第13章 金属塑性加工中的摩擦和润滑

1、 第十三章第十三章 金属塑性加工中的摩擦与润滑金属塑性加工中的摩擦与润滑本章主要内容：本章主要内容： 13.1 13.1 金属塑性加工中摩擦的特点与作用金属塑性加工中摩擦的特点与作用 13.2 13.2 金属塑性加工中的摩擦与润滑理论金属塑性加工中的摩擦与润滑理论 13.3 13.3 影响摩擦的主要因素影响摩擦的主要因素 13.4 13.4 摩擦系数测定摩擦系数测定 13.5 13.5 塑性加工的工艺润滑塑性加工的工艺润滑材料成形原理材料成形原理13.113.1金属塑性加工中摩擦的特点与作用金属塑性加工中摩擦的特点与作用13.1.1 13.1.1 塑性成形时摩擦的特点塑性成形时摩擦的特点（1

2、1）接触面单位压力大接触面单位压力大 热加工热加工:100-150MPa:100-150MPa，冷加工，冷加工500-500-2500 MPa2500 MPa。（2 2）接触面温度较高接触面温度较高 热加工温度：热加工温度：800-1200800-1200，冷加工：，冷加工：200-300 200-300 。内部组织和性能变化，表面氧化，润滑剂受影响。内部组织和性能变化，表面氧化，润滑剂受影响。（3 3）接触面更新和分区接触面更新和分区 由于高压下变形，会不断增加新由于高压下变形，会不断增加新的接触表面，的接触表面，工具与金属间接触条件改变。接触面上各处塑性流工具与金属间接触条件改变。接触面上

3、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。动不同，有滑动、粘着，有快、慢，接触面上各点摩擦不同。（4 4）摩擦副性质差别大摩擦副性质差别大 工具无塑性变形、组织不发生变工具无塑性变形、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。殊。 第十三章第十三章 金属塑性加工中的摩擦与润滑金属塑性加工中的摩擦与润滑摩擦的不利方面：摩擦的不利方面：（1 1）改变物体应力状态，增加变形改变物体应力状态，增加变形抗力和能耗。抗力和能耗。一般情况下，摩擦一般情况下，摩擦加大使负荷增加加大使负荷增加30%30%

4、。例如，平锤。例如，平锤锻造圆柱体（如图所示）。锻造圆柱体（如图所示）。（2 2）引起工件变形与应力分布不均引起工件变形与应力分布不均匀。匀。 13.1.2 13.1.2 外摩擦在压力加工中的作用外摩擦在压力加工中的作用摩擦的利用：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。间的摩擦，强化工艺，减少起皱和撕裂等造成的废品。（3 3）恶化工件表面质量，加速模具磨损，降低工具寿命。恶化工件表面质量，加速模具磨损，降低工具寿命。 13.1 13.1 金属塑性加工中摩擦的特点与作用

5、金属塑性加工中摩擦的特点与作用13.2 13.2 金属塑性加工中的摩擦与润滑理论金属塑性加工中的摩擦与润滑理论13.2.1 13.2.1 摩擦分类摩擦分类 塑性成形时的摩擦根据其性质可分为塑性成形时的摩擦根据其性质可分为干摩擦干摩擦、边界摩边界摩擦擦、流体摩擦流体摩擦；摩擦分类示意图如下所示；摩擦分类示意图如下所示: :图图13-2 13-2 摩擦分类示意图摩擦分类示意图摩擦机理摩擦机理 ：分子吸附说分子吸附说 、表面凸凹学说、粘着理论、表面凸凹学说、粘着理论第十三章第十三章 金属塑性加工中的摩擦与润滑金属塑性加工中的摩擦与润滑 （1 1）干摩擦。干摩擦。金属与工具的接触表面之间不存在任何外来

6、介质，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，如图即直接接触时所产生的摩擦称为干摩擦，如图13-2a13-2a所示。但通常所所示。但通常所说的干摩擦是指不加润滑剂的摩擦状态。说的干摩擦是指不加润滑剂的摩擦状态。 （2 2）流体摩擦。流体摩擦。金属与工具表面间加入润滑层较厚，摩擦副在相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（图互运动中不直接接触，完全由润滑油膜隔开（图13-2c13-2c），摩擦发生），摩擦发生在流体内部分子之间称为流体摩擦。在流体内部分子之间称为流体摩擦。 （3 3）边界摩擦。边界摩擦。当金属与工

