第19講 摩擦與潤滑-自學

1、張貴杰張貴杰 TelE-Mail： 河北聯(lián)合大學金屬材料及加工工程系河北聯(lián)合大學金屬材料及加工工程系 金屬塑性變形理論金屬塑性變形理論 第十九講第十九講 2021-6-232 第九章 塑性加工中的摩擦與潤 滑 主要內(nèi)容 Main Content 金屬塑性加工時摩擦的特點及作用金屬塑性加工時摩擦的特點及作用 塑性加工中摩擦的分類及機理塑性加工中摩擦的分類及機理 摩擦系數(shù)及其影響因素摩擦系數(shù)及其影響因素 測定摩擦系數(shù)的方法測定摩擦系數(shù)的方法 塑性加工的工藝潤滑塑性加工的工藝潤滑 2021-6-233 9.1 金屬塑性加工時摩擦的特點及作用金屬塑性加工時摩擦的特點及作用 金

2、屬塑性加工時摩擦的特點：金屬塑性加工時摩擦的特點： （1）是在高壓下產(chǎn)生的摩擦）是在高壓下產(chǎn)生的摩擦 （2）是在較高溫度下的摩擦）是在較高溫度下的摩擦 （3）不斷增加新的接觸表面）不斷增加新的接觸表面 （4）摩擦副（金屬與工具）的性質(zhì)相差大）摩擦副（金屬與工具）的性質(zhì)相差大 2021-6-234 在高壓下產(chǎn)生的摩擦在高壓下產(chǎn)生的摩擦 塑性成形時接觸表面上的單位壓力很大，一般熱塑性成形時接觸表面上的單位壓力很大，一般熱 加工時面壓力為加工時面壓力為100150MPa，冷加工時可高達，冷加工時可高達 5002500MPa。但是，機器軸承中，接觸面壓。但是，機器軸承中，接觸面壓 力通常只有力通常只有

3、2050MPa。 如此高的接觸面壓力使?jié)櫥瑒╇y以帶入或容易從如此高的接觸面壓力使?jié)櫥瑒╇y以帶入或容易從 變形區(qū)擠出，使?jié)櫥щy及潤滑方法特殊。變形區(qū)擠出，使?jié)櫥щy及潤滑方法特殊。 2021-6-235 較高溫度下的摩擦較高溫度下的摩擦 塑性加工時界面溫度條件例惡劣。對于熱加工，塑性加工時界面溫度條件例惡劣。對于熱加工， 根據(jù)金屬不同，溫度在數(shù)百度至一千多度之間，根據(jù)金屬不同，溫度在數(shù)百度至一千多度之間， 對于冷加工，則由于變形熱效應、表面摩擦熱，對于冷加工，則由于變形熱效應、表面摩擦熱， 溫度可達到頗高的程度。高溫下的金屬材料，除溫度可達到頗高的程度。高溫下的金屬材料，除 了內(nèi)部組織和性能變

4、化外，金屬表面要發(fā)生氧化，了內(nèi)部組織和性能變化外，金屬表面要發(fā)生氧化， 給摩擦潤滑帶來很大影響。給摩擦潤滑帶來很大影響。 2021-6-236 不斷增加新的接觸表面不斷增加新的接觸表面 伴隨著塑性變形而產(chǎn)生的摩擦，在塑性變形過程伴隨著塑性變形而產(chǎn)生的摩擦，在塑性變形過程 中由于高壓下變形，會不斷增加新的接觸表面，中由于高壓下變形，會不斷增加新的接觸表面， 使工具與金屬之間的接觸條件不斷改變。接觸面使工具與金屬之間的接觸條件不斷改變。接觸面 上各處的塑性流動情況不同，有的滑動，有的粘上各處的塑性流動情況不同，有的滑動，有的粘 著，有的快，有的慢，因而在接觸面上各點的摩著，有的快，有的慢，因而在接

