金属塑性成形原理第四章

1、第第4 4章章 金属塑性加工的摩擦与润滑金属塑性加工的摩擦与润滑 第一节 金属塑性加工时摩擦的特点及影响第二节 塑性加工中摩擦的分类及机理 第三节描述接触表面上摩擦力的数学表达方式第四节影响摩擦系数的主要因素第五节测定外摩擦系数的方法 第六节 塑性成形中的润滑第七节 不同塑性成形条件下的摩擦系数 概述概述金属塑性加工中是在工具与工件相接触的条件下进行金属塑性加工中是在工具与工件相接触的条件下进行的，这时必然产生阻止金属流动的摩擦力。的，这时必然产生阻止金属流动的摩擦力。这种发生这种发生在工件和工具接触面间，阻碍金属流动的摩擦，称外在工件和工具接触面间，阻碍金属流动的摩擦，称外摩擦摩擦。由于摩擦

2、的作用，工具产生磨损，工件被擦伤由于摩擦的作用，工具产生磨损，工件被擦伤；金属变形力、能增加造成金属变形不均；严重时使；金属变形力、能增加造成金属变形不均；严重时使工件出现裂纹，还要定期更换工具。因此，塑性加工工件出现裂纹，还要定期更换工具。因此，塑性加工中，须加以润滑。中，须加以润滑。润滑润滑技术的开发能促进金属塑性加工的发展。随着压技术的开发能促进金属塑性加工的发展。随着压力加工新技术新材料新工艺的出现，必将要求人们解力加工新技术新材料新工艺的出现，必将要求人们解决新的润滑问题。决新的润滑问题。第一节第一节 金属塑性加工时摩擦的特点和影响金属塑性加工时摩擦的特点和影响一、塑性成形时摩擦的特

3、点一、塑性成形时摩擦的特点在高压下产生的摩擦在高压下产生的摩擦较高温度下的摩擦较高温度下的摩擦摩擦副（金属与工具）的性质相差大摩擦副（金属与工具）的性质相差大在接触面上各点的摩擦也不一样在接触面上各点的摩擦也不一样. .不断有新的摩擦产生不断有新的摩擦产生二、外摩擦在塑性加工中的影响二、外摩擦在塑性加工中的影响 摩擦的不利方面摩擦的不利方面改变物体应力状态，使变形改变物体应力状态，使变形力和能耗增加力和能耗增加引起工件变形与应力分布不引起工件变形与应力分布不均匀均匀恶化工件表面质量，加速模恶化工件表面质量，加速模具磨损，降低工具寿命具磨损，降低工具寿命摩擦的利用摩擦的利用 例如：例如：1 1、

4、用、用增大摩擦改善咬入条件增大摩擦改善咬入条件，强化轧制过程；强化轧制过程；2 2、增大冲头与板片间的摩擦，、增大冲头与板片间的摩擦，强化工艺，强化工艺，减少起皱和撕裂等造减少起皱和撕裂等造成的废品；成的废品；3 3、开式模锻时利用飞边桥部的、开式模锻时利用飞边桥部的摩擦力保证金属的充填模膛。摩擦力保证金属的充填模膛。 开式模锻的金属流动开式模锻的金属流动轧制轧制第二节第二节 塑性加工中摩擦的分类及机理塑性加工中摩擦的分类及机理外摩擦的分类外摩擦的分类 干摩擦干摩擦 流体摩擦流体摩擦边界摩擦边界摩擦摩擦机理摩擦机理 分子吸附说分子吸附说表面凸凹学说表面凸凹学说 图图4-3 摩擦分类示意图摩擦分

5、类示意图 a)干摩擦干摩擦 b)边界摩擦边界摩擦 c)流体摩擦流体摩擦干摩擦干摩擦边界摩擦边界摩擦流体摩擦流体摩擦一、一、 外摩擦的分类及机理外摩擦的分类及机理 1 1、干摩擦、干摩擦 l 干摩擦是指不存任何外来介质时金属与工具的接触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表面之间的摩擦（图（图4-3a4-3a所示）所示）。 l但干摩擦但干摩擦 在实际生产中，这种绝对理想的在实际生产中，这种绝对理想的干摩擦是不存在的。干摩擦是不存在的。l因为金属塑性加工过程中，其表面多少存因为金属塑性加工过程中，其表面多少存在氧化膜，或吸附一些气体和灰尘等其它在氧化膜，或吸附一些气体和灰尘等

