金屬塑性變形理論摩擦與潤滑

1、2022-3-151金屬塑性變形理論Theory of metal plastic deformation 第十九講第十九講Lesson Nineteen張貴杰張貴杰Zhang GuijieTel-Mail： 河北理工大學(xué)金屬材料與加工工程系Department of Metal Material and Process EngineeringHebei Polytechnic University, Tangshan 0630092022-3-152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

2、特點及作用 塑性加工中摩擦的分類及機(jī)理塑性加工中摩擦的分類及機(jī)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 2022-3-1539.1 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 2022-3-154在高壓下產(chǎn)生的摩擦在高壓下產(chǎn)

3、生的摩擦 塑性成形時接觸表面上的單位壓力很大，一般熱加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工時面壓力為100150MPa，冷加工時可高達(dá)，冷加工時可高達(dá)5002500MPa。但是，機(jī)器軸承中，接觸面壓力。但是，機(jī)器軸承中，接觸面壓力通常只有通常只有2050MPa。 如此高的接觸面壓力使?jié)櫥瑒╇y以帶入或容易從變?nèi)绱烁叩慕佑|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。形區(qū)擠出，使?jié)櫥щy及潤滑方法特殊。 2022-3-155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，根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

4、，溫度在數(shù)百度至一千多度之間，對于據(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(yīng)、表面摩擦熱，溫度可冷加工，則由于變形熱效應(yīng)、表面摩擦熱，溫度可達(dá)到頗高的程度。高溫下的金屬材料，除了內(nèi)部組達(dá)到頗高的程度。高溫下的金屬材料，除了內(nèi)部組織和性能變化外，金屬表面要發(fā)生氧化，給摩擦潤織和性能變化外，金屬表面要發(fā)生氧化，給摩擦潤滑帶來很大影響?；瑤砗艽笥绊?。 2022-3-156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，在塑性變形過程中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，使工由于高壓下變形，會不斷增加新的

5、接觸表面，使工具與金屬之間的接觸條件不斷改變。接觸面上各處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，有的粘著，有的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擦也不一樣?？?，有的慢，因而在接觸面上各點的摩擦也不一樣。 2022-3-157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；而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，且希望有較大的塑性變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，因而使變形形。二者的

6、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。時摩擦情況也很特殊。2022-3-158 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(yīng)力狀態(tài)，改變物體應(yīng)力狀態(tài)，使變形力和能耗增加使變形力和能耗增加引起工件變形與應(yīng)力分布不均勻引起工件變形與應(yīng)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2022-3-159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(yīng)力促進(jìn)金屬的變形發(fā)展摩擦應(yīng)力促進(jìn)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(qiáng)化工藝，減少的摩擦，強(qiáng)化

7、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 2022-3-15109.2 塑性加工中摩擦的分類及機(jī)理塑性加工中摩擦的分類及機(jī)理外摩擦的分類外摩擦的分類 干摩擦干摩擦 流體摩擦流體摩擦 邊界摩擦邊界摩擦摩擦機(jī)理摩擦機(jī)理 分子吸附說分子吸附說 粘著理論粘著理論 表面凸凹學(xué)說表面凸凹學(xué)說2022-3-1511干摩擦干摩擦 干摩擦是指不存任何外來介質(zhì)時金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擦。屬與工具的接觸表面之間的摩擦。但在實際生產(chǎn)中，這種絕對理想的但在實際生產(chǎn)中，這種絕對理想的干摩擦是不存在的。通常說的干摩干摩擦是不存在的。通常說

8、的干摩擦指的是不加潤滑劑的摩擦狀態(tài)。擦指的是不加潤滑劑的摩擦狀態(tài)。 2022-3-1512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(jī)械摩擦理論分子機(jī)械摩擦理論nffmkfNFTz2022-3-1513流體摩擦流體摩擦 當(dāng)金屬與工具表面之間的潤滑當(dāng)金屬與工具表面之間的潤滑層較厚，摩擦副在相互運(yùn)動中層較厚，摩擦副在相互運(yùn)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

9、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。2022-3-1514摩擦力計算摩擦力計算 液體摩擦定律液體摩擦定律dzdvt ,tdzdv分別為流體層間切應(yīng)力和液體粘度分別為流體層間切應(yīng)力和液體粘度流體速度梯度流體速度梯度液體摩擦?xí)r液體摩擦?xí)r f = 0.0050.022022-3-1515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)，稱為邊界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的情況。摩擦。這種摩擦出現(xiàn)在高壓、

