第四章金属塑性成形中的摩擦和润滑2009

1、1 第四章第四章 金属塑性成形中的金属塑性成形中的 摩擦和润滑摩擦和润滑 摩擦学的历史摩擦学的历史 金属塑性成形中摩擦的定义金属塑性成形中摩擦的定义 塑性成形中摩擦的分类和机理塑性成形中摩擦的分类和机理 金属塑性成形用的润滑剂金属塑性成形用的润滑剂 摩擦系数及其影响因素摩擦系数及其影响因素 2 摩擦学的历史摩擦学的历史 说起说起，大家一定不陌生，因为摩擦是我们生，大家一定不陌生，因为摩擦是我们生 活中司空见惯的现象，我们每时每刻都在和摩擦活中司空见惯的现象，我们每时每刻都在和摩擦 打交道。我们打交道。我们走路走路、吃饭吃饭、洗衣服洗衣服依靠摩擦；各依靠摩擦；各 种种车辆行驶车辆行驶依靠摩擦，依

2、靠摩擦，机器运转机器运转离不开摩擦。离不开摩擦。 摩擦学知识与吃、穿、住、行密不可分。摩擦学知识与吃、穿、住、行密不可分。 3 车辆行驶车辆行驶依靠摩擦依靠摩擦 4 5 摩擦学的历史摩擦学的历史 利用摩擦热取火，使人类告别了吃生食物的习惯。利用摩擦热取火，使人类告别了吃生食物的习惯。 Eskimo, Hudson Bay, 1748 比如：旧石器时代比如：旧石器时代 钻木取火钻木取火 6 摩擦学的历史摩擦学的历史 车轮的发明使人类商业社会得以迅速发展。车轮的发明使人类商业社会得以迅速发展。 伊拉克，伊拉克， 2800B.C.2800B.C. 7 8 损失在摩擦界面上的资源损失在摩擦界面上的资源

3、 界面界面 活塞环活塞环/汽缸汽缸 轮胎轮胎/路面路面 刀具刀具/工件工件 钻头钻头/油井油井 磁头磁头/磁介质磁介质 人体人体/座位座位 损失量损失量 亿美元亿美元/年年 200 100 100 100 100 200 根据 1986统计 9 工程实例：活塞环与气缸套之间摩擦工程实例：活塞环与气缸套之间摩擦 10 摩擦磨损产生的难题摩擦磨损产生的难题 在现代在现代汽车汽车中，中，的功率要用来克服摩的功率要用来克服摩 擦；擦； 飞机飞机上的活塞式发动机因摩擦损耗的功率上的活塞式发动机因摩擦损耗的功率 要占要占，就是最先进的，就是最先进的涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机 也要为克服摩擦损耗也要为克服

4、摩擦损耗的功率。的功率。 据报道，英国在材料磨损上损失每年要超据报道，英国在材料磨损上损失每年要超 过过20亿美元。亿美元。 航空和航天器过度发热，这更是现代科技航空和航天器过度发热，这更是现代科技 遇到的又一难题。遇到的又一难题。 11 摩擦学的定义 摩擦学摩擦学是研究作相对运动的相互作用 表面及其有关的理论和实践的一门科 学技术。 机床导轨机床导轨 12 定义中二个主要的部分：定义中二个主要的部分： 1. 相对运动相对运动 2. 相互作用表面相互作用表面 13 摩擦学涉及的学科摩擦学涉及的学科 摩擦学是一门交叉、边缘学科摩擦学是一门交叉、边缘学科 摩擦学主要涉及学科：摩擦学主要涉及学科：

5、物理学物理学 化学化学 机械工程机械工程 材料学材料学 力学力学 流体力学流体力学 14 摩擦学研究的主要内容 摩擦摩擦：摩擦理论与起因 磨损磨损：磨损理论与减磨措施 润滑润滑： 润滑理论 润滑剂极其添加剂 固体润滑材料 摩擦学测试技术摩擦学测试技术：摩擦系数及表面分析 等 15 金属塑性成形中摩擦的定义金属塑性成形中摩擦的定义 在塑性成形中，被加工金属与模具之间存在相对运动在塑性成形中，被加工金属与模具之间存在相对运动 或有相对运动的趋势，在接触表面间产生阻止切向运动或有相对运动的趋势，在接触表面间产生阻止切向运动 的阻力称为的阻力称为摩擦摩擦。 镦粗时的摩擦镦粗时的摩擦 摩擦力方向摩擦力方

6、向 金属流动方向金属流动方向 16 第一节第一节 金属塑性成形中摩擦的特点和影响金属塑性成形中摩擦的特点和影响 一、金属塑性成形中摩擦的特点一、金属塑性成形中摩擦的特点 1 1、伴随有变形金属的塑性流动，接触面上各点的摩、伴随有变形金属的塑性流动，接触面上各点的摩 擦不同擦不同 2 2、接触面上的单位压强高、接触面上的单位压强高 3 3、实际接触面积大、实际接触面积大 4 4、不断有新的摩擦产生、不断有新的摩擦产生 5 5、常在高温下产生摩擦，摩擦条件复杂、常在高温下产生摩擦，摩擦条件复杂 17 伴随有变伴随有变 形金属的形金属的 塑性流动塑性流动 接触面上接触面上 的单位压的单位压 强高强高

7、 由于变形不均匀，造成坯料在模具表面上的由于变形不均匀，造成坯料在模具表面上的 各个质点流动不相同，有的快，有的慢，有各个质点流动不相同，有的快，有的慢，有 的粘着不动，因此各点的摩擦情况也不相同。的粘着不动，因此各点的摩擦情况也不相同。 机械传动摩擦特点是摩擦产生在机械零件之机械传动摩擦特点是摩擦产生在机械零件之 间的弹性形变，因此它的表面摩擦是比较均间的弹性形变，因此它的表面摩擦是比较均 匀的。匀的。 一般来说，塑性变形的摩擦是在一般来说，塑性变形的摩擦是在高压高压下产生下产生 的。承受的压力一般在的。承受的压力一般在500N/mm500N/mm2 2 左右，在冷左右，在冷 挤压时达到挤压

