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1、金属塑性加工中的摩擦与润滑本讲稿第一页，共十九页 5.1 5.1 金属塑性加工中的摩擦特点与影响金属塑性加工中的摩擦特点与影响1 1 塑性成形时摩擦的特点塑性成形时摩擦的特点1）接触面单位压力大接触面单位压力大热加工热加工:100150MPa，冷加工，冷加工:502500MPa。润滑剂难以带入或易从变形区挤出，即润滑困难及润滑。润滑剂难以带入或易从变形区挤出，即润滑困难及润滑方法特殊。方法特殊。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：8001200，冷加工：，冷加工：200300。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）接触面
2、更新和分区接触面更新和分区工具与金属间接触条件改变。接触面上各处塑性流动工具与金属间接触条件改变。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。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，工具无塑性变形、组织不发生变化；工件较大塑性变形。二者性质与作用差异大，变形摩擦特殊。大塑性变形。二者性质与作用差异大，变形摩擦特殊。本讲稿第二页，共十九页2 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外摩擦大多数有害，主要为：外摩擦大多数有害，主要为：1 1）改变物体应力状态改变物体应力
3、状态，增加变形抗力和能耗增加变形抗力和能耗。一般。一般情况下，摩擦加大使负荷增加情况下，摩擦加大使负荷增加30%30%。2 2）引起工件变形与应力分布不均匀引起工件变形与应力分布不均匀 3 3）恶化工件表面质量恶化工件表面质量4 4）加速模具磨损加速模具磨损，降低工具寿命。，降低工具寿命。本讲稿第三页，共十九页5.1.2 5.1.2 外摩擦在压力加工中的作用外摩擦在压力加工中的作用应用摩擦改善生产应用摩擦改善生产1 1）增大摩擦改善轧制过程咬入条件）增大摩擦改善轧制过程咬入条件2 2）增大冲头与板片间摩擦，减少起皱和撕裂）增大冲头与板片间摩擦，减少起皱和撕裂本讲稿第四页，共十九页5.2 5.2
4、 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1.1.摩擦分类摩擦分类 1)1)干摩擦干摩擦 金属与工具的接触表面之间不存任何外来介质，即金属与金属金属与工具的接触表面之间不存任何外来介质，即金属与金属直接接触时所产生的摩擦。直接接触时所产生的摩擦。通常指不加润滑剂的摩擦状态。通常指不加润滑剂的摩擦状态。库仑摩擦条件库仑摩擦条件F=NF=N 或或=n=n，max=0.50.577式中式中 F F为摩擦力；为摩擦力；为外摩擦系数；为外摩擦系数；N N为垂直于接触面正压力；为垂直于接触面正压力；nn为接触面上的正应力；为接触面上的正应力；为接触面上的摩擦切应力。为接触面上的摩擦切应
5、力。本讲稿第五页，共十九页粘着摩擦理论：粘着摩擦理论：F=sF=sb b式中式中 F F为摩擦力；为摩擦力；s s为为粘着点处实际剪切面积粘着点处实际剪切面积；b b较软金属较软金属剪切强度。剪切强度。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）接触面间的摩擦力不随正压力大小而变。其单位摩擦力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，是常数，即表达式为：即表达式为：=m=mk k 式中，式中，m m为摩擦因子，（为摩擦因子，（01.0）k k为为临界切应力临界切应力本讲稿第六页，共十九页2 2流体摩擦流体摩擦当金属与工具表面之间上加入润滑层较厚，摩擦副在相
6、互当金属与工具表面之间上加入润滑层较厚，摩擦副在相互运动中不直接接触，完全由润滑油膜隔开，摩擦发生在流体内运动中不直接接触，完全由润滑油膜隔开，摩擦发生在流体内部分子之间。部分子之间。特点：摩擦力大小与接触面的表面状态无关，与流体的粘度、特点：摩擦力大小与接触面的表面状态无关，与流体的粘度、速度梯度等因素有关。流体摩擦的摩擦系数很小。速度梯度等因素有关。流体摩擦的摩擦系数很小。式中：式中：为层间流体的粘度为层间流体的粘度 dv/dz dv/dz速度梯度速度梯度动压润滑：动压润滑：=0.005-0.02=0.005-0.02本讲稿第七页，共十九页3边界摩擦坯料与工具之间的接触表面厚度小于坯料与工
7、具之间的接触表面厚度小于1m润滑膜润滑摩擦状润滑膜润滑摩擦状态，态，=0.050.15。随着接触压力的增加，坯料表面凸起部分被压平，润滑剂被随着接触压力的增加，坯料表面凸起部分被压平，润滑剂被挤入凹坑中，被封存在里面挤入凹坑中，被封存在里面,这时在压平部分与模具之间存在一层这时在压平部分与模具之间存在一层极薄的润滑膜，这种润滑膜一般是一种流体的单分子膜，接触表极薄的润滑膜，这种润滑膜一般是一种流体的单分子膜，接触表面就处在被这种单分子膜隔开的状态，这种单分子膜润滑的状态面就处在被这种单分子膜隔开的状态，这种单分子膜润滑的状态称为边界润滑。称为边界润滑。a)干摩擦 b)边界摩擦 c)流体摩擦本讲
8、稿第八页，共十九页5.3 减少摩擦的措施减少摩擦的措施1.金属的种类和化学成分金属的种类和化学成分5.3.15.3.1影响摩擦的主要因素影响摩擦的主要因素同种材料，化学成分变同种材料，化学成分变化时，摩擦系数不同。钢中化时，摩擦系数不同。钢中的碳含量增加时，摩擦系数的碳含量增加时，摩擦系数会减小。随着合金元素的增会减小。随着合金元素的增加，摩擦系数下降。粘附性加，摩擦系数下降。粘附性较强金属具有较大的摩擦系较强金属具有较大的摩擦系数数,硬度、强度越高，摩擦硬度、强度越高，摩擦系数就越小系数就越小软钢为软钢为0.170.17；铝为；铝为0.180.18；黄；黄铜为铜为0.100.10，电解铜为，
