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1、第四章金属塑性加工的摩擦与润滑第一页，本课件共有63页4.1 概述第二页，本课件共有63页金属塑性成形中的材料表面形貌第三页，本课件共有63页（1）按产生摩擦的部位）按产生摩擦的部位(外外)摩擦摩擦：发生在金属和工具相接触面间，发生在金属和工具相接触面间，阻碍金属自由流动的摩擦。阻碍金属自由流动的摩擦。内摩擦内摩擦：变形金属内晶界面上或晶内滑移变形金属内晶界面上或晶内滑移 面上产生的摩擦。面上产生的摩擦。金属塑性成形中的摩擦分类第四页，本课件共有63页（2）按摩擦的运动状态）按摩擦的运动状态静摩擦和动摩擦静摩擦和动摩擦（3）按摩擦的运动形式）按摩擦的运动形式滚动摩擦和滑动摩擦滚动摩擦和滑动摩擦
2、（4）按摩擦副的材质）按摩擦副的材质各种金属材料之间、非金各种金属材料之间、非金属材料之间以及各种金属材料与非金属材料、金属属材料之间以及各种金属材料与非金属材料、金属材料与弹性材料之间的摩擦等。材料与弹性材料之间的摩擦等。第五页，本课件共有63页4.2 金属塑性加工时摩擦的特点及作用高压下的摩擦高压下的摩擦较高温度下的摩擦较高温度下的摩擦伴随着塑性变形的摩擦伴随着塑性变形的摩擦摩擦副（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4.2.1 塑性成形时摩擦的特点第六页，本课件共有63页4.2.2 外摩擦在压力加工中的作用 改变物体应力状态，使变形力和能耗增加引起工件变形与应力分布不
3、均匀恶化工件表面质量，加速模具磨损，降低工具寿命摩擦的不利方面第七页，本课件共有63页摩擦的利用摩擦的利用增大摩擦，改善增大摩擦，改善轧制过程咬入条件轧制过程咬入条件 摩擦应力促进金属的变形发展摩擦应力促进金属的变形发展 增大冲头与板片间增大冲头与板片间的摩擦，强化工艺，减少的摩擦，强化工艺，减少起皱和撕裂等造成的废品起皱和撕裂等造成的废品 Conform连续挤压法连续挤压法 开式模锻时的飞边开式模锻时的飞边第八页，本课件共有63页4.3 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 n干摩擦干摩擦 n流体摩擦流体摩擦n边界摩擦边界摩擦摩擦机理摩擦机理 n分子吸附说分子吸附说n表面凸凹学
4、说表面凸凹学说n粘着理论粘着理论第九页，本课件共有63页4.3.1 外摩擦的分类及机理 1干摩擦 不存在任何外来介质时金属与工具的接触表面之不存在任何外来介质时金属与工具的接触表面之间的摩擦间的摩擦第十页，本课件共有63页2流体摩擦 金属与工具表面之间的润滑层较厚，两摩擦副金属与工具表面之间的润滑层较厚，两摩擦副在相互运动中不直接接触，完全由润滑油膜隔在相互运动中不直接接触，完全由润滑油膜隔开，摩擦发生在流体内部分子之间开，摩擦发生在流体内部分子之间。第十一页，本课件共有63页流体摩擦的特点 n两表面在相互运动中不产生直接接触，摩擦两表面在相互运动中不产生直接接触，摩擦发生在流体内部分之间发生
5、在流体内部分之间n不同于干摩擦，摩擦力的大小与接触面状态不同于干摩擦，摩擦力的大小与接触面状态无关，而取决于润滑剂的性质（如粘度）、无关，而取决于润滑剂的性质（如粘度）、速度梯度等因素速度梯度等因素n摩擦系数很小摩擦系数很小第十二页，本课件共有63页3边界摩擦 坯料与工具之间被一层厚度约为坯料与工具之间被一层厚度约为0.1m的极薄润滑的极薄润滑油膜分开时的摩擦状态，介于干摩擦与流体摩擦油膜分开时的摩擦状态，介于干摩擦与流体摩擦之间。之间。第十三页，本课件共有63页4混合摩擦 在摩擦表面上同时存在着流体摩擦、边界摩擦和干在摩擦表面上同时存在着流体摩擦、边界摩擦和干摩擦的混合状态下的摩擦。摩擦的混
6、合状态下的摩擦。n半干摩擦：干摩擦半干摩擦：干摩擦+边界摩擦边界摩擦n半流体摩擦：边界摩擦半流体摩擦：边界摩擦+流体摩擦流体摩擦第十四页，本课件共有63页表面凸凹学说表面凸凹学说分子吸附说分子吸附说 粘着理论粘着理论 摩擦机理 第十五页，本课件共有63页摩擦是由于接触面上的凹凸形状引起的。摩擦是由于接触面上的凹凸形状引起的。当凹凸不平的两个表面相互接触时，产生当凹凸不平的两个表面相互接触时，产生机械机械咬合咬合，此时摩擦力表现为这些凸峰被剪切，此时摩擦力表现为这些凸峰被剪切时的变形阻力。时的变形阻力。1.表面凸凹学说第十六页，本课件共有63页n摩擦产生的原因是由于接触面上分子之间的相互摩擦产生