5、觸面上各點的摩 擦也不一樣。擦也不一樣。 2021-6-237 摩擦副（金屬與工具）的性質(zhì)相差大摩擦副（金屬與工具）的性質(zhì)相差大 一般工具都硬且要求在使用時不產(chǎn)生塑性變形；一般工具都硬且要求在使用時不產(chǎn)生塑性變形； 而金屬不但比工具柔軟得多，且希望有較大的塑而金屬不但比工具柔軟得多，且希望有較大的塑 性變形。二者的性質(zhì)與作用差異如此之大，因而性變形。二者的性質(zhì)與作用差異如此之大，因而 使變形時摩擦情況也很特殊。使變形時摩擦情況也很特殊。 2021-6-238 外摩擦在壓力加工中的作用：外摩擦在壓力加工中的作用： 不利方面不利方面 改變物體應力狀態(tài)，改變物體應力狀態(tài)， 使變形力和能耗增加使變形力

6、和能耗增加 引起工件變形與應力分布不均勻引起工件變形與應力分布不均勻 惡化工件表面質(zhì)量，加速惡化工件表面質(zhì)量，加速 模具磨損，降低工具壽命模具磨損，降低工具壽命 2021-6-239 摩擦的利用摩擦的利用 增大摩擦改善增大摩擦改善 軋制過程咬入條件軋制過程咬入條件 摩擦應力促進金屬的變形發(fā)展摩擦應力促進金屬的變形發(fā)展 增大沖頭與板片間增大沖頭與板片間 的摩擦，強化工藝，減少的摩擦，強化工藝，減少 起皺和撕裂等造成的廢品起皺和撕裂等造成的廢品 Conform連續(xù)擠壓法連續(xù)擠壓法 2021-6-2310 9.2 塑性加工中摩擦的分類及機理塑性加工中摩擦的分類及機理 外摩擦的分類外摩擦的分類 干摩擦

7、干摩擦 流體摩擦流體摩擦 邊界摩擦邊界摩擦 摩擦機理摩擦機理 分子吸附說分子吸附說 粘著理論粘著理論 表面凸凹學說表面凸凹學說 2021-6-2311 干摩擦干摩擦 干摩擦是指不存任何外來介質(zhì)時干摩擦是指不存任何外來介質(zhì)時 金屬與工具的接觸表面之間的摩金屬與工具的接觸表面之間的摩 擦。但在實際生產(chǎn)中，這種絕對擦。但在實際生產(chǎn)中，這種絕對 理想的干摩擦是不存在的。通常理想的干摩擦是不存在的。通常 說的干摩擦指的是不加潤滑劑的說的干摩擦指的是不加潤滑劑的 摩擦狀態(tài)。摩擦狀態(tài)。 2021-6-2312 摩擦力計算摩擦力計算 庫侖摩擦定律庫侖摩擦定律 粘著摩擦理論粘著摩擦理論 分子機械摩擦理論分子機械

8、摩擦理論 nf f mk f NFT z 2021-6-2313 流體摩擦流體摩擦 當金屬與工具表面之間的潤滑當金屬與工具表面之間的潤滑 層較厚，摩擦副在相互運動中層較厚，摩擦副在相互運動中 不直接接觸，完全由潤滑油膜不直接接觸，完全由潤滑油膜 隔開，摩擦發(fā)生在流體內(nèi)部分隔開，摩擦發(fā)生在流體內(nèi)部分 子之間者稱為流體摩擦。子之間者稱為流體摩擦。 它不同于干摩擦，摩擦力的大它不同于干摩擦，摩擦力的大 小與接觸面的表面狀態(tài)無關(guān)，小與接觸面的表面狀態(tài)無關(guān)， 而是與流體的粘度、速度梯度而是與流體的粘度、速度梯度 等因素有關(guān)。因而流體摩擦的等因素有關(guān)。因而流體摩擦的 摩擦系數(shù)是很小的。摩擦系數(shù)是很小的。