8、时达到2500N/mm2500N/mm2 2。相比之下，重载荷。相比之下，重载荷 下的轴承工作压力也就是在下的轴承工作压力也就是在20-40 N/mm20-40 N/mm2 2。 18 实际接触实际接触 面积大面积大 在塑性成形过程中，由于发生塑性变形，接在塑性成形过程中，由于发生塑性变形，接 触面上凸起部分被压平，实际接触面积接近触面上凸起部分被压平，实际接触面积接近 名义接触面积，使摩擦力增大。名义接触面积，使摩擦力增大。 19 常在高温常在高温 下产生摩下产生摩 擦擦 很多情况下，塑性变形是在高温下进行，很多情况下，塑性变形是在高温下进行， 它会使金属的组织性能发生变化。加之，它会使金属

9、的组织性能发生变化。加之， 温度分不均匀。一般来说，表面温度低，温度分不均匀。一般来说，表面温度低， 内部温度高。因此，给摩擦带来了复杂的内部温度高。因此，给摩擦带来了复杂的 影响。另外还要考虑氧化皮等因素的影响。影响。另外还要考虑氧化皮等因素的影响。 不断有新不断有新 的摩擦产的摩擦产 生生 在塑性成形过程中，原来非接触面在变在塑性成形过程中，原来非接触面在变 形过程中会成为新的接触面，使摩擦力形过程中会成为新的接触面，使摩擦力 增大。增大。 由此可知，在塑性成形过程中的摩擦与润滑问题比一由此可知，在塑性成形过程中的摩擦与润滑问题比一 般机械传动中的摩擦要复杂很多。般机械传动中的摩擦要复杂很

10、多。 20 二、摩擦对塑性成形过程的影响二、摩擦对塑性成形过程的影响 首先介绍与摩擦有关的定律首先介绍与摩擦有关的定律“最小阻力定律最小阻力定律” 最小阻力定律：当变形体的质点有可能沿不同方向移动时，则最小阻力定律：当变形体的质点有可能沿不同方向移动时，则 物体各质点将向着物体各质点将向着阻力最小阻力最小的方向移动。的方向移动。即做最小的功，走最短的即做最小的功，走最短的 路。路。 最小阻力定律实际上是力学最小阻力定律实际上是力学 的普遍原理，它可以的普遍原理，它可以定性定性地用来地用来 分析金属质点的流动方向。或者分析金属质点的流动方向。或者 通过调整某个方向的流动阻力，通过调整某个方向的流

11、动阻力， 来改变金属在某些方向的流动量来改变金属在某些方向的流动量 ，使得成形更为合理。，使得成形更为合理。 图 开式模锻的金属流动材料材料2009-4.122009-4.12 21 例如，在开式模锻中（如图），增加金属流向飞例如，在开式模锻中（如图），增加金属流向飞 边的阻力，以保证金属充填模腔；或者修磨圆角边的阻力，以保证金属充填模腔；或者修磨圆角r r 减少金属流向减少金属流向A A腔的阻力，使金属充填得更好。腔的阻力，使金属充填得更好。 图图 开式模锻的金属流动开式模锻的金属流动 22 当接触表面存在摩擦时，矩形断面的棱柱体镦粗时的当接触表面存在摩擦时，矩形断面的棱柱体镦粗时的 流动模

12、型如图所示。流动模型如图所示。 因为接触面上质点向周边流动的阻力与质点离周边的因为接触面上质点向周边流动的阻力与质点离周边的 距离成正比距离成正比，因此离周边的距离愈近，阻力愈小，金属质，因此离周边的距离愈近，阻力愈小，金属质 点必然沿这个方向流动。这个方向恰好是周边的最短法线点必然沿这个方向流动。这个方向恰好是周边的最短法线 方向。方向。 图 最小周边法则 因此，可用点划线将矩形分成因此，可用点划线将矩形分成两个两个 三角形三角形和和两个梯形两个梯形，形成了四个流，形成了四个流 动区域。动区域。点划线点划线是流动的是流动的分界线分界线， 线上各点至边界的距离相等，各个线上各点至边界的距离相等

13、，各个 区域内的质点到各自边界的法线距区域内的质点到各自边界的法线距 离最短。这样流动的结果，梯形区离最短。这样流动的结果，梯形区 域流出的金属多于三角形区域的。域流出的金属多于三角形区域的。 镦粗后，矩形断面将变成镦粗后，矩形断面将变成双点划线双点划线 所示的多边形。所示的多边形。 23 可以想象，继续镦粗，断面的周边将趋于可以想象，继续镦粗，断面的周边将趋于 椭圆，而椭圆将进一步变成圆。此后，各质椭圆，而椭圆将进一步变成圆。此后，各质 点将沿着半径方向流动。相同面积的任何形点将沿着半径方向流动。相同面积的任何形 状，圆形的周边最小。状，圆形的周边最小。 因而最小阻力定律在镦粗中也称最小周边

14、法则。因而最小阻力定律在镦粗中也称最小周边法则。 24 对于其他任意断面金属质对于其他任意断面金属质 点的流动也符合上述定律。点的流动也符合上述定律。 方料在平锤间压缩时如方料在平锤间压缩时如 图所示。随着图所示。随着镦粗的进行，镦粗的进行， 方料逐渐变为圆截面。方料逐渐变为圆截面。 25 在拔长工序中应用上述变形模式，可以提高拔长在拔长工序中应用上述变形模式，可以提高拔长 的的生产效率生产效率。拔长实质上就是沿坯料的逐次镦粗，镦粗拔长实质上就是沿坯料的逐次镦粗，镦粗 过程中再伴随着翻转过程中再伴随着翻转9090，使坯料断面积逐渐减小，长度，使坯料断面积逐渐减小，长度 逐渐增加的工序。如图所示

15、。逐渐增加的工序。如图所示。 26 要求较高的要求较高的拔长生产效率时，坯料拔长生产效率时，坯料 的送料的送料要小要小，这时轴向延伸较大。即，这时轴向延伸较大。即 当送进量当送进量l小于坯料宽度小于坯料宽度a a（l a a a ）时，坯料）时，坯料宽度增加的多宽度增加的多。 27 最小阻力定律的作用最小阻力定律的作用 金属塑性变形过程应满足体积不变条件。金属塑性变形过程应满足体积不变条件。 根据体积不变条件和最小根据体积不变条件和最小阻力定律，可以大体阻力定律，可以大体 确定塑性成形时的金属流动规律。确定塑性成形时的金属流动规律。 金 属 塑 性 成 形 原 理 第 四 章 金 属 塑 性

