩擦力采用下列三种假设：,（1）库伦摩擦条件,不考虑接触面上的粘合现象（全滑动），认为摩擦符合库伦定律。即： 1）摩擦力与作用于摩擦表面的垂直压力成

6、正比例，与摩擦表面的大小无关； 2）摩擦力与滑动速度的大小无关； 3）静摩擦系数大于动摩擦系数。,13.2 金属塑性加工中的摩擦与润滑理论,其数学表达式为： 式中 F 摩擦力； 外摩擦系数； N 垂直于接触面正压力； 接触面上的正应力； 接触面上的摩擦切应力。 由于摩擦系数为常数（由实验确定），故又称常摩擦系数定律。对于像拉拔及其他润滑效果较好的加工过程，此定律较适用。,13.2 金属塑性加工中的摩擦与润滑理论,（2）最大摩擦条件,，,13.2 金属塑性加工中的摩擦与润滑理论,在塑性成形中，当摩擦应力达到被加工坯料的最大剪应力K时，坯料相对于工具的滑动将停滞而转变为坯料内部晶体的滑移，摩擦应力

7、不再增加。这时,，,（3）摩擦力不变条件（也称常摩擦力定律） 认为接触面间的摩擦力不随正压力大小而变。其单位摩擦力是常数，即表达式为：,式中，m为摩擦因子，m=0 - 1.0。,13.3 影响摩擦的主要因素,摩擦系数随金属性质、工艺条件、表面状态、单位压力及所采用润滑剂的种类与性能等而不同 其主要影响因素有： 1.金属的种类和化学成分 2.工具材料及其表面状态 3.接触面上的单位压力 4.变形温度 5.变形速度 6.润滑剂,第十三章 金属塑性加工中的摩擦与润滑,13.3.1 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。同种材料，化学成分变化时，摩擦系数不同。钢中的碳含量增

8、加时，摩擦系数会减小。随着合金元素的增加，摩擦系数下降。粘附性较强金属具有较大的摩擦系数,硬度、强度越高，摩擦系数就越小。,不同种类的金属，摩擦系数不同。常温下，用光洁钢压头测得的摩擦系数：软钢为0. 17；铝为 0.18；黄铜为0.10，电解铜为0.17。,13.3 影响摩擦的主要因素,13.3.2 工具材料及其表面状态,（1）工具材料,铸铁材料摩擦系数比钢摩擦系数低15%20% 淬火钢的摩擦系数与铸铁的摩擦系数相近 硬质合金轧辊摩擦系数比合金钢轧辊摩擦系数降低10%20% 金属陶瓷轧辊的摩擦系数比硬质合金辊降低10%20%。,（2）表面状态,工具表面精度及机加工方法不同，摩擦系数在0.05

9、0.5范围内变化。 工具表面粗糙度越高，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。,13.3 影响摩擦的主要因素,13.3.3 接触面上的单位压力,单位压力较小，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，这增加真实接触面积，使分子吸附作用增强，即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。,13.3 影响摩擦的主要因素,13.3.4 变形温度（最积极，最活泼）,变形温度对摩擦系数的影响很复杂。温度变化时，可能会产生两个相反的结果：,（1）温度增加，加剧表面的氧化

10、而增加摩擦系数； （2）温度提高，被变形金属的强度降低，单位压力也降低，导致摩擦系数的减小 ； 此外还可出现其他情况，如温度升高，润滑效果可能发生变化。 大量实验结果表明：开始时摩擦系数随温度升高而增加，达到最大值以后又随温度升高而降低 。,13.3 影响摩擦的主要因素,13.3.5 变形速度,随着变形速度增加，摩擦系数下降。,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13-7所示。但变形速度与变形温度密切相关，影响润滑剂的曳入效果。随着条件的不同，变形速度对摩擦

11、系数的影响也很复杂。有时会得到相反的结果。,13.3 影响摩擦的主要因素,13.3.6 润滑剂,润滑剂作用:防粘减摩,减少模具磨损。不同润滑剂所起的效果不同。,常用的润滑剂 液体润滑剂包括矿物油、动植物油、乳液等 固体润滑剂，包括石墨、二硫化钼、肥皂等 液-固型润滑剂 熔体润滑剂,13.3 影响摩擦的主要因素,13.4 摩擦系数测定,夹钳轧制法 楔形件压缩法 塑性加工常用摩擦系数 圆环镦粗法,目前，测定塑性加工中的摩擦系数的方法中，大都是利用库仑定律，即求相应正压力下的摩擦力，然后求出摩擦系数。由于上述诸多因素的影响，加上接触面各处情况不一致，因此只能确定平均值，以下为摩擦系数测定常用的方法。