9、2021-6-2314 摩擦力計算摩擦力計算 液體摩擦定律液體摩擦定律 dz dv t , t dz dv 分別為流體層間切應力和液體粘度分別為流體層間切應力和液體粘度 流體速度梯度流體速度梯度 液體摩擦時液體摩擦時 f = 0.0050.02 2021-6-2315 邊界摩擦邊界摩擦 這是一種介于干摩擦與流體摩擦之間的摩擦狀態(tài)，稱為這是一種介于干摩擦與流體摩擦之間的摩擦狀態(tài)，稱為 邊界摩擦。這種摩擦出現(xiàn)在高壓、低速和潤滑劑粘度小邊界摩擦。這種摩擦出現(xiàn)在高壓、低速和潤滑劑粘度小 的情況。的情況。 在實際生產(chǎn)中，由于摩擦條件比較惡劣，理想的流體潤在實際生產(chǎn)中，由于摩擦條件比較惡劣，理想的流體潤

10、滑狀態(tài)較難實現(xiàn)。此外，在塑性加工中，無論是工具表滑狀態(tài)較難實現(xiàn)。此外，在塑性加工中，無論是工具表 面，還是坯料表面，都不可能是面，還是坯料表面，都不可能是“潔凈潔凈”的表面，總是的表面，總是 處于介質(zhì)包圍之中，總是有一層敷膜吸附在表面上，這處于介質(zhì)包圍之中，總是有一層敷膜吸附在表面上，這 種敷膜可以是自然污染膜，油性吸附形成的金屬膜，物種敷膜可以是自然污染膜，油性吸附形成的金屬膜，物 理吸附形成的邊界膜，潤滑劑形成的化學反應膜等。因理吸附形成的邊界膜，潤滑劑形成的化學反應膜等。因 此理想的干摩擦不可能存在。實際上常常是上述三種摩此理想的干摩擦不可能存在。實際上常常是上述三種摩 擦共存的混合摩擦

11、。擦共存的混合摩擦。 2021-6-2316 邊界摩擦邊界摩擦 2021-6-2317 分子吸附說分子吸附說 當兩個接觸表面非常光滑時，接觸摩擦力不但不當兩個接觸表面非常光滑時，接觸摩擦力不但不 降低，反而會提高，這一現(xiàn)象無法用機械咬合理降低，反而會提高，這一現(xiàn)象無法用機械咬合理 論來解釋。分子吸附學說認為：摩擦產(chǎn)生的原因論來解釋。分子吸附學說認為：摩擦產(chǎn)生的原因 是由于接觸面上分子之間的相互吸引的結(jié)果。物是由于接觸面上分子之間的相互吸引的結(jié)果。物 體表面越光滑，實際接觸面積就越大，接觸面間體表面越光滑，實際接觸面積就越大，接觸面間 的距離也就越小，分子間的作用力越強。克服該的距離也就越小，分

12、子間的作用力越強?？朔?分子間作用力的摩擦力也就越大。分子間作用力的摩擦力也就越大。 2021-6-2318 2021-6-2319 粘著理論粘著理論 2021-6-2320 表面凹凸學說表面凹凸學說 所有經(jīng)過機械加工的表面并非絕對平坦光滑，都有所有經(jīng)過機械加工的表面并非絕對平坦光滑，都有 不同程度的微觀凸起和凹入。當凹凸不平的兩個表不同程度的微觀凸起和凹入。當凹凸不平的兩個表 面相互接觸時，一個表面的部分面相互接觸時，一個表面的部分“凸峰凸峰”可能會陷可能會陷 入另一表面的凹坑，產(chǎn)生機械咬合。入另一表面的凹坑，產(chǎn)生機械咬合。 當這兩個相互接觸的表面在外力的作用下發(fā)生相對當這兩個相互接觸的表