16、成 形 中 的 摩 擦 28 圆环圆环镦粗时，改变金属质点的流动方向。镦粗时，改变金属质点的流动方向。 环形件镦粗时，由于摩擦的作用，还会局部改变环形件镦粗时，由于摩擦的作用，还会局部改变 金属质点的流动方向。金属质点的流动方向。 如果接触面上的如果接触面上的摩擦摩擦 系数很小或无系数很小或无摩擦时，摩擦时， 根据体积不变条件，根据体积不变条件，圆圆 环环内外径都增加达到最内外径都增加达到最 大值。大值。 材料材料2006-2006-第第1010周，周，3 3、4 4节节20092009， 4.304.30 29 在在圆环中就会出现一个以圆环中就会出现一个以 RnRn为半径的分流面。为半径的分

17、流面。 分流面以外的金属向外分流面以外的金属向外 流动；流动； 分流面以内的金属向内分流面以内的金属向内 流动。流动。 当当增加，并增加，并超过某一定值，靠近内径处的金属质超过某一定值，靠近内径处的金属质 点向外流动的阻力大于向内流动的阻力，从而改变了点向外流动的阻力大于向内流动的阻力，从而改变了 流动方向。流动方向。内径开始减少，而外径扩大。内径开始减少，而外径扩大。 金 属 塑 性 成 形 原 理 第 四 章 金 属 塑 性 成 形 中 的 摩 擦 材料材料2007-2007-第第1010周，周，20102010，5.55.5 30 摩擦对塑性成形的不利方面：摩擦对塑性成形的不利方面： 1

18、 1）改变变形体内应力状态，增大变形抗力和能源消耗）改变变形体内应力状态，增大变形抗力和能源消耗 例如单向压缩时，若工具与变形金属接触面上无摩擦存在，则变形例如单向压缩时，若工具与变形金属接触面上无摩擦存在，则变形 内应力状态为单向压应力状态。设单向压应力为内应力状态为单向压应力状态。设单向压应力为3 3， 此时单位流动压力为此时单位流动压力为 s p 3 若接触面上有摩擦存在时，则变形金属内应力状态为三向应力状态若接触面上有摩擦存在时，则变形金属内应力状态为三向应力状态 s 31 s p 13 因而摩擦力使变形抗力增大，增大因而摩擦力使变形抗力增大，增大 能量消耗。一般情况下，摩擦的加能量消

19、耗。一般情况下，摩擦的加 大可使负荷大可使负荷增加增加30%30%。 31 2 2）引起不均匀变形，附加应力和残余应力）引起不均匀变形，附加应力和残余应力 不均匀变形：不均匀变形的最典型的例子是在平砧下镦粗圆柱体时不均匀变形：不均匀变形的最典型的例子是在平砧下镦粗圆柱体时 出现鼓形出现鼓形, ,由于接触面上摩擦力阻碍金属流动，远离接触面处受摩由于接触面上摩擦力阻碍金属流动，远离接触面处受摩 擦影响小，因而形成了鼓形。擦影响小，因而形成了鼓形。 在此情况下，可将变形金属整个体积大致分为三个区：在此情况下，可将变形金属整个体积大致分为三个区： 区表示由外摩擦影响而产生的难变形区。区表示由外摩擦影响

20、而产生的难变形区。 区表示与作用力成区表示与作用力成4545角的最有利方位的易变形区角的最有利方位的易变形区 区表示变形程度居中的自由变形区区表示变形程度居中的自由变形区 难变形区难变形区 小变形区小变形区 易变形区易变形区 32 镦粗镦粗（.第一章第一章 绪论绪论锻压连接源文件锻压连接源文件duncu.exe整体或局部整体或局部） 33 当工件的高径比当工件的高径比h/d2.5 时，往往首先在与工具时，往往首先在与工具 接触的两端产生变形，接触的两端产生变形， 而中间处的变形很小，而中间处的变形很小， 结果形成双鼓形现象结果形成双鼓形现象(如如 图图c)。如果每次继续使。如果每次继续使 用小

21、变形量，表面变形用小变形量，表面变形 的积累将会形成的积累将会形成折叠折叠。 金 属 塑 性 成 形 原 理 第 四 章 金 属 塑 性 成 形 中 的 摩 擦 中间处变形小中间处变形小 两端产生变形两端产生变形 大大 圆柱体镦粗时的不均匀变形除了与接触摩擦有关外，圆柱体镦粗时的不均匀变形除了与接触摩擦有关外， 还与变形区的还与变形区的几何形状几何形状因素有关。因素有关。 34 附加应力附加应力: : 由于物体内各部分的不均匀变形要受到物体整由于物体内各部分的不均匀变形要受到物体整 体性的限制，因而在各部分之间会产生相互平衡的应力，体性的限制，因而在各部分之间会产生相互平衡的应力， 该应力叫做

22、该应力叫做附加应力附加应力，或称副应力。，或称副应力。 3 3）附加应力）附加应力 35 如图为在如图为在凸形凸形轧制矩形轧制矩形坯坯，坯料边缘部分，坯料边缘部分a a的变形程度小的变形程度小 ，而中间部分，而中间部分b b的变形程度大。若的变形程度大。若a a、b b部分不是同一个整部分不是同一个整 体时，则中间部分将比边缘部分发生更大的纵向伸长，图体时，则中间部分将比边缘部分发生更大的纵向伸长，图 中双点划线所示。中双点划线所示。 由于金属的由于金属的整体性整体性迫使伸长迫使伸长 相等，因此中间部分将给边相等，因此中间部分将给边 缘部分施以拉力使其增加伸缘部分施以拉力使其增加伸 长，而边缘

23、部分将给中间部长，而边缘部分将给中间部 分施以压力使其减少伸长，分施以压力使其减少伸长， 因此产生相互平衡的内力，因此产生相互平衡的内力， 在在中间中间部分是附加部分是附加压应力压应力， 在在边缘边缘部分是附加部分是附加拉应力。拉应力。 伸长受阻，伸长受阻， 压应力压应力 产生附加应力的原因产生附加应力的原因 36 37 当卸载后，塑性变形不消失，应变梯度不消失，仍相互牵当卸载后，塑性变形不消失，应变梯度不消失，仍相互牵 制，因此引起内力的外因去除后在变形物体内仍然保留下制，因此引起内力的外因去除后在变形物体内仍然保留下 来的应力称为来的应力称为残余应力。残余应力。 残余应力残余应力 残余应力