12、,第十三章 金属塑性加工中的摩擦与润滑,13.4.1 夹钳轧制法,基本原理：利用纵轧时力的平衡条件。 实验方法：用钳子夹住板材的未轧入部分，钳子的另一端与测力仪相联，由该测力仪可测得轧辊打滑时的水平力T。,轧辊打滑时，板料试样在水平方向所受的力平衡条件为：,其中：,推出：,13.4 摩擦系数测定,轧辊打滑时，板料试样在垂直方向所受的力平衡条件为：,其中：,又因为：,把以上参数胡代入垂直方向的力平衡条件中，得：,式中，接触角 可用几关系算出：,由于T、Q可测得，即求出摩擦系数 。,13.4 摩擦系数测定,13.4.2 圆环镦粗法,该方法是把一定尺寸的圆环试样（如D：do：H= 20：10：7）放

13、在平砧上镦粗。由于试样和砧面间摩擦系数的不同，圆环的内、外径在压缩过程中将有不同的变化。在任何摩擦情况下，外径总是增大的，而内径则随摩擦系数而变化，或增大或缩小。,13.4 摩擦系数测定,用上限法或应力分析法可求出分流面半径Rn、摩擦系数和圆环尺寸的理论关系式。据此可绘制成如图13-10所示的理论校准曲线。,欲测摩擦系数时，把试件做成图13-10所示的尺寸，在特定的条件下进行多次镦粗，每次应取很小的压下量，记下每次镦粗后圆环的高度H和内径do。可利用图13-10理论校正曲线，查到欲测接触面间的摩擦系数。,13.4 摩擦系数测定,13.5 塑性加工的工艺润滑,13.5.1 工艺润滑的目的及润滑机

14、理,（1）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。,（2）润滑机理,流体力学原理,吸附机制,第十三章 金属塑性加工中的摩擦与润滑,（3）润滑剂的选择,1）塑性成形中对润滑剂的要求,润滑剂应有良好的耐压性能； 润滑剂应有良好耐高温性能； 润滑剂有冷却模具的作用； 润滑剂不应对金属和模具有腐蚀作用； 润滑剂应对人体无毒，不污染环境； 润滑剂要求使用、清理方便、来源丰富、价格便宜等。,2）常用润滑剂,液体润滑剂，包括矿物油、动植物油、乳液等。 固体润滑剂，包括石墨、二硫化钼、肥皂等。 液-固型润滑剂，例如石墨乳液及二硫化钼（或石墨）油剂（或水剂）。 熔体

15、润滑剂，例如玻璃、沥青或石蜡。,13.5 塑性加工的工艺润滑,玻璃既是固体润滑剂，又是熔体润滑剂。 玻璃润滑剂有以下特点： 玻璃的导热性差。 玻璃的使用温度范围很广，可根据加工的温度和所需的粘度，选用合适的玻璃成分（见表13-5）。 玻璃的化学稳定性好，和金属不起化学反应。,13.5 塑性加工的工艺润滑,（4）润滑剂中的添加剂,为了提高润滑油的润滑、耐磨、防腐等性能，需要在润滑油中加入少量的活性物质，这些活性物质总称添加剂。 润滑油中的添加剂一般易溶于机油，热稳定性要好，且应具有良好的物理化学性能，常用的添加剂有油性剂、极压剂、抗磨剂和防锈剂等。,塑性加工中常用的添加剂见表13-6,13.5

16、塑性加工的工艺润滑,（5）润滑方法的改进,1）流体润滑,流体润滑常用于线材拉拔（如图13-17）。 在反挤压时，将凹模和坯料做成如图13-18所示的形状，在反挤压过程中，润滑剂能够持久稳定地起到隔离冲头与毛坯的作用，产生良好的作用。,13.5 塑性加工的工艺润滑,在静液挤压和充液拉深（图13-19）等工艺中高压液体是作为传递变形力的介质，同时又起到强制润滑作用。故挤压力比普通挤压要低得多。图13-20为三种挤压方法的压力-时间关系。,13.5 塑性加工的工艺润滑,2）表面处理,表面磷化处理。磷化处理后需进行润滑处理，常用的有硬脂酸钠、肥皂等，故称皂化。 表面氧化处理。对于一些难加工的高温合金，如钨丝、钼丝、钽丝等，在拉拔前，需进行阳极氧化或氧化处理，使这些氧化生成的膜成为润滑底层，对润滑剂有吸附作用。 表面镀层。电镀得到的镀层，结构细密，纯度高，与基体结合力好。目前常用的是镀铜。,