7、的原因是由于接触面上分子之间的相互吸引的结果。吸引的结果。n物体表面越光滑，实际接触面积就越大，接触面物体表面越光滑，实际接触面积就越大，接触面间的距离也就越小，分子吸引力就越强，因此，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。滑动摩擦力也就越大。2.分子吸附说第十七页，本课件共有63页n当两个表面接触时，接触面上某些接触点处压力当两个表面接触时，接触面上某些接触点处压力很大，以致发生粘着或焊合，当两表面产生相对很大，以致发生粘着或焊合，当两表面产生相对运动时，粘着点即被切断而产生滑移，摩擦过程运动时，粘着点即被切断而产生滑移，摩擦过程就是粘着、切断与滑移交替进行的过程，摩
8、擦力就是粘着、切断与滑移交替进行的过程，摩擦力是切断金属粘着所需要的切断力。是切断金属粘着所需要的切断力。3.粘着理论第十八页，本课件共有63页4.3.2 塑性加工时接触表面摩擦力的计算 1库仑摩擦条件 不考虑接触面上的粘合现象（即不考虑接触面上的粘合现象（即全滑动全滑动），认为摩），认为摩擦符合库仑定律。擦符合库仑定律。（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。第十九页，本课件共有63页说明n由于摩擦系数为常数由于摩擦系数为常数(由实验确定由实验确定)，故又称，故又称常常摩擦系数定律摩擦系数定律n摩
9、擦切应力不能随摩擦切应力不能随 的增大而无限增大。当的增大而无限增大。当 时，接触面将要产生塑性流动时，接触面将要产生塑性流动n适用于三向压应力不太显著、变形量小的冷适用于三向压应力不太显著、变形量小的冷成形工序，如拉拔及其他润滑效果较好的加成形工序，如拉拔及其他润滑效果较好的加工过程。工过程。第二十页，本课件共有63页 当接触表面没有相对滑动，完全处于粘合状态当接触表面没有相对滑动，完全处于粘合状态时，摩擦切应力（时，摩擦切应力（）等于变形金属流动时的临）等于变形金属流动时的临界切应力界切应力k，即：，即：2最大摩擦条件第二十一页，本课件共有63页说明第二十二页，本课件共有63页 认为接触面
10、间的摩擦力，不随正压力大小而变。认为接触面间的摩擦力，不随正压力大小而变。其单位摩擦力其单位摩擦力 是常数，即常摩擦力定律，其表是常数，即常摩擦力定律，其表达式为：达式为：3摩擦力不变条件第二十三页，本课件共有63页说明n适用于摩擦系数低于最大值的三向压应力显适用于摩擦系数低于最大值的三向压应力显著的塑性成形过程，如挤压、变形量大的镦著的塑性成形过程，如挤压、变形量大的镦粗、模锻以及润滑较困难的热轧等变形。粗、模锻以及润滑较困难的热轧等变形。第二十四页，本课件共有63页4.4 摩擦系数及其影响因素n库仑摩擦条件库仑摩擦条件用得比较普遍，因而讨论影用得比较普遍，因而讨论影响其摩擦系数的主要因素。
11、响其摩擦系数的主要因素。n摩擦系数通常是指接触面上的平均摩擦摩擦系数通常是指接触面上的平均摩擦系数。系数。n摩擦系数随金属性质、工艺条件、表面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状态、单位压力及所采用润滑剂的种类与性能等而不同。与性能等而不同。第二十五页，本课件共有63页4.4.1 金属的种类和化学成分 n金属表面的硬度、强度、吸附性、原子扩散能力、金属表面的硬度、强度、吸附性、原子扩散能力、导热性、氧化速度、氧化膜的性质以及与工具金导热性、氧化速度、氧化膜的性质以及与工具金属分子之间相互结合力都与化学成分有关属分子之间相互结合力都与化学成分有关n不同种类的金属