24、是弹性应力，残余应力是弹性应力， 不超过材料的屈服应力。不超过材料的屈服应力。 38 使制品的尺寸和形状发生变化使制品的尺寸和形状发生变化 缩短制品的寿命缩短制品的寿命 增大变形抗力增大变形抗力 降低金属的塑性、冲击韧性及抗疲劳强度。降低金属的塑性、冲击韧性及抗疲劳强度。 残余应力对塑性成形不良后果残余应力对塑性成形不良后果 39 假设某圆柱体，心部受假设某圆柱体，心部受 拉应力，力图缩短，表拉应力，力图缩短，表 面受压，力图伸长。面受压，力图伸长。 该该圆柱体圆柱体存在存在 残余应力，但残余应力，但 未变形。未变形。某某圆柱体切削后的变形圆柱体切削后的变形。 切削前切削前 问题讨论问题讨论

25、产生畸变产生畸变 （变形）（变形） 40 41 残余应力是残余应力是附加应力的变化而来，其根本原因就是物体产附加应力的变化而来，其根本原因就是物体产 生了不均匀的变形。生了不均匀的变形。 减小材料在加工和处理过程中所产生的不均匀变形。减小材料在加工和处理过程中所产生的不均匀变形。 对加工件进行热处理。对加工件进行热处理。 去应力退火去应力退火 人工时效人工时效 自然时效自然时效 进行机械处理。进行机械处理。 使工件再产生一些表面变形，使使工件再产生一些表面变形，使残余应力得到一定的残余应力得到一定的 释放和松弛。释放和松弛。 如木锤敲打表面或喷丸加工。如木锤敲打表面或喷丸加工。 表面层中具有残

26、余拉应力的板材，经表面辗压后，其残表面层中具有残余拉应力的板材，经表面辗压后，其残 余应力大为缩小。余应力大为缩小。 减小或消除残余应力的方法减小或消除残余应力的方法 42 43 44 45 4 4）摩擦摩擦会影响工件表面质量，加速工具、模具会影响工件表面质量，加速工具、模具 磨损，降低模具使用寿命。磨损，降低模具使用寿命。 塑性成形时接触间的相对滑动加速工具磨损塑性成形时接触间的相对滑动加速工具磨损 ； 因摩擦热增加工具因摩擦热增加工具磨损；磨损； 变形与应力的不均匀亦会加速工具变形与应力的不均匀亦会加速工具磨损；磨损； 会产生金属粘结工具的现象，不仅缩短了工会产生金属粘结工具的现象，不仅缩

27、短了工 具寿命，且降低具寿命，且降低工件表面质量。工件表面质量。 金 属 塑 性 成 形 原 理 第 四 章 金 属 塑 性 成 形 中 的 摩 擦 46 摩擦对塑性成形的有利方面：摩擦对塑性成形的有利方面： 利用摩擦，拉深可抑制起皱。利用摩擦，拉深可抑制起皱。 开式模锻可利用飞边桥部的摩擦力保证金开式模锻可利用飞边桥部的摩擦力保证金 属充满模腔。属充满模腔。 轧制板材时，轧辊与坯料之间要有足够的轧制板材时，轧辊与坯料之间要有足够的 摩擦力才能使坯料咬入。摩擦力才能使坯料咬入。 47 利用摩擦，拉深可抑制起皱。利用摩擦，拉深可抑制起皱。 48 开式模锻可利用飞边桥部的摩擦力保证金属充满模腔。开

28、式模锻可利用飞边桥部的摩擦力保证金属充满模腔。 图图 开式模锻的金属流动开式模锻的金属流动 49 轧制板材时，轧辊与坯料之间要有足够的摩擦力才能使坯轧制板材时，轧辊与坯料之间要有足够的摩擦力才能使坯 料咬入。料咬入。 50 51 总结：摩擦带来的后果（总结：摩擦带来的后果（利弊利弊）- -即摩擦对塑性加工的影即摩擦对塑性加工的影 响响 1 1、额外消耗功；、额外消耗功； 2 2、工具、模具磨损大，降低模具使用寿命；、工具、模具磨损大，降低模具使用寿命； 3 3、影响工件表面质量；、影响工件表面质量； 4 4、利用摩擦，拉深可抑制起皱。、利用摩擦，拉深可抑制起皱。 5 5、开式模锻可利用飞边桥部

29、的摩擦力保证金属充满模腔。开式模锻可利用飞边桥部的摩擦力保证金属充满模腔。 6 6、轧制板材时，轧辊与坯料之间要有足够的摩擦力才能、轧制板材时，轧辊与坯料之间要有足够的摩擦力才能 使坯料咬入。使坯料咬入。 52 金 属 塑 性 成 形 原 理 第 四 章 金 属 塑 性 成 形 中 的 摩 擦 4 42 2塑性成形中摩擦的分类和机理塑性成形中摩擦的分类和机理 通常分为通常分为三类三类： 干摩擦干摩擦（无润滑）（无润滑） ； 流体摩擦流体摩擦（有润滑）（有润滑） ； 边界摩擦边界摩擦 （界于以上两者之间）（界于以上两者之间） 一、摩擦的分类一、摩擦的分类 53 1 1、干摩擦、干摩擦 干摩擦：被

30、加工金属与模干摩擦：被加工金属与模 具表面之间没有任何润滑剂存具表面之间没有任何润滑剂存 在的摩擦称干摩擦。在的摩擦称干摩擦。 绝对的干摩擦绝对的干摩擦在实际生产在实际生产 中是中是不存在的不存在的，因为在塑性成，因为在塑性成 形过程中，表面会产生氧化膜形过程中，表面会产生氧化膜 或吸附一些气体、灰尘。或吸附一些气体、灰尘。 54 2 2、流体摩擦：、流体摩擦：被加工金属被加工金属 与模具表面之间被润滑剂油膜隔与模具表面之间被润滑剂油膜隔 开时的摩擦称流体摩擦。开时的摩擦称流体摩擦。 流体摩擦发生在流体内部流体摩擦发生在流体内部 分子之间。分子之间。 它不同于干摩擦，摩擦力的它不同于干摩擦，摩