10、低速和潤滑劑粘度小的情況。 在實際生產(chǎn)中，由于摩擦條件比較惡劣，理想的流體潤滑狀在實際生產(chǎn)中，由于摩擦條件比較惡劣，理想的流體潤滑狀態(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，都不可能是坯料表面，都不可能是“潔凈潔凈”的表面，總是處于介質(zhì)包圍的表面，總是處于介質(zhì)包圍之中，總是有一層敷膜吸附在表面上，這種敷膜可以是自然之中，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，物理吸附形成的邊界膜，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(xué)反應(yīng)膜等。因此理想的干摩擦不可能存在。潤

11、滑劑形成的化學(xué)反應(yīng)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擦共存的混合摩擦。實際上常常是上述三種摩擦共存的混合摩擦。 2022-3-1516邊界摩擦邊界摩擦2022-3-1517分子吸附說分子吸附說 當(dāng)兩個接觸表面非常光滑時，接觸摩擦力不但不降當(dāng)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(jī)械咬合理論來低，反而會提高，這一現(xiàn)象無法用機(jī)械咬合理論來解釋。分子吸附學(xué)說認(rèn)為：摩擦產(chǎn)生的原因是由于解釋。分子吸附學(xué)說認(rèn)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。物體表面越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

12、間的距離也就光滑，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(qiáng)?？朔摲肿娱g作用力越小，分子間的作用力越強(qiáng)。克服該分子間作用力的摩擦力也就越大。的摩擦力也就越大。2022-3-15182022-3-1519粘著理論粘著理論2022-3-1520表面凹凸學(xué)說表面凹凸學(xué)說 所有經(jīng)過機(jī)械加工的表面并非絕對平坦光滑，都有不同所有經(jīng)過機(jī)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(dāng)凹凸不平的兩個表面相互接程度的微觀凸起和凹入。當(dāng)凹凸不平的兩個表面相互接觸時，一個表面的部分觸時，一個表面的部分“凸峰凸峰”可能會陷入另一表面的可能會陷入另一表面的凹坑，產(chǎn)生機(jī)械咬合。凹坑，產(chǎn)

13、生機(jī)械咬合。 當(dāng)這兩個相互接觸的表面在外力的作用下發(fā)生相對運(yùn)動當(dāng)這兩個相互接觸的表面在外力的作用下發(fā)生相對運(yùn)動時，相互咬合的部分會被剪斷，此時摩擦力表現(xiàn)為這些時，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。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(yùn)動時的根據(jù)這一觀點，相互接觸的表面越粗糙，相對運(yùn)動時的摩擦力就越大。降低接觸表面的粗糙度，或涂抹潤滑劑摩擦力就越大。降低接觸表面的粗糙度，或涂抹潤滑劑以填補(bǔ)表面凹坑，都可以起到減少摩擦的作用。以填補(bǔ)表面凹坑，都可以起到減少摩擦的作用。2022-3-15212022-3-15229.3 摩擦系數(shù)及其影響

14、因素摩擦系數(shù)及其影響因素 金屬的種類和化學(xué)成分金屬的種類和化學(xué)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2022-3-1523金屬的種類和化學(xué)成分金屬的種類和化學(xué)成分 摩擦系數(shù)隨著不同的金屬、不同的化學(xué)成分而異。由于金屬摩擦系數(shù)隨著不同的金屬、不同的化學(xué)成分而異。由于金屬表面的硬度、強(qiáng)度、吸附性、擴(kuò)散能力、導(dǎo)熱性、氧化速度、表面的硬度、強(qiáng)度、吸附性、擴(kuò)散能力、導(dǎo)熱性、氧化速度、氧化膜的性質(zhì)以及金屬間的相互結(jié)合力等都與化學(xué)成分有關(guān)，氧化膜的性質(zhì)以及金屬間的相互結(jié)合力等都與化學(xué)成分有關(guān)，因此不同種類的金屬，

15、摩擦系數(shù)不同。例如，用光潔的鋼壓因此不同種類的金屬，摩擦系數(shù)不同。例如，用光潔的鋼壓頭在常溫下對不同材料進(jìn)行壓縮時測得摩擦系數(shù)：軟鋼為頭在常溫下對不同材料進(jìn)行壓縮時測得摩擦系數(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，即使同種材料，化學(xué)成分變化時，摩擦系數(shù)也不同。如鋼中的碳含量增加時，化學(xué)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。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)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(qiáng)度越高，摩擦系數(shù)就越小。下降。材料的硬度、強(qiáng)度越高，摩擦系數(shù)就越小。 2