7、具之间的接触表面上加润滑剂时，随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，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（图被封存在里面（图13-2b13-2b），压平部分与模具之间存在一层极薄的润），压平部分与模具之间存在一层极薄的润滑膜，其厚度约为滑膜，其厚度约为1010-6-6mmmm左右。左右。13.2.1 13.2.1 摩擦分类摩擦分类13.2 13.2 金属塑性加工中的摩擦与润滑理论金属塑性加工中的摩擦与润滑理论13.2.2 13.2.2 摩擦机理摩擦机理（1 1）表面凹凸学说表面凹凸学说 在

8、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擦产生的理论称“凹凸理论凹凸理论”或或“机械理论机械理论”。 （2 2）分子吸附学说分子吸附学说 两个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两个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

9、理论则称为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“分子分子吸附理论吸附理论”或或“分子理论分子理论”。 （3 3）粘着理论粘着理论 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。要的剪切力。 13.2 13.2 金属塑性加工中的摩擦与润滑理论金属塑性加工中的摩擦与润滑理论13.2.3 13.2.3 塑性加工时接触表面摩擦力的计算塑

10、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：假设： （1 1）库伦摩擦条件）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：律。即：1 1）摩擦力与作用于摩擦表面的垂直压力成正比例，与摩擦表面）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；的大小无关； 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。 13.2 13.2

11、 金属塑性加工中的摩擦与润滑理论金属塑性加工中的摩擦与润滑理论其数学表达式为：其数学表达式为：式中式中 F F 摩擦力；摩擦力； 外摩擦系数；外摩擦系数； N N 垂直于接触面正压力；垂直于接触面正压力； 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），故又称常摩擦系数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，此定律较适用适用。 n FN或 =n13.2 13.2 金属塑性加工中的摩擦与润滑理论金属塑性加工中的摩擦与润

12、滑理论 （2 2）最大摩擦条件）最大摩擦条件， 13.2 13.2 金属塑性加工中的摩擦与润滑理论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，摩擦应力不再增加。这时SkN固,，材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Materials Science & Engineering （3 3）摩擦力不变条件（也称常摩擦力定律）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

13、为：常数，即表达式为：式中，式中，m m为摩擦因子，为摩擦因子，m=0 - 1.0m=0 - 1.0。 13.3 13.3 影响摩擦的主要因素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：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.润滑剂润滑剂第十三章第十三章

14、 金属塑性加工中的摩擦与润滑金属塑性加工中的摩擦与润滑13.3.1 13.3.1 金属的种类和化学成分金属的种类和化学成分 摩擦系数随着不同的金属、摩擦系数随着不同的金属、不同的化学成分而异。不同的化学成分而异。同种材料，同种材料，化学成分变化时，摩擦系数不同。化学成分变化时，摩擦系数不同。钢中的碳含量增加时，摩擦系数钢中的碳含量增加时，摩擦系数会减小。随着合金元素的增加，会减小。随着合金元素的增加，摩擦系数下降。粘附性较强金属摩擦系数下降。粘附性较强金属具有较大的摩擦系数具有较大的摩擦系数, ,硬度、强度硬度、强度越高，摩擦系数就越小。越高，摩擦系数就越小。 不同种类的金属，摩擦系数不不同种

15、类的金属，摩擦系数不同。同。常温下，用光洁钢压头测得的常温下，用光洁钢压头测得的摩擦系数：软钢为摩擦系数：软钢为0. 170. 17；铝为；铝为 0.180.18；黄铜为；黄铜为0.100.10，电解铜为，电解铜为0.170.17。13.3 13.3 影响摩擦的主要因素影响摩擦的主要因素13.3.2 13.3.2 工具材料及其表面状态工具材料及其表面状态（1 1）工具材料）工具材料铸铁材料摩擦系数比钢摩擦系数低铸铁材料摩擦系数比钢摩擦系数低15%20%15%20%淬火钢的摩擦系数与铸铁的摩擦系数相近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硬质合金轧辊摩擦