31、擦力的 大小与接触面的表面状态无关。大小与接触面的表面状态无关。 而主要取决与流体的粘度，速度而主要取决与流体的粘度，速度 梯度等因素，因此它的摩擦系数梯度等因素，因此它的摩擦系数 很小。很小。 55 一般来说，塑性成形时的摩擦状态是不能截然分开，常常会出现各一般来说，塑性成形时的摩擦状态是不能截然分开，常常会出现各 种混合摩擦状态，需具体情况，具体分析。种混合摩擦状态，需具体情况，具体分析。 3 3、边界摩擦：、边界摩擦：当坯料与模具之间存当坯料与模具之间存 在润滑剂时，随着接触压力的增加，在润滑剂时，随着接触压力的增加， 接触表面凸起部分被压平，润滑剂被接触表面凸起部分被压平，润滑剂被 挤

32、入凹陷部分，这种介于干摩擦与流挤入凹陷部分，这种介于干摩擦与流 动摩擦之间的摩擦状态称为边界摩擦动摩擦之间的摩擦状态称为边界摩擦 。 在边界摩擦中，接触面间既存在在边界摩擦中，接触面间既存在 润滑膜又存在局部的粘结点。这种润润滑膜又存在局部的粘结点。这种润 滑膜的厚度在滑膜的厚度在0.1m0.1m左右，左右，也称为边也称为边 界膜。界膜。这时的摩擦力包括两部分，就这时的摩擦力包括两部分，就 是剪断表面粘着部分的剪切抗力与边是剪断表面粘着部分的剪切抗力与边 界膜分子间抗剪力之和。界膜分子间抗剪力之和。 56 金 属 塑 性 成 形 原 理 第 四 章 金 属 塑 性 成 形 中 的 摩 擦 二、

33、摩擦的机理二、摩擦的机理 摩擦的机理摩擦的机理 粘着理论粘着理论 凹凸理论凹凸理论 分子吸附理论分子吸附理论 关于摩擦的机理，主要提出的有三种理论关于摩擦的机理，主要提出的有三种理论 材料材料2009-5.16 2009-5.16 第第1010周周1 1，2 2节节 57 所有经过机械加工的表面并非绝对平坦光滑，都有不同程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。当凹凸不平的两个表面接触时，度的微观凸起和凹入。当凹凸不平的两个表面接触时，一一 个表面的个表面的“凸峰凸峰”可能会陷入另一表面的凹抗，产生机械可能会陷入另一表面的凹抗，产生机械 咬合。咬合。当这两个相互

34、接触的表面在外力作用下发生相对运当这两个相互接触的表面在外力作用下发生相对运 动时，相互咬合的部分被剪断，此时的摩擦力表现为凸峰动时，相互咬合的部分被剪断，此时的摩擦力表现为凸峰 被剪断时的变形阻力。被剪断时的变形阻力。 1 1、凹凸理论、凹凸理论 即摩擦力是由接触面的凹即摩擦力是由接触面的凹 凸形状引起的（要使接触凸形状引起的（要使接触 面互相滑动，一个表面就面互相滑动，一个表面就 要顺着另一个表面凹凸部要顺着另一个表面凹凸部 分反复抬起来，或者相互分反复抬起来，或者相互 压平和挤掉。）压平和挤掉。） 58 59 该理论对于普通表面粗糙度的表面来说，能该理论对于普通表面粗糙度的表面来说，能

35、有较好的解释。有较好的解释。 降低接触表面的粗糙度，或加降低接触表面的粗糙度，或加润滑剂以填补润滑剂以填补 表面凹抗，都可以起到减少表面凹抗，都可以起到减少摩擦的作用。摩擦的作用。 但是，当表面非常光滑时，摩擦力不是减少，而但是，当表面非常光滑时，摩擦力不是减少，而 是显著地增大。这一现象无法用是显著地增大。这一现象无法用凹凸理论来解释凹凸理论来解释 。 60 这种理论这种理论可以解释可以解释光光 滑接触表面间摩擦力和接滑接触表面间摩擦力和接 触面积成正比以及与表面触面积成正比以及与表面 质量成正比的原因。质量成正比的原因。 摩擦产生的原因是由于接触面分子相互吸引的结果。摩擦产生的原因是由于接

36、触面分子相互吸引的结果。 物体表面物体表面越光滑越光滑，实际接触面积就越大，接触面间的距离，实际接触面积就越大，接触面间的距离 也就越小，分子吸引力就越强，因此，也就越小，分子吸引力就越强，因此，滑动摩擦力也就越滑动摩擦力也就越 大。大。 2 2、分子吸附理论、分子吸附理论 现象：现象：表面光表面光摩擦减小摩擦减小进一步提高光洁度进一步提高光洁度 （分子吸力）（分子吸力）摩擦增大摩擦增大 61 如果固体断面如果固体断面相当光滑相当光滑，接合点就会多，接合点就会多 一些，两固体的粘附作用就会明显。或者使一些，两固体的粘附作用就会明显。或者使 其中一固体很薄其中一固体很薄( (薄膜薄膜) )，它和

37、另一固体容易，它和另一固体容易 吻合，也可表现出较大的吸附力。吻合，也可表现出较大的吸附力。 因此，玻璃间的粘附只有新拉制的因此，玻璃间的粘附只有新拉制的玻璃玻璃丝丝 才能显示出来，用新拉制的才能显示出来，用新拉制的玻璃玻璃棒棒就不行，就不行， 因为后者接触面积太小，又是刚性的，不可因为后者接触面积太小，又是刚性的，不可 能粘住。能粘住。 62 这种理论的前提条件是接触这种理论的前提条件是接触 点上的点上的单位压力非常大单位压力非常大。这。这 些点发生粘着和焊合。些点发生粘着和焊合。 摩擦过程就是粘着、剪断与滑移交替进行的过程（摩擦力摩擦过程就是粘着、剪断与滑移交替进行的过程（摩擦力 是剪断金