12、及不同化学成分的同一类金属，摩不同种类的金属及不同化学成分的同一类金属，摩擦系数不同擦系数不同n粘附性较强的金属通常具有较大的摩擦系数，如粘附性较强的金属通常具有较大的摩擦系数，如Pb、Al、Znn一般情况下，材料的硬度、强度越高，摩擦系数就越小。一般情况下，材料的硬度、强度越高，摩擦系数就越小。第二十六页，本课件共有63页n一般说，随着合金一般说，随着合金元素的增加，摩擦元素的增加，摩擦系数下降。系数下降。n对于黑色金属，随对于黑色金属，随着碳的质量分数的着碳的质量分数的增加，摩擦系数有增加，摩擦系数有所下降。所下降。4.4.1 金属的种类和化学成分 第二十七页，本课件共有63页4.4.2
13、工具材料及其表面状态 n工具材料：铸铁、钢、淬火钢、合金钢、硬质合金、工具材料：铸铁、钢、淬火钢、合金钢、硬质合金、金属陶瓷金属陶瓷n工具表面越光滑，即表面凹凸不平程度越轻，这工具表面越光滑，即表面凹凸不平程度越轻，这时机械咬合效应就越弱，因而摩擦系数越小。时机械咬合效应就越弱，因而摩擦系数越小。n若接触表面非常光滑，分子吸附作用增强，反而会若接触表面非常光滑，分子吸附作用增强，反而会引起摩擦系数增加，但这种情况在塑性成形中并不引起摩擦系数增加，但这种情况在塑性成形中并不常见。常见。n工具表面粗糙度在各个方向不同时，各方向的摩擦工具表面粗糙度在各个方向不同时，各方向的摩擦系数亦不相同。系数亦不
14、相同。第二十八页，本课件共有63页n单位压力较小时，摩单位压力较小时，摩擦系数与正压力无关，擦系数与正压力无关，保持不变；保持不变；n单位压力增大到一定单位压力增大到一定值后，摩擦系数随值后，摩擦系数随其增大而上升，最其增大而上升，最终趋于稳定。终趋于稳定。4.4.3 接触面上的单位压力 第二十九页，本课件共有63页n变形温度较低时，摩擦变形温度较低时，摩擦系数随变形温度升高系数随变形温度升高而增大，到某一温度，而增大，到某一温度，达最大值，此后，随达最大值，此后，随变形温度继续升高而变形温度继续升高而降低。降低。4.4.4 变形温度 第三十页，本课件共有63页纯Aln摩擦系数随变形摩擦系数随
15、变形速度增加而有所速度增加而有所下降。下降。4.4.5 变形速度 第三十一页，本课件共有63页4.4.6 润滑剂 n正确选用润滑剂，可显著降低摩擦系数。正确选用润滑剂，可显著降低摩擦系数。n查阅相关加工手册（或查阅相关加工手册（或实际测量实际测量）。）。第三十二页，本课件共有63页4.5 测定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大都利用库仑定律，即求相应正应力下的大都利用库仑定律，即求相应正应力下的摩擦力，然后求出摩擦系数（平均）。摩擦力，然后求出摩擦系数（平均）。第三十三页，本课件共有63页4.5.1 夹钳轧制法基本原理：基本原理：利用纵轧利用纵轧时
16、力的平衡条件来测时力的平衡条件来测定摩擦系数定摩擦系数轧制轧制打滑打滑时力的平衡条件时力的平衡条件第三十四页，本课件共有63页4.5.1 夹钳轧制法第三十五页，本课件共有63页4.5.1 夹钳轧制法(2)Pn(1)T第三十六页，本课件共有63页4.5.1 夹钳轧制法(3)咬入角咬入角第三十七页，本课件共有63页4.5.2 楔形件压缩法第三十八页，本课件共有63页4.5.2 楔形件压缩法第三十九页，本课件共有63页4.5.2 楔形件压缩法第四十页，本课件共有63页4.5.3 圆环镦粗法 将一定尺寸的圆环试样（如外径：内径：高将一定尺寸的圆环试样（如外径：内径：高40:20:1040:20:10或
17、或20:10:720:10:7）放在平坫间进行压缩。）放在平坫间进行压缩。第四十一页，本课件共有63页4.5.3 圆环镦粗法 摩擦系数的标定曲线摩擦系数的标定曲线（理论校准曲线）：（理论校准曲线）：利用塑性理论利用塑性理论（上限法或应力分析（上限法或应力分析法）对圆环变形进行法）对圆环变形进行分析，可求得不同摩分析，可求得不同摩擦系数、不同压缩量擦系数、不同压缩量下圆环内径的变化值下圆环内径的变化值第四十二页，本课件共有63页4.5.4 塑性加工常用摩擦系数 热锻时的摩擦系数第四十三页，本课件共有63页磷化处理后冷锻时的摩擦系数第四十四页，本课件共有63页拉深时的摩擦系数第四十五页，本课件共有