16、022-3-1524工具材料及其表面狀態(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)可低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15%20%，而淬火鋼的摩擦系數(shù)與鑄鐵的摩擦系數(shù)相近。，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)可降低硬質(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10%20%，而金屬陶瓷軋輥的摩擦系數(shù)比硬質(zhì)合金輥也同，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樣可降低1020%。 工具的表面狀態(tài)視工具表面的精度及機(jī)加工方法的不同，摩工具的表面狀態(tài)視工具表面的精度及機(jī)加工方法的不同，摩擦系數(shù)可能在

17、擦系數(shù)可能在0.050.5范圍內(nèi)變化。一般來說，工具表面光范圍內(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度都非常潔度越高，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(qiáng)，反使摩擦系數(shù)增大。高，由于分子吸附作用增強(qiáng)，反使摩擦系數(shù)增大。 2022-3-1525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(rèn)為是常數(shù)。當(dāng)單系數(shù)可認(rèn)為是常數(shù)。當(dāng)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

18、掉或表面膜破壞，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(qiáng)，從而使摩擦系作用增強(qiáng)，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， 0.130.120.110.100.090.080.070.060.050.040.030.020.0102006001000140018002200N/mm20.14正壓力對摩擦系數(shù)的影響正壓力對摩擦系數(shù)的影響2022-3-1526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 2022-3-1527 變形溫度對摩擦系數(shù)的影響很

19、復(fù)雜。因為溫度變化時，材料變形溫度對摩擦系數(shù)的影響很復(fù)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)生變化，可的溫度、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加，可加劇表能產(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，隨著溫度的提高，被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(qiáng)度降低，單位壓力也降低，這又導(dǎo)致摩擦系數(shù)變形金屬的強(qiáng)度降低，單位壓力也降低，這又導(dǎo)致摩擦系數(shù)的減小，所以，變形溫度是影響摩擦系數(shù)變化因素中，最積的減小，所以，變形溫度是影響摩擦系數(shù)變化因素中，最積極

20、、最活潑的一個，很難一概而論。極、最活潑的一個，很難一概而論。 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，表面吸附力，原子溫度升高，金屬硬度降低，氧化膜增厚，表面吸附力，原子擴(kuò)散能力加強(qiáng)；同時，高溫使?jié)櫥瑒┬阅茏儔?，所以，摩擦擴(kuò)散能力加強(qiáng)；同時，高溫使?jié)櫥瑒┬阅茏儔?，所以，摩擦系?shù)增大。當(dāng)溫度繼續(xù)升高，由于氧化質(zhì)軟化和脫落，氧化系數(shù)增大。當(dāng)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，摩擦系數(shù)反而減小。質(zhì)在接觸表面間起潤滑劑的作用，摩擦系數(shù)反而減小。 2022-3-1528

21、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)有關(guān)。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?xí)r，變形速度增加，表面凹凸不平部分來不及相互在干摩擦?xí)r，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。在邊界潤滑條件下，由于變咬合，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(dǎo)致摩擦系數(shù)下降，如圖形速度增加，油膜厚度增大，導(dǎo)致摩擦系數(shù)下降，如圖4-9所示。但是，變形速度與變形溫度密切相關(guān)，并影響潤滑劑所示。但是，變形速

22、度與變形溫度密切相關(guān)，并影響潤滑劑的曳入效果。的曳入效果。 2022-3-1529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工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同。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，可顯著降低摩擦系數(shù)。常因此，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)可查有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）。關(guān)加工手冊（或?qū)嶋H測量）。 2022-3-1530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

23、增帶潤滑冷軋時，若試樣表面不粗糙，一般隨壓下率增加摩擦系數(shù)增大。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(dāng)其它條件相同時，摩擦系數(shù)隨軋輥直徑的增加而減當(dāng)其它條件相同時，摩擦系數(shù)隨軋輥直徑的增加而減小。小。2022-3-15319.4 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2022-3-1532圓環(huán)鐓粗法圓環(huán)鐓粗法2022-3-1533h, mmd, mm2022-3-15349.5 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(jī)理潤滑機(jī)理 潤滑