38、属粘着所需要的剪切力。）是剪断金属粘着所需要的剪切力。） 3 3、粘着理论、粘着理论 63 综合这三种理论，摩擦过程中，摩擦力的主要 原因是，机械的啮合，分子间的吸引，微凸体的粘 着这些因素的综合反映。 由于金属表面的形态、组织和工作条件不同， 这些原因各自所起作用的大小不同，因而表现出不 同的摩擦效应。 64 第三节第三节 摩擦系数及其影响因素摩擦系数及其影响因素金 属 塑 性 成 形 原 理 第 四 章 金 属 塑 性 成 形 中 的 摩 擦 v一、摩擦系数一、摩擦系数 1、库仑摩擦条件 不考虑接触面不考虑接触面粘合粘合现象（即全滑动），认为摩擦符合现象（即全滑动），认为摩擦符合 库仑定律

39、，库仑定律， 其内容如下：其内容如下： 摩擦力与作用于摩擦表面的垂直压力成正比例，与摩摩擦力与作用于摩擦表面的垂直压力成正比例，与摩 擦表面的大小无关；擦表面的大小无关； 摩擦力与滑动速度无关；摩擦力与滑动速度无关； 静摩擦系数大于动摩擦系数。静摩擦系数大于动摩擦系数。 65 T T摩擦力；摩擦力； 摩擦切应力；摩擦切应力； n n 接触面上的正应力接触面上的正应力 n PT n 数学表达式为数学表达式为 由于摩擦系数为常数（由试验确定），故称为由于摩擦系数为常数（由试验确定），故称为常摩擦系数常摩擦系数 定律定律。 66 这个定律里库仑先生在两百多年前结合实验得出的，这个定律里库仑先生在两百

40、多年前结合实验得出的， 它对一般的它对一般的工程问题比较适用工程问题比较适用。但是它还有在一定的局限。但是它还有在一定的局限 性。性。 当摩擦表面非常光滑时当摩擦表面非常光滑时很小，摩擦力反而增加。这与很小，摩擦力反而增加。这与 定律矛盾。定律矛盾。 当摩擦面承受很大的压力时，摩擦力与法向载荷不成比当摩擦面承受很大的压力时，摩擦力与法向载荷不成比 例关系。例关系。 静摩擦系数大于动摩擦系数，静摩擦系数大于动摩擦系数，有某些粘弹性材料，它的有某些粘弹性材料，它的 静摩擦系数不一定大于动摩擦系数。静摩擦系数不一定大于动摩擦系数。 摩擦力的大小与接触面积无关。摩擦力的大小与接触面积无关。 摩擦力与两

41、接触面相对滑动速度无关。摩擦力与两接触面相对滑动速度无关。 67 2 2、最大摩擦力条件（、最大摩擦力条件（完全处于粘合状态完全处于粘合状态） K max Y n 这时这时 极限为：极限为： 577. 05 . 0 Y K 式中式中=0.5 Tresca=0.5 Tresca条件下最大摩擦系数。条件下最大摩擦系数。 =0.577=0.577MisesMises条件下最大摩擦系数条件下最大摩擦系数 当接触表面没有相对当接触表面没有相对滑动滑动，完全处于，完全处于粘合状态粘合状态时，摩擦切应力（时，摩擦切应力（ ）等于）等于变形金属流动变形金属流动时的临界切应力时的临界切应力K K。摩擦切应力。摩

42、擦切应力不能随不能随n n的的 增大无限制地增大。增大无限制地增大。 被加工金属的接触面将产生被加工金属的接触面将产生塑性流动塑性流动，n n=Y=Y（拉伸屈服强度）（拉伸屈服强度） 根据屈服准则：根据屈服准则： YK) 3 1 2 1 ( 68 3 3 常摩擦力条件常摩擦力条件 mK Y TrescaTresca m 3 3 Mises Mises 2 m 认为接触间的认为接触间的摩擦应力摩擦应力，不随正压力大小而变化，摩擦力，不随正压力大小而变化，摩擦力 是小于其最大剪应力是小于其最大剪应力K K的常数。的常数。 式中式中m m为摩擦因子，是随变形条件而变的常数，为摩擦因子，是随变形条件而

43、变的常数，m m的变化范的变化范 围为围为0 01 1。有时为了应用上的方便，可将常摩擦力条件写。有时为了应用上的方便，可将常摩擦力条件写 成和库仑摩擦力相似的形式。成和库仑摩擦力相似的形式。 材料材料2009-5.42009-5.4第第1111周周1-21-2节节 69 v二、影响摩擦系数的主要因素二、影响摩擦系数的主要因素 1 1、金属化学成分、金属化学成分 一般认为硬度越高，耐磨性越好。钢的含碳量及合一般认为硬度越高，耐磨性越好。钢的含碳量及合 金元素增加，材料越硬，金元素增加，材料越硬，越小。越小。 这主要受材料接触面粘合性影响。例如，在同样外这主要受材料接触面粘合性影响。例如，在同样

44、外 界条件中，铝与钢接触时的摩擦系数要大于钢与钢界条件中，铝与钢接触时的摩擦系数要大于钢与钢 接触时的摩擦系数。接触时的摩擦系数。 例如：把例如：把很软很软的金属铟半球用的金属铟半球用1N1N的压力压到钢的压力压到钢 上，则必须使用上，则必须使用1N1N的力才能把它们分开，而把铟的力才能把它们分开，而把铟 球换球换为铜球为铜球，球就会马上松开。，球就会马上松开。 70 71 2 2、表面质量、表面质量 表面质量越好，表面质量越好，小。小。 一般来说，在塑性变形中，毛坯和模具表面一般来说，在塑性变形中，毛坯和模具表面 加工的粗糙度都有限，不会出现由于分子吸附加工的粗糙度都有限，不会出现由于分子吸

45、附 力增加，而使摩擦系数增加的现象，因此尽可力增加，而使摩擦系数增加的现象，因此尽可 能减少表面粗糙度值，来减少摩擦系数。能减少表面粗糙度值，来减少摩擦系数。 72 3 3、接触面上单位压力、接触面上单位压力 单位正压应力单位正压应力n n较小时，表面分子吸附作较小时，表面分子吸附作 用不明显，用不明显，可认为是常数。可认为是常数。 随随n n增加而增大，当增加而增大，当 n n达到一定程度达到一定程度 后，后，趋于稳定。趋于稳定。 73 金 属 塑 性 成 形 原 理 第 四 章 金 属 塑 性 成 形 中 的 摩 擦 随温度随温度T T增高而增大，当增高而增大，当T T达到一定值时，达到一