6、其它介质。介质。l但通常说的干摩擦指的是不加润滑剂的摩但通常说的干摩擦指的是不加润滑剂的摩擦状态。擦状态。 2 2、流体摩擦、流体摩擦 l当金属与工具表面之间的润滑层较厚，摩擦副在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（相互运动中不直接接触，完全由润滑油膜隔开（图图4-3c4-3c），摩擦发生在流体内部分子之间者称为），摩擦发生在流体内部分子之间者称为流体摩擦。流体摩擦。l流体摩擦不同于干摩擦，摩擦力的大小与接触流体摩擦不同于干摩擦，摩擦力的大小与接触面的表面状态无关，而是与面的表面状态无关，而是与流体的粘度、速度流体的粘度、速度梯度梯度等因素有关。

7、等因素有关。l流体摩擦的摩擦系数是很小的流体摩擦的摩擦系数是很小的，塑性加工中接，塑性加工中接触面上压力和温度较高，使润滑剂常易挤出或触面上压力和温度较高，使润滑剂常易挤出或被烧掉，所以流体摩擦只在有条件的情况下发被烧掉，所以流体摩擦只在有条件的情况下发生和作用。生和作用。 3 3、边界摩擦、边界摩擦 这是一种这是一种介于干摩擦与流体摩擦之间的摩介于干摩擦与流体摩擦之间的摩擦状态擦状态，称为边界摩擦（图，称为边界摩擦（图4-3b4-3b）。）。l在实际生产中，上述三种摩擦不是截然分开的在实际生产中，上述三种摩擦不是截然分开的l塑性加工中多属边界摩擦，有时会出现混合摩擦，塑性加工中多属边界摩擦，

8、有时会出现混合摩擦，即半干摩擦和半流体摩擦即半干摩擦和半流体摩擦表面凸凹学说表面凸凹学说 所有经过机械加工的表面并非绝对平坦光滑，都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。当有不同程度的微观凸起和凹入。当凹凸不平的两个凹凸不平的两个表面相互接触时，产生机械咬合表面相互接触时，产生机械咬合。当这两个相互接。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。剪切时的变形阻力。4 4、摩擦机理、摩擦机理 图图4-4

9、接触表面凹凸不平形成机械咬合接触表面凹凸不平形成机械咬合分子吸附说分子吸附说 分子吸附学说认为：分子吸附学说认为：摩擦产生的原因是由于接触面上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。分子之间的相互吸引的结果。物体表面越光滑，实际物体表面越光滑，实际接触面积就越大，接触面间的距离也就越小，分子吸接触面积就越大，接触面间的距离也就越小，分子吸引力就越强，因此，滑动摩擦力也就越大。引力就越强，因此，滑动摩擦力也就越大。粘者理论粘者理论 观点：当两个表面接触时，接触面上某些接触点处压观点：当两个表面接触时，接触面上某些接触点处压力很大，以致发生粘接或焊合，当两表面产生相对运力很大，以致发

10、生粘接或焊合，当两表面产生相对运动时，粘接点被切断而产生相对滑动。动时，粘接点被切断而产生相对滑动。第三节第三节 描述接触表面上摩擦力的数学表达式描述接触表面上摩擦力的数学表达式 在计算金属塑性加工时的摩擦力时，分下列三种情况考虑在计算金属塑性加工时的摩擦力时，分下列三种情况考虑 1 1库仑摩擦条件库仑摩擦条件 这时不考虑接触面上的粘合现象（即这时不考虑接触面上的粘合现象（即全滑动全滑动），认为摩擦符），认为摩擦符合库仑定律。其内容如下：合库仑定律。其内容如下：（1 1）摩擦力与作用于摩擦表面的垂直压力成正比例，与摩擦表）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；面的大小