16、系数比合金钢轧辊摩擦系数降低10%20%10%20%金属陶瓷轧辊的摩擦系数比硬质合金辊降低金属陶瓷轧辊的摩擦系数比硬质合金辊降低10%20%10%20%。（2 2）表面状态）表面状态工具表面精度及机加工方法不同，摩擦系数在工具表面精度及机加工方法不同，摩擦系数在0.050.50.050.5范围范围内变化。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。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 13.3 影响摩擦的主要因素影响摩擦的主要因素13.3.3 1

17、3.3.3 接触面上的单位压力接触面上的单位压力 单位压力较小单位压力较小，表面分子，表面分子吸附作用不明显，摩擦系数与吸附作用不明显，摩擦系数与正压力无关，正压力无关，摩擦系数认为是摩擦系数认为是常数常数。 当单位压力增加到一定数当单位压力增加到一定数值后值后，润滑剂被挤掉或表面膜，润滑剂被挤掉或表面膜破坏，这增加真实接触面积，破坏，这增加真实接触面积，使分子吸附作用增强，即使分子吸附作用增强，即摩擦摩擦系数随压力增加而增加，但增系数随压力增加而增加，但增加到一定程度后趋于稳定加到一定程度后趋于稳定。13.3 13.3 影响摩擦的主要因素影响摩擦的主要因素13.3.4 13.3.4 变形温度

18、（最积极，最活泼）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：生两个相反的结果：（1 1）温度增加，加剧表面的氧化而增加摩擦系数；）温度增加，加剧表面的氧化而增加摩擦系数；（2 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）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。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，达到大量

19、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最大值以后又随温度升高而降低 。13.3 13.3 影响摩擦的主要因素影响摩擦的主要因素13.3.5 13.3.5 变形速度变形速度随着变形速度增加，摩擦系数下降。随着变形速度增加，摩擦系数下降。 原因：原因：与摩擦状态有关。在干摩擦与摩擦状态有关。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，导致摩擦系数下增加，油膜厚度增大，导致摩

20、擦系数下降，如图降，如图13-713-7所示。但变形速度与变形所示。但变形速度与变形温度密切相关，影响润滑剂的曳入效果。温度密切相关，影响润滑剂的曳入效果。随着条件的不同，变形速度对摩擦系数随着条件的不同，变形速度对摩擦系数的影响也很复杂。有时会得到相反的结的影响也很复杂。有时会得到相反的结果。果。13.3 13.3 影响摩擦的主要因素影响摩擦的主要因素材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Materials Science & Engineering 13.3.6 13.3.6 润滑剂润滑剂润滑剂作用润滑剂作用: :防粘减摩防粘减摩, ,减少模具磨损。不同润滑剂所起

21、的效果不同。减少模具磨损。不同润滑剂所起的效果不同。常用的润滑剂常用的润滑剂液体润滑剂包括矿物油、动植物油、乳液等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、肥皂等固体润滑剂，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13.3 13.3 影响摩擦的主要因素影响摩擦的主要因素1313.4 .4 摩擦系数测定摩擦系数测定 夹钳轧制法夹钳轧制法 楔形件压缩法楔形件压缩法 塑性加工常用摩擦系数塑性加工常用摩擦系数 圆环镦粗法圆环镦粗法 目前，测定塑性加工中的摩擦系数的方法中，大目前，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

22、应正压力下的摩擦力，然都是利用库仑定律，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。摩擦系数测定常用的方法。第十三章第十三章 金属塑性加工中的摩擦与润滑金属塑性加工中的摩擦与润滑13.4.1 13.4.1 夹钳轧制法夹钳轧制法基本原理：基本原理：利用纵轧时力的平衡条件。利用纵轧时力的平衡条件。实验方法：实验方法：用钳子夹住板材的未轧入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，部分，钳子的另一端