46、定值时，又又 下降。下降。 主要原因：主要原因： 低温时低温时，随温度，随温度T T增加，金属表面粘附的氧化膜增加，金属表面粘附的氧化膜 质地较硬，氧化膜增厚，质地较硬，氧化膜增厚，增大。增大。 温度升高时，金属的强度降低、温度升高时，金属的强度降低、又下降。又下降。 高高温时温时，随着温度继续升高，氧化皮，随着温度继续升高，氧化皮变软或脱变软或脱 落落，可能熔化而从固相变为液相，形成一层隔绝，可能熔化而从固相变为液相，形成一层隔绝 层，起到了润滑作用，层，起到了润滑作用，又减少。又减少。 4、变形温度、变形温度 74 变形速度增加，摩擦系数下降：变形速度增加，摩擦系数下降： 干摩擦时，变形速

47、度增加，表面凹凸部分来干摩擦时，变形速度增加，表面凹凸部分来 不及相互咬合，导致摩擦系数下降。不及相互咬合，导致摩擦系数下降。 边界摩擦时条件下，变形速度增加，油膜厚边界摩擦时条件下，变形速度增加，油膜厚 度增大，润滑条件得到改善，从而使摩擦系数度增大，润滑条件得到改善，从而使摩擦系数 下降。下降。 5 5、变形速度、变形速度 75 第四节第四节 摩擦系数的测定方法摩擦系数的测定方法 一、夹钳一、夹钳轧制法轧制法 这种方法的基本原理是利用轧制时力的平衡这种方法的基本原理是利用轧制时力的平衡 条件来测定摩擦系数。条件来测定摩擦系数。 实验时用钳子夹住板材的实验时用钳子夹住板材的 未轧入部分，钳子

48、的另一未轧入部分，钳子的另一 端与弹簧测力仪相连，由端与弹簧测力仪相连，由 弹簧测力仪可测得轧辊打弹簧测力仪可测得轧辊打 滑时的滑时的水平力水平力T T。 76 推导过程：推导过程： 轧辊打滑时水平方向上力的平衡公式，对板料：轧辊打滑时水平方向上力的平衡公式，对板料： 2 cos2 2 sin2 nn PPT 2 2 cos2 tg P T n 77 P Pn n可以由测定可以由测定轧轧锟锟轧轧制力制力P P求出，对轧锟：求出，对轧锟： 2 sin 2 cos nn PPP 2 由于 很小， 2 sin n P 可省略 2 cos n PP 故 2 cos P P n Pn 78 求咬角求咬角

49、，由几何关系知：，由几何关系知： 由于Pn、T可测得，由 2 2 cos2 tg P T n 即可求出摩擦系数 2 2 2 2 1sin R hH R hH R hH R 上式第二项可以忽略， R hH sin 79 夹钳夹钳轧制法的轧制法的特点： 简单； 比较准确。 可用来测定冷、热态下的摩擦系数。 80 1 1、原理：它的主要原理是依据圆环内径的变化随、原理：它的主要原理是依据圆环内径的变化随 摩擦系数而变化。摩擦系数而变化。 二、圆环镦粗法二、圆环镦粗法 81 圆环镦粗法是把一定尺寸的圆环试样放在平砧上圆环镦粗法是把一定尺寸的圆环试样放在平砧上 镦粗。由于试样接触摩擦系数的不同，圆环镦粗

50、。由于试样接触摩擦系数的不同，圆环内、内、 外径在压缩过程中将有不同的变化。外径在压缩过程中将有不同的变化。 在任何情况下在任何情况下，外径总是增大的，外径总是增大的，而内径随，而内径随 摩擦系数而变化，或增大或缩小。摩擦系数而变化，或增大或缩小。 82 当当=0=0时，时，圆环圆环内外径都增内外径都增 加达到最大值。加达到最大值。 当当很小时，很小时，圆环圆环内外径都内外径都 增加，但内外径扩大量逐渐增加，但内外径扩大量逐渐 减少。减少。 当当增加，并超过某一定值，增加，并超过某一定值， 内径开始减少，而外径扩大。内径开始减少，而外径扩大。 在在圆环圆环 中就会出现一个以中就会出现一个以Rn

51、Rn 为为 半径的分流面。半径的分流面。 分流面以外的金属向外流分流面以外的金属向外流 动；动； 分流面以内的金属向内流分流面以内的金属向内流 动。动。 83 用上限法或应力分析法可求出用上限法或应力分析法可求出分流面半径分流面半径RnRn、摩擦系数摩擦系数和和 圆环尺寸圆环尺寸的理论关系，绘出理论的理论关系，绘出理论校正校正曲线。曲线。 84 2 2、实验步骤、实验步骤 此方法特点：此方法特点： 简单；简单； 不需要测定压力；不需要测定压力； 不需要制备许多压头和试件。不需要制备许多压头和试件。 （1 1）制成规定尺寸的试样（外径：内径：高）制成规定尺寸的试样（外径：内径：高 =20:10:

52、7=20:10:7） （2 2）根据所定的摩擦条件，在平砧间多次镦粗，）根据所定的摩擦条件，在平砧间多次镦粗， 每次取很小的压下量，记录试件高度每次取很小的压下量，记录试件高度h h和内径和内径didi。 （3 3）由测出的试件高度）由测出的试件高度h h和内径和内径didi。根据理论。根据理论 校正曲线查出摩擦系数值。校正曲线查出摩擦系数值。 85 金 属 塑 性 成 形 原 理 第 四 章 金 属 塑 性 成 形 中 的 摩 擦 第五节第五节 金属塑性成形用的润滑剂金属塑性成形用的润滑剂 塑性成形润滑的目的塑性成形润滑的目的 1 1、降低接触表面的摩擦力。、降低接触表面的摩擦力。 2 2、

53、提高模具寿命。、提高模具寿命。 3 3、提高产品质量。、提高产品质量。 4 4、降低变形抗力。、降低变形抗力。 5 5、提高金属充满模膛的能力。、提高金属充满模膛的能力。 润滑是减少摩擦对塑性成形过程中润滑是减少摩擦对塑性成形过程中不良影响不良影响的最有效的最有效 措施。措施。 86 一、塑性成形对润滑剂的要求一、塑性成形对润滑剂的要求 1 1、耐压性：、耐压性： 要求在高压作用下，润滑膜仍然吸附在接触表面上要求在高压作用下，润滑膜仍然吸附在接触表面上 2 2、耐热性：、耐热性：在高温下不分解、不失效。在高温下不分解、不失效。 要求润滑剂在加工时，不分解不变质。要求润滑剂在加工时，不分解不变质