13、面在外力的作用下發(fā)生相對 運動時，相互咬合的部分會被剪斷，此時摩擦力表運動時，相互咬合的部分會被剪斷，此時摩擦力表 現(xiàn)為這些凸峰被剪切時的變形阻力?，F(xiàn)為這些凸峰被剪切時的變形阻力。 根據(jù)這一觀點，相互接觸的表面越粗糙，相對運動根據(jù)這一觀點，相互接觸的表面越粗糙，相對運動 時的摩擦力就越大。降低接觸表面的粗糙度，或涂時的摩擦力就越大。降低接觸表面的粗糙度，或涂 抹潤滑劑以填補表面凹坑，都可以起到減少摩擦的抹潤滑劑以填補表面凹坑，都可以起到減少摩擦的 作用。作用。 2021-6-2321 2021-6-2322 9.3 摩擦系數(shù)及其影響因素摩擦系數(shù)及其影響因素 金屬的種類和化學成分金屬的種類和化學

14、成分 工具材料及其表面狀態(tài)工具材料及其表面狀態(tài) 接觸面上的單位壓力接觸面上的單位壓力 變形溫度變形溫度 變形速度變形速度 潤滑劑潤滑劑 2021-6-2323 金屬的種類和化學成分金屬的種類和化學成分 摩擦系數(shù)隨著不同的金屬、不同的化學成分而異。由于摩擦系數(shù)隨著不同的金屬、不同的化學成分而異。由于 金屬表面的硬度、強度、吸附性、擴散能力、導熱性、金屬表面的硬度、強度、吸附性、擴散能力、導熱性、 氧化速度、氧化膜的性質(zhì)以及金屬間的相互結(jié)合力等都氧化速度、氧化膜的性質(zhì)以及金屬間的相互結(jié)合力等都 與化學成分有關(guān)，因此不同種類的金屬，摩擦系數(shù)不同。與化學成分有關(guān)，因此不同種類的金屬，摩擦系數(shù)不同。 例

15、如，用光潔的鋼壓頭在常溫下對不同材料進行壓縮時例如，用光潔的鋼壓頭在常溫下對不同材料進行壓縮時 測得摩擦系數(shù)：軟鋼為測得摩擦系數(shù)：軟鋼為0. 17；鋁為；鋁為0.18；黃銅為；黃銅為0.10， 電解銅為電解銅為0.17，即使同種材料，化學成分變化時，摩擦，即使同種材料，化學成分變化時，摩擦 系數(shù)也不同。如鋼中的碳含量增加時，摩擦系數(shù)會減小。系數(shù)也不同。如鋼中的碳含量增加時，摩擦系數(shù)會減小。 一般說，隨著合金元素的增加，摩擦系數(shù)下降。材料的一般說，隨著合金元素的增加，摩擦系數(shù)下降。材料的 硬度、強度越高，摩擦系數(shù)就越小。硬度、強度越高，摩擦系數(shù)就越小。 2021-6-2324 工具材料及其表面狀

16、態(tài)工具材料及其表面狀態(tài) 工具選用鑄鐵材料時的摩擦系數(shù)，比選用鋼時摩擦系數(shù)工具選用鑄鐵材料時的摩擦系數(shù)，比選用鋼時摩擦系數(shù) 可低可低15%20%，而淬火鋼的摩擦系數(shù)與鑄鐵的摩擦系數(shù)，而淬火鋼的摩擦系數(shù)與鑄鐵的摩擦系數(shù) 相近。硬質(zhì)合金軋輥的摩擦系數(shù)較合金鋼軋輥摩擦系數(shù)相近。硬質(zhì)合金軋輥的摩擦系數(shù)較合金鋼軋輥摩擦系數(shù) 可降低可降低10%20%，而金屬陶瓷軋輥的摩擦系數(shù)比硬質(zhì)合，而金屬陶瓷軋輥的摩擦系數(shù)比硬質(zhì)合 金輥也同樣可降低金輥也同樣可降低1020%。 工具的表面狀態(tài)視工具表面的精度及機加工方法的不同，工具的表面狀態(tài)視工具表面的精度及機加工方法的不同， 摩擦系數(shù)可能在摩擦系數(shù)可能在0.050.5范