11、无关；（2 2）摩擦力与滑动速度的大小无关；）摩擦力与滑动速度的大小无关；（3 3）静摩擦系数大于动摩擦系数。）静摩擦系数大于动摩擦系数。 其数学表达式为：其数学表达式为： 或或 式中式中 T T摩擦力；摩擦力； 外摩擦系数；外摩擦系数； 垂直于接触面正压力；垂直于接触面正压力； N N 接触面上的正应力；接触面上的正应力； 接触面上的摩擦切应力。接触面上的摩擦切应力。 由于摩擦系数为常数（由实验确定），故又称常摩擦系由于摩擦系数为常数（由实验确定），故又称常摩擦系数定律。数定律。对于像拉拔及其他润滑效果较好的加工过程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。，此定律较适用。 nT

12、PNN 2 2最大摩擦条件最大摩擦条件 当接触表面没有相对滑动，完全处于粘合状当接触表面没有相对滑动，完全处于粘合状 态时，单位摩擦力（态时，单位摩擦力（ ）等于变形金属流动）等于变形金属流动 时的临界切应力时的临界切应力k k，即：，即： = = k k 3 3摩擦力不变条件摩擦力不变条件 认为接触面间的摩擦力，不随正压力大小而变。其单位摩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，即常摩擦力定律，其表达式为：擦力是常数，即常摩擦力定律，其表达式为： = =mk mk 式中，式中，m m为摩擦因子为摩擦因子 第六次第六次 作业作业P1582P1583P158419 第四节第

13、四节 摩擦系数的主要影响因素摩擦系数的主要影响因素 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：用润滑剂的种类与性能等而不同。其主要影响因素有： 1 .1 .金属的种类和化学成分金属的种类和化学成分 2.2.工具材料及其表面状态工具材料及其表面状态 3. 3. 接触面上的单位压力接触面上的单位压力 4 .4 .变形温度变形温度 5.5.变形速度变形速度 6 .6 .润滑剂润滑剂凡是能提高材料的硬度、强度的化学成分凡是能提高材料的硬度、强度的化学成分都可使摩接系数减小。都可使摩接系数减

14、小。一、金属的种类和化学成分金属的种类和化学成分n表面越光滑，摩擦系数越小表面越光滑，摩擦系数越小n工具表面粗糙度在各个方向不同，各方工具表面粗糙度在各个方向不同，各方向的摩擦系数也不同向的摩擦系数也不同n沿加工方向的摩擦系数比垂直加工方向沿加工方向的摩擦系数比垂直加工方向摩擦系数约小摩擦系数约小20%22二、工具材料及其表面状态工具材料及其表面状态三、接触面上的单位压力接触面上的单位压力n单位压力较小，摩擦系数保持不变单位压力较小，摩擦系数保持不变n单位压力增大到一定数值后，摩擦系数单位压力增大到一定数值后，摩擦系数随单位压力的增大而上升；上升到一定随单位压力的增大而上升；上升到一定程度后又

15、趋于稳定程度后又趋于稳定24n变形温度较低，摩擦系数随变形温度的升高而升高n温度到达某一值，摩擦系数达到最大值n之后随温度的升高，摩擦系数下降25四、变形温度五、变形速度摩擦系数随变形速度增加而下降摩擦系数随变形速度增加而下降图4-8第五节第五节 测定外摩擦系数的方法测定外摩擦系数的方法 夹钳轧制法夹钳轧制法楔形件压缩法楔形件压缩法圆环镦粗法圆环镦粗法 1.夹钳轧制法22cos2tgPTnkhH sin简单易做，也比较精确，可用来测定冷、热态下的摩擦系数。简单易做，也比较精确，可用来测定冷、热态下的摩擦系数。 )(2)(ccccLLLL2.2.楔形件压缩法楔形件压缩法与轧制过程及一般的平锤下镦