54、。 3 3、冷却模具作用：、冷却模具作用： 实际生产中，由于模具连续工作，模具表面温度势必升高实际生产中，由于模具连续工作，模具表面温度势必升高 。为了降低模具温度，避免模具过热，提高模具使用寿命。为了降低模具温度，避免模具过热，提高模具使用寿命 ，要求润滑剂有冷却作用。，要求润滑剂有冷却作用。 4 4、无腐蚀、无毒、不污染、无腐蚀、无毒、不污染 5 5、清理方便，价格低廉、清理方便，价格低廉 87 塑性成形时常用的润滑剂塑性成形时常用的润滑剂 固体润滑剂固体润滑剂 动物油动物油 &二、塑性成形时常用的润滑剂二、塑性成形时常用的润滑剂 &两大类：两大类：液体润滑剂；液体润滑剂；固体润滑剂。固体

55、润滑剂。 液体润滑剂液体润滑剂 矿物油矿物油 植物油植物油 乳液乳液 石墨石墨 二硫化钼二硫化钼 玻璃玻璃 肥皂类肥皂类 盐类盐类 金金 属属 塑塑 性性 成成 形形 原原 理理 第第 四四 章章 金金 属属 塑塑 性性 成成 形形 中中 的的 摩摩 擦擦 88 矿物油主要是指机油。矿物油主要是指机油。 特点：化学成分稳定，但摩擦系数比动、植物油大，特点：化学成分稳定，但摩擦系数比动、植物油大， 常常给机油加入各种添加剂制成所需要的润滑油。常常给机油加入各种添加剂制成所需要的润滑油。 （热处理常用机油淬火）（热处理常用机油淬火） 动、植物油主要有猪油动、植物油主要有猪油、牛油、鲸油、芝麻油、棉

56、、牛油、鲸油、芝麻油、棉 子油等。子油等。 特点：它们的润滑性良好，但化学成分不稳定，还带特点：它们的润滑性良好，但化学成分不稳定，还带 有酸性腐蚀。有酸性腐蚀。 乳液是一种可溶性的矿物油与水均匀混合的两相系。乳液是一种可溶性的矿物油与水均匀混合的两相系。 由矿物油、乳化剂、石蜡、肥皂和水组成。由矿物油、乳化剂、石蜡、肥皂和水组成。 特点特点: :除润滑作用外，对模具有较好的冷却作用。除润滑作用外，对模具有较好的冷却作用。 （一）（一） 液体润滑剂液体润滑剂 89 塑性加工时，要根据不同的加工条件，选塑性加工时，要根据不同的加工条件，选 择不同择不同粘度的油粘度的油。一般来说，板料厚，变。一般

57、来说，板料厚，变 形程度大，加工速度低时采用粘度较大的形程度大，加工速度低时采用粘度较大的 油，反之，则采用粘度较小的油。油，反之，则采用粘度较小的油。 90 &（二）（二） 固体润滑剂固体润滑剂 石墨是石墨是C C的一种结晶形态，具的一种结晶形态，具 有六方晶格。有六方晶格。WcWc=100%=100% 石墨本身的强度和塑性非常石墨本身的强度和塑性非常 低。（低。（bb=20MPa=20MPa；00） 石墨：石墨：具有六方晶格系的层状结构，有油脂感具有六方晶格系的层状结构，有油脂感。有良好。有良好 的导热性和热稳定性，基本上不受滑动速度影响，的导热性和热稳定性，基本上不受滑动速度影响，在在

58、0.050.050.190.19范围内，它的润滑机理主要是由于石墨层与层范围内，它的润滑机理主要是由于石墨层与层 之间的结合力弱，容易产生滑移。（同一层的原子间距之间的结合力弱，容易产生滑移。（同一层的原子间距 1.21.2，层与层之间的原子间距，层与层之间的原子间距3.353.35。）。） 91 &二硫化钼二硫化钼：吸附力强，润滑性良好，：吸附力强，润滑性良好， 一定的热稳定性。一定的热稳定性。 它的润滑机理是相邻晶格间硫原子层结合它的润滑机理是相邻晶格间硫原子层结合 力弱，容易产生滑移。力弱，容易产生滑移。 92 玻璃：玻璃：没有固定的熔点，温度增加没有固定的熔点，温度增加逐渐逐渐 软化软

59、化 最后熔化为液态，使最后熔化为液态，使下降。下降。 优点：优点：玻璃的玻璃的耐热性好、化学稳定性好，耐热性好、化学稳定性好， 来源广，价格低廉。来源广，价格低廉。 缺点：加工后，零件和模具表面上会附上缺点：加工后，零件和模具表面上会附上 一层玻璃，不易清除。一层玻璃，不易清除。 93 &肥皂类肥皂类：包括硬脂酸钠、硬脂酸锌及：包括硬脂酸钠、硬脂酸锌及 一般肥皂，常用于有色金属的冷挤压、一般肥皂，常用于有色金属的冷挤压、 拉拔等工艺，以及钢坯皂化处理工艺。拉拔等工艺，以及钢坯皂化处理工艺。 &盐类盐类：常用硼砂、氧化钠等盐类。特：常用硼砂、氧化钠等盐类。特 点：热稳定性好。点：热稳定性好。 9

60、4 总结：总结： 石墨：石墨：=0.05-0.19 =0.05-0.19 空气中好空气中好 二硫化钼：二硫化钼：=0.12-0.15 =0.12-0.15 真空中好真空中好 玻璃：高温下使用，玻璃：高温下使用，T=450-2200T=450-2200，不易清除。，不易清除。 肥皂类：硬脂酸钠、硬脂酸锌、肥皂等肥皂类：硬脂酸钠、硬脂酸锌、肥皂等 盐类：硼砂、氯化钠、碳酸钾、磷酸盐（高温成形下用）盐类：硼砂、氯化钠、碳酸钾、磷酸盐（高温成形下用） 矿物油矿物油植物油植物油动物油动物油乳液乳液 机油机油蓖麻油蓖麻油猪、牛猪、牛矿油矿油+ +乳化剂乳化剂+ + 石蜡石蜡+ +肥皂水肥皂水 大大小小小小