17、圍內(nèi)變化。一般來說，工具表范圍內(nèi)變化。一般來說，工具表 面光潔度越高，摩擦系數(shù)越小。但如果兩個接觸面光潔面光潔度越高，摩擦系數(shù)越小。但如果兩個接觸面光潔 度都非常高，由于分子吸附作用增強，反使摩擦系數(shù)增度都非常高，由于分子吸附作用增強，反使摩擦系數(shù)增 大。大。 2021-6-2325 接觸面上的單位壓力接觸面上的單位壓力 單位壓力較小時，表面分單位壓力較小時，表面分 子吸附作用不明顯，摩擦子吸附作用不明顯，摩擦 系數(shù)與正壓力無關(guān)，摩擦系數(shù)與正壓力無關(guān)，摩擦 系數(shù)可認為是常數(shù)。當單系數(shù)可認為是常數(shù)。當單 位壓力增加到一定數(shù)值后，位壓力增加到一定數(shù)值后， 潤滑劑被擠掉或表面膜破潤滑劑被擠掉或表面膜

18、破 壞，這不但增加了真實接壞，這不但增加了真實接 觸面積，而且使分子吸附觸面積，而且使分子吸附 作用增強，從而使摩擦系作用增強，從而使摩擦系 數(shù)隨壓力增加而增加，但數(shù)隨壓力增加而增加，但 增加到一定程度后趨于穩(wěn)增加到一定程度后趨于穩(wěn) 定，定， 0.13 0.12 0.11 0.10 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0 200 600 1000140018002200 N/mm2 0.14 正壓力對摩擦系數(shù)的影響正壓力對摩擦系數(shù)的影響 2021-6-2326 變形溫度變形溫度 溫度對鋼和銅的摩擦系數(shù)的影響溫度對鋼和銅的摩擦系數(shù)的影響 20

19、21-6-2327 變形溫度對摩擦系數(shù)的影響很復雜。因為溫度變化時，變形溫度對摩擦系數(shù)的影響很復雜。因為溫度變化時， 材料的溫度、硬度及接觸面上的氧化質(zhì)的性能都會發(fā)生材料的溫度、硬度及接觸面上的氧化質(zhì)的性能都會發(fā)生 變化，可能產(chǎn)生兩個相反的結(jié)果：一方面隨著溫度的增變化，可能產(chǎn)生兩個相反的結(jié)果：一方面隨著溫度的增 加，可加劇表面的氧化而增加摩擦系數(shù)；另一方面，隨加，可加劇表面的氧化而增加摩擦系數(shù)；另一方面，隨 著溫度的提高，被變形金屬的強度降低，單位壓力也降著溫度的提高，被變形金屬的強度降低，單位壓力也降 低，這又導致摩擦系數(shù)的減小，所以，變形溫度是影響低，這又導致摩擦系數(shù)的減小，所以，變形溫度

20、是影響 摩擦系數(shù)變化因素中，最積極、最活潑的一個，很難一摩擦系數(shù)變化因素中，最積極、最活潑的一個，很難一 概而論。概而論。 溫度較低時，金屬的硬度大，氧化膜薄，摩擦系數(shù)小。溫度較低時，金屬的硬度大，氧化膜薄，摩擦系數(shù)小。 隨著溫度升高，金屬硬度降低，氧化膜增厚，表面吸附隨著溫度升高，金屬硬度降低，氧化膜增厚，表面吸附 力，原子擴散能力加強；同時，高溫使?jié)櫥瑒┬阅茏儔?，力，原子擴散能力加強；同時，高溫使?jié)櫥瑒┬阅茏儔模?所以，摩擦系數(shù)增大。當溫度繼續(xù)升高，由于氧化質(zhì)軟所以，摩擦系數(shù)增大。當溫度繼續(xù)升高，由于氧化質(zhì)軟 化和脫落，氧化質(zhì)在接觸表面間起潤滑劑的作用，摩擦化和脫落，氧化質(zhì)在接觸表面間起潤