18、63页热挤压时的摩擦系数(1)钢热挤压（用玻璃做润滑剂）时，(2)有色金属热挤压时，摩擦系数见下表。第四十六页，本课件共有63页热轧时的摩擦系数(1)咬入时：(2)轧制过程中：第四十七页，本课件共有63页拉拔时的摩擦系数(1)拉拔低碳钢：(2)拉拔铜及铜合金：(3)拉拔铝及铝合金：(4)拉拔黄铜丝：第四十八页，本课件共有63页4.6 塑性加工的工艺润滑4.6.1 工艺润滑的目的及润滑机理 一.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第四十九页，本课件共有63页流体力学原理二.润滑机理第五十页，本课
19、件共有63页吸附机制第五十一页，本课件共有63页在铁表面上硬脂酸组成的边界润滑膜润滑剂的活性n活性：润滑剂中活性：润滑剂中的极性分子在摩的极性分子在摩擦表面形成结实擦表面形成结实的保护层的能力。的保护层的能力。它决定润滑剂的它决定润滑剂的润滑性能及与摩润滑性能及与摩擦物体之间吸引擦物体之间吸引力的大小力的大小第五十二页，本课件共有63页润滑剂的物理性能指标 n(1)粘度：指润滑剂本身粘、稠的程度。它是粘度：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。衡量润滑油流动阻力的参数。n(2)密度密度n(3)针入度针入度 n(4)滴点滴点n(5)闪点和着火点闪点和着火点n(6)倾点和凝点倾点
20、和凝点第五十三页，本课件共有63页润滑剂的化学性能指标 n(1)酸值酸值n(2)碱值碱值n(3)氧化度氧化度n(4)抗污染性抗污染性 n(5)耐热稳定性耐热稳定性 n(6)抗氧化稳定性抗氧化稳定性n(7)防锈性防锈性n(8)防腐蚀性防腐蚀性 第五十四页，本课件共有63页三、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（1）良好的耐压性能；）良好的耐压性能；（2）良好的耐高温性能；）良好的耐高温性能；（3）有冷却模具的作用；）有冷却模具的作用；（4）对金属和模具无腐蚀作用；）对金属和模具无腐蚀作用；（5）对人体无毒，不污染环境；）对人体无毒，不污染环境；（6）使用、清理方
21、便、来源丰富、价格便宜等。）使用、清理方便、来源丰富、价格便宜等。第五十五页，本课件共有63页2 2常用的润滑剂常用的润滑剂液体润滑剂：矿物油、动植物油、液体润滑剂：矿物油、动植物油、乳液乳液、有机化、有机化合物液等合物液等固体润滑剂：石墨、二硫化钼、肥皂、云母等固体润滑剂：石墨、二硫化钼、肥皂、云母等液液-固型润滑剂：石墨乳液、二硫化钼油剂等固型润滑剂：石墨乳液、二硫化钼油剂等熔体润滑剂：熔体润滑剂：玻璃玻璃第五十六页，本课件共有63页图4-17 硬脂酸钠乳化剂作用机理示意图乳化剂乳化剂第五十七页，本课件共有63页挤压筒玻璃挤压轴模子穿孔针图4-18 热挤压时的玻璃润滑玻璃玻璃第五十八页，本
22、课件共有63页四.润滑剂中的添加剂添加剂的作用：1）提高润滑剂的油性、极压性；）提高润滑剂的油性、极压性；2）推迟润滑剂的老化，延长其正常使用寿命）推迟润滑剂的老化，延长其正常使用寿命3）改善润滑剂的物理性能。）改善润滑剂的物理性能。第五十九页，本课件共有63页润滑油中的添加剂，一润滑油中的添加剂，一般应易溶于机油，热稳般应易溶于机油，热稳定性要好，且应具有良定性要好，且应具有良好的物理化学性能。好的物理化学性能。常用的添加剂有油性剂、常用的添加剂有油性剂、极压剂、抗磨剂和防锈极压剂、抗磨剂和防锈剂等。剂等。四.润滑剂中的添加剂第六十页，本课件共有63页表4-7 润滑油中常用的添加剂及其添加量
23、种 类作 用化合物名称添加量1油性剂形成油膜，减少摩擦长链脂肪酸、油酸0.11%2极压剂防止接触表面粘合有机硫化物、氯化物510%3抗磨剂形成保护膜，防止磨损磷酸酯510%4防锈剂防止润滑油生锈羧酸、酒精0.11%5乳化剂使油乳化、稳定乳液硫酸、磷酸酯3%6流动点下降剂防止低温时油中石蜡固化氯化石蜡0.11%7粘度剂提高润滑油粘度聚甲基丙烯酸等聚合物210%第六十一页，本课件共有63页1 1流体润滑流体润滑2 2表面处理表面处理（1 1）表面磷化处理）表面磷化处理（2 2）表面氧化处理）表面氧化处理（3 3）表面镀层）表面镀层五.润滑方法的改进第六十二页，本课件共有63页第六十三页，本课件共有63页