16、粗相似，应用较方便，主要困难是在与轧制过程及一般的平锤下镦粗相似，应用较方便，主要困难是在于于较难准确的确定中立面的位置及精确的测定较难准确的确定中立面的位置及精确的测定有关数据。有关数据。 此法较简单，此法较简单，不需测定压力不需测定压力，也不需制备许多压头和试件。，也不需制备许多压头和试件。可测定各种温度、速度条件下的摩擦系数，应用广泛。但由可测定各种温度、速度条件下的摩擦系数，应用广泛。但由于圆环试件在于圆环试件在镦粗时会出现鼓形镦粗时会出现鼓形。环孔出现椭圆形等，引起。环孔出现椭圆形等，引起测量上的误差，影响结果的精确性。测量上的误差，影响结果的精确性。高度高度内内径径第六节第六节 塑

17、性加工的工艺润滑塑性加工的工艺润滑工艺润滑的目的及润滑机理工艺润滑的目的及润滑机理 一一. . 润滑的目的润滑的目的: :减少工模具磨损，延长工具使用寿命减少工模具磨损，延长工具使用寿命提高制品质量提高制品质量降低金属变形时的能耗降低金属变形时的能耗 二二. . 润滑机理润滑机理: :流体力学原理流体力学原理所谓所谓润滑剂的润滑剂的活性活性，就是润滑剂中的极性分子在摩擦表，就是润滑剂中的极性分子在摩擦表面形成结实的保护层的能力。它决定润滑剂的润滑性能面形成结实的保护层的能力。它决定润滑剂的润滑性能及与摩擦物体之间吸引力的大小。当润滑剂中有极性的及与摩擦物体之间吸引力的大小。当润滑剂中有极性的物

18、质存在时，会减少纯溶剂的表面张力，而加强金属（物质存在时，会减少纯溶剂的表面张力，而加强金属（工具与变形物体）与润滑剂分子间的吸附力。工具与变形物体）与润滑剂分子间的吸附力。所谓所谓润滑剂的润滑剂的粘度粘度，是指润滑剂本身粘、稠的程度。它，是指润滑剂本身粘、稠的程度。它是衡量润滑油流动阻力的参数，是衡量润滑油流动阻力的参数，吸附机制吸附机制三、润滑剂的选择三、润滑剂的选择 1 1塑性成形中对润滑剂的要求塑性成形中对润滑剂的要求在选择及配制润滑剂时，在选择及配制润滑剂时，必符合下列要求：必符合下列要求：（1 1）润滑剂应有良好的）润滑剂应有良好的耐压性能耐压性能，在高压作用下，润滑膜，在高压作用

19、下，润滑膜仍能吸附在接触表面上，保持良好的润滑状态；仍能吸附在接触表面上，保持良好的润滑状态；（2 2）润滑剂应有良好）润滑剂应有良好耐高温耐高温性能，在热加工时，润滑剂应性能，在热加工时，润滑剂应不分解，不变质；不分解，不变质；（3 3）润滑剂有）润滑剂有冷却模具冷却模具的作用；的作用；（4 4）润滑剂）润滑剂不应对金属和模具有腐蚀不应对金属和模具有腐蚀作用；作用；（5 5）润滑剂应对人体无毒，不污染环境；）润滑剂应对人体无毒，不污染环境；（6 6）润滑剂要求使用、清理方便、来源丰富、价格便宜等）润滑剂要求使用、清理方便、来源丰富、价格便宜等。2 2常用的润滑剂常用的润滑剂液体润滑剂液体润滑剂包括矿物油、动植物油、乳液等包括矿物油、动植物油、乳液等固体润滑剂固体润滑剂，常温下固态包括石墨、二硫化钼、肥皂等，常温下固态包括石墨、二硫化钼、肥皂等液液- -固型润滑剂固型润滑剂熔体润滑剂熔体润滑剂 四四. . 润滑剂中的添加剂润滑剂中的添加剂 润滑油中的添加剂，一般应易润滑油中的添加剂，一般应易溶于机油，热稳定性要好溶于机油，热稳定性要好，且应具有良好的物理化学性能。且应具有良好的物理化学性能。 常用的添加剂有常用的添加剂有油性剂、极压剂