21、滑劑的作用，摩擦 系數(shù)反而減小。系數(shù)反而減小。 2021-6-2328 變形速度變形速度 許多實驗結(jié)果表明，隨著變形速度增加，摩擦系數(shù)下降許多實驗結(jié)果表明，隨著變形速度增加，摩擦系數(shù)下降 變形速度增加引起摩擦系數(shù)下降的原因，與摩擦狀態(tài)有變形速度增加引起摩擦系數(shù)下降的原因，與摩擦狀態(tài)有 關(guān)。在干摩擦時，變形速度增加，表面凹凸不平部分來關(guān)。在干摩擦時，變形速度增加，表面凹凸不平部分來 不及相互咬合，表現(xiàn)出摩擦系數(shù)的下降。在邊界潤滑條不及相互咬合，表現(xiàn)出摩擦系數(shù)的下降。在邊界潤滑條 件下，由于變形速度增加，油膜厚度增大，導致摩擦系件下，由于變形速度增加，油膜厚度增大，導致摩擦系 數(shù)下降，如圖數(shù)下降，

22、如圖4-9所示。但是，變形速度與變形溫度密切所示。但是，變形速度與變形溫度密切 相關(guān)，并影響潤滑劑的曳入效果。相關(guān)，并影響潤滑劑的曳入效果。 2021-6-2329 潤滑劑潤滑劑 壓力加工中采用潤滑劑能起到防粘減摩以及減少壓力加工中采用潤滑劑能起到防粘減摩以及減少 工模具磨損的作用，而不同潤滑劑所起的效果不工模具磨損的作用，而不同潤滑劑所起的效果不 同。因此，正確選用潤滑劑，可顯著降低摩擦系同。因此，正確選用潤滑劑，可顯著降低摩擦系 數(shù)。常用金屬及合金在不同加工條件下的摩擦系數(shù)。常用金屬及合金在不同加工條件下的摩擦系 數(shù)可查有關(guān)加工手冊（或?qū)嶋H測量）。數(shù)可查有關(guān)加工手冊（或?qū)嶋H測量）。 202

23、1-6-2330 其他因素其他因素 壓下率壓下率 帶潤滑冷軋時，若試樣表面不粗糙，一般隨壓下率帶潤滑冷軋時，若試樣表面不粗糙，一般隨壓下率 增加摩擦系數(shù)增大。增加摩擦系數(shù)增大。 變形區(qū)幾何形狀參數(shù)變形區(qū)幾何形狀參數(shù)l/h 摩擦系數(shù)隨摩擦系數(shù)隨l/h的增大而減小。的增大而減小。 軋輥直徑軋輥直徑 當其它條件相同時，摩擦系數(shù)隨軋輥直徑的增加而當其它條件相同時，摩擦系數(shù)隨軋輥直徑的增加而 減小。減小。 2021-6-2331 9.4 測定摩擦系數(shù)的方法測定摩擦系數(shù)的方法 夾鉗軋制法夾鉗軋制法 楔形件壓縮法楔形件壓縮法 圓環(huán)鐓粗法圓環(huán)鐓粗法 軋制力矩法軋制力矩法 2021-6-2332 圓環(huán)鐓粗法圓環(huán)鐓粗法 2021-6-2333 h, mm d, mm 2021-6-2334 9.5 塑性加工的工藝潤滑塑性加工的工藝潤滑 潤滑的目的潤滑的目的 潤滑機理潤滑機理 潤滑劑的選擇潤滑劑的選擇 潤滑方法的