23、与测力仪相联，由该测力仪可测得轧辊打滑时的水平由该测力仪可测得轧辊打滑时的水平力力T T。 轧辊打滑时，板料试样在水平轧辊打滑时，板料试样在水平方向所受的力平衡条件为：方向所受的力平衡条件为：22xxTPNsin,cos22xxPPNP其中：其中：2(cossin)22TP推出：推出：1313.4 .4 摩擦系数测定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：轧辊打滑时，板料试样在垂直方向所受的力平衡条件为：yyPNQ其中：其中：cos,sin22yyPPNP又因为：又因为：2(cossin)22TP把以上参数胡代入垂直方向的力平衡条件中，得：把以上参数胡代入垂直方向的力平衡

24、条件中，得：tancos2sin22222cossin1tan2222TTQQTQTQ式中，接触角式中，接触角 可用几关系算出：可用几关系算出：HhR由于由于T T、Q Q可测得，即求出摩擦系数可测得，即求出摩擦系数 。1313.4 .4 摩擦系数测定摩擦系数测定13.4.2 13.4.2 圆环镦粗法圆环镦粗法Dd0RnhHDd0hH图13-9 圆环镦粗时金属的流动（b）（a） 该方法是把一定尺寸的圆环试样（如该方法是把一定尺寸的圆环试样（如D D：d do o：H=H= 20 20：1010：7 7）放在平砧上镦粗。由于试样和砧面间摩擦系数的不同，圆环的放在平砧上镦粗。由于试样和砧面间摩擦系

25、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，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。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。1313.4 .4 摩擦系数测定摩擦系数测定 用上限法或应力分析法可求出分流面用上限法或应力分析法可求出分流面半径半径R Rn n、摩擦系数、摩擦系数 和圆环尺寸的理论关和圆环尺寸的理论关系式。据此可绘制成如图系式。据此可绘制成如图13-1013-10所示的理所示的理论校准曲线。论校准曲线。 欲测摩擦系数时，把试件做成图欲测摩擦系数时，把试件做成图1313-10

26、-10所示的尺寸，在特定的条件下进行多所示的尺寸，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每次镦粗后圆环的高度H H和内径和内径d do o。可利。可利用图用图13-1013-10理论校正曲线，查到欲测接触理论校正曲线，查到欲测接触面间的摩擦系数面间的摩擦系数 。1313.4 .4 摩擦系数测定摩擦系数测定13.5 .5 塑性加工的工艺润滑塑性加工的工艺润滑13.5.1 13.5.1 工艺润滑的目的及润滑机理工艺润滑的目的及润滑机理（1 1）润滑的目的）润滑的目的 降低金属变形时的能耗。降低金属变形时的能耗。 提高制品质量。提

27、高制品质量。 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。（2 2）润滑机理）润滑机理 流体力学原理流体力学原理 吸附机制吸附机制第十三章第十三章 金属塑性加工中的摩擦与润滑金属塑性加工中的摩擦与润滑（3 3）润滑剂的选择）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 润滑剂应有良好的耐压性能；润滑剂应有良好的耐压性能； 润滑剂应有良好耐高温性能；润滑剂应有良好耐高温性能； 润滑剂有冷却模具的作用；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；润滑剂应对人体无毒，

28、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。润滑剂要求使用、清理方便、来源丰富、价格便宜等。 2 2）常用润滑剂）常用润滑剂 液体润滑剂，包括矿物油、动植物油、乳液等。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。固体润滑剂，包括石墨、二硫化钼、肥皂等。 液液- -固型润滑剂，例如石墨乳液及二硫化钼（或石墨）油剂固型润滑剂，例如石墨乳液及二硫化钼（或石墨）油剂（或水剂）。（或水剂）。 熔体润滑剂，例如玻璃、沥青或石蜡。熔体润滑剂，例如玻璃、沥青或石蜡。13.5 13.5 塑性加工的工艺润滑塑性加工的工艺润滑 玻璃既是固体润滑剂，又是熔体润

29、滑剂。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：玻璃润滑剂有以下特点： 玻璃的导热性差。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（见表粘度，选用合适的玻璃成分（见表13-513-5）。）。 玻璃的化学稳定性好，和金属不起化学反应。玻璃的化学稳定性好，和金属不起化学反应。13.5 13.5 塑性加工的工艺润滑塑性加工的工艺润滑（4 4）润滑剂中的添加剂）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。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，且应具润滑油中的添加剂一般易溶于机油，热稳定性