9、电解铜为0.170.17本讲稿第九页，共十九页2.2.工具材料及其表面状态工具材料及其表面状态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%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金属陶瓷轧辊的摩擦系数比硬质合金辊降低1020%。工具表面状态工具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0.050.5范围内变化。范围内变化。工具表面光洁度越
10、高，摩擦系数越小。但如果两个接触面光洁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。度都非常高，由于分子吸附作用增强，反使摩擦系数增大。本讲稿第十页，共十九页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，表面分子吸单位压力较小，表面分子吸附作用不明显，摩擦系数与附作用不明显，摩擦系数与正压力无关，摩擦系数认为正压力无关，摩擦系数认为是是常数常数。当单位压力增加到一定数值当单位压力增加到一定数值后，润滑剂被挤掉或表面膜后，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，即摩使分子吸
11、附作用增强，即摩擦系数随压力增加而增加，擦系数随压力增加而增加，但增加到一定程度后趋于但增加到一定程度后趋于稳稳定定。正压力对摩擦系数的影响正压力对摩擦系数的影响本讲稿第十一页，共十九页温度对铜的摩擦系数的影响00.40.2400600800 温度对钢的摩擦系数的影响0.40.24006008002000.10.30.54 4 变形温度变形温度两个相反的结果：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，导致摩擦系数的增加。
12、擦系数的增加。大量实验结果表明：开始时摩擦系数随温度大量实验结果表明：开始时摩擦系数随温度升高而增加升高而增加，达到最大，达到最大值以后又随温度值以后又随温度升高而降低升高而降低 。氧化质起润滑剂的作用氧化质起润滑剂的作用 本讲稿第十二页，共十九页5 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：与摩擦状态有关。在干摩擦原因：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，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
13、大，由于变形速度增加，油膜厚度增大，导致摩擦系数下降。但变形速度与导致摩擦系数下降。但变形速度与变形温度密切相关，影响润滑剂的变形温度密切相关，影响润滑剂的曳入效果。随着条件的不同，变形曳入效果。随着条件的不同，变形速度对摩擦系数的影响也很复杂。速度对摩擦系数的影响也很复杂。有时会得到相反的结果。有时会得到相反的结果。纯铝轧制时轧制速度对摩擦系数影响1压下率60%，润滑油中无添加剂2压下率60%，润滑油中加入酒精3压下率25%，润滑油中加入酒精本讲稿第十三页，共十九页6.6.润滑剂润滑剂润滑剂作用润滑剂作用:防粘减摩防粘减摩,减少工模具磨损。减少工模具磨损。不同润滑剂所起的效果不同不同润滑剂所
14、起的效果不同热挤压时的摩擦系数热挤压时的摩擦系数润润滑滑值值铜铜黄黄铜铜青青铜铜铝铝铝合金铝合金镁合金镁合金无润滑无润滑0.250.180.270.270.290.280.350.28石墨石墨+油油比上面相应数值降低比上面相应数值降低0.0300.035本讲稿第十四页，共十九页5.3.2 减少摩擦的措施减少摩擦的措施工具材料工具材料工具表面状态工具表面状态润滑剂润滑剂接触面上的单位压力接触面上的单位压力变形温度变形温度本讲稿第十五页，共十九页 5.4 5.4 摩擦系数测定摩擦系数测定钳轧制法钳轧制法 基本原理：基本原理：利用纵利用纵轧时力的平衡条件轧时力的平衡条件实验方法：用钳子夹住实验方法：
15、用钳子夹住板材的未轧入部分，钳板材的未轧入部分，钳子的另一端与测力仪相子的另一端与测力仪相联，由该测力仪可测得联，由该测力仪可测得轧辊打滑时的水平力轧辊打滑时的水平力T T。本讲稿第十六页，共十九页5.4摩擦系数测定摩擦系数测定楔形件压缩法楔形件压缩法基本原理：按照金属流动规律，接触表面金属质点沿阻力最小方向流基本原理：按照金属流动规律，接触表面金属质点沿阻力最小方向流动，在水平方向中间，一定有一个金属质点朝两个方向流动的分界面动，在水平方向中间，一定有一个金属质点朝两个方向流动的分界面中立面中立面当角已知，并在实验后能测出及的长度，即可算出摩擦系数。当角已知，并在实验后能测出及的长度，即可算出摩擦系数。斜锤间塑压楔形件本讲稿第十七页，共十九页5.4摩擦系数测定圆环镦粗法圆环镦粗法基本原理：按照金属流动规律，接触表面金属质点基本原理：按照金属流动规律，接触表面金属质点沿阻力最小方向流动，在水平方向中间，一定有一沿阻力最小方向流动，在水平方向中间，一定有一个金属质点朝两个方向流动的分界面个金属质点朝两个方向流动的分界面中立面中立面本讲稿第十八页，共十九页圆环镦粗的金属流动圆环镦粗的金属流动 a)a)变形前变形前 b)b)摩擦系数很小或为零摩擦系数很小或为零 c)c)有摩擦有摩擦 本讲稿第十九页，共十九页