金屬塑性成形原理第四章

1、第第4 4章章 金屬塑性加工的摩擦與潤滑金屬塑性加工的摩擦與潤滑 第一節(jié) 金屬塑性加工時(shí)摩擦的特點(diǎn)及影響第二節(jié) 塑性加工中摩擦的分類及機(jī)理 第三節(jié)描述接觸表面上摩擦力的數(shù)學(xué)表達(dá)方式第四節(jié)影響摩擦系數(shù)的主要因素第五節(jié)測(cè)定外摩擦系數(shù)的方法 第六節(jié) 塑性成形中的潤滑第七節(jié) 不同塑性成形條件下的摩擦系數(shù) 概述概述金屬塑性加工中是在工具與工件相接觸的條件下進(jìn)行金屬塑性加工中是在工具與工件相接觸的條件下進(jìn)行的，這時(shí)必然產(chǎn)生阻止金屬流動(dòng)的摩擦力。的，這時(shí)必然產(chǎn)生阻止金屬流動(dòng)的摩擦力。這種發(fā)生這種發(fā)生在工件和工具接觸面間，阻礙金屬流動(dòng)的摩擦，稱外在工件和工具接觸面間，阻礙金屬流動(dòng)的摩擦，稱外摩擦摩擦。由于摩擦

2、的作用，工具產(chǎn)生磨損，工件被擦傷由于摩擦的作用，工具產(chǎn)生磨損，工件被擦傷；金屬變形力、能增加造成金屬變形不均；嚴(yán)重時(shí)使；金屬變形力、能增加造成金屬變形不均；嚴(yán)重時(shí)使工件出現(xiàn)裂紋，還要定期更換工具。因此，塑性加工工件出現(xiàn)裂紋，還要定期更換工具。因此，塑性加工中，須加以潤滑。中，須加以潤滑。潤滑潤滑技術(shù)的開發(fā)能促進(jìn)金屬塑性加工的發(fā)展。隨著壓技術(shù)的開發(fā)能促進(jìn)金屬塑性加工的發(fā)展。隨著壓力加工新技術(shù)新材料新工藝的出現(xiàn)，必將要求人們解力加工新技術(shù)新材料新工藝的出現(xiàn)，必將要求人們解決新的潤滑問題。決新的潤滑問題。第一節(jié)第一節(jié) 金屬塑性加工時(shí)摩擦的特點(diǎn)和影響金屬塑性加工時(shí)摩擦的特點(diǎn)和影響一、塑性成形時(shí)摩擦的特

3、點(diǎn)一、塑性成形時(shí)摩擦的特點(diǎn)在高壓下產(chǎn)生的摩擦在高壓下產(chǎn)生的摩擦較高溫度下的摩擦較高溫度下的摩擦摩擦副（金屬與工具）的性質(zhì)相差大摩擦副（金屬與工具）的性質(zhì)相差大在接觸面上各點(diǎn)的摩擦也不一樣在接觸面上各點(diǎn)的摩擦也不一樣. .不斷有新的摩擦產(chǎn)生不斷有新的摩擦產(chǎn)生二、外摩擦在塑性加工中的影響二、外摩擦在塑性加工中的影響 摩擦的不利方面摩擦的不利方面改變物體應(yīng)力狀態(tài)，使變形改變物體應(yīng)力狀態(tài)，使變形力和能耗增加力和能耗增加引起工件變形與應(yīng)力分布不引起工件變形與應(yīng)力分布不均勻均勻惡化工件表面質(zhì)量，加速模惡化工件表面質(zhì)量，加速模具磨損，降低工具壽命具磨損，降低工具壽命摩擦的利用摩擦的利用 例如：例如：1 1、

4、用、用增大摩擦改善咬入條件增大摩擦改善咬入條件，強(qiáng)化軋制過程；強(qiáng)化軋制過程；2 2、增大沖頭與板片間的摩擦，、增大沖頭與板片間的摩擦，強(qiáng)化工藝，強(qiáng)化工藝，減少起皺和撕裂等造減少起皺和撕裂等造成的廢品；成的廢品；3 3、開式模鍛時(shí)利用飛邊橋部的、開式模鍛時(shí)利用飛邊橋部的摩擦力保證金屬的充填模膛。摩擦力保證金屬的充填模膛。 開式模鍛的金屬流動(dòng)開式模鍛的金屬流動(dòng)軋制軋制第二節(jié)第二節(jié) 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表面凸凹學(xué)說表面凸凹學(xué)說 圖圖4-3 摩擦分類示意圖摩擦分

5、類示意圖 a)干摩擦干摩擦 b)邊界摩擦邊界摩擦 c)流體摩擦流體摩擦干摩擦干摩擦邊界摩擦邊界摩擦流體摩擦流體摩擦一、一、 外摩擦的分類及機(jī)理外摩擦的分類及機(jī)理 1 1、干摩擦、干摩擦 l 干摩擦是指不存任何外來介質(zhì)時(shí)金屬與工具的接觸干摩擦是指不存任何外來介質(zhì)時(shí)金屬與工具的接觸表面之間的摩擦表面之間的摩擦（圖（圖4-3a4-3a所示）所示）。 l但干摩擦但干摩擦 在實(shí)際生產(chǎn)中，這種絕對(duì)理想的在實(shí)際生產(chǎn)中，這種絕對(duì)理想的干摩擦是不存在的。干摩擦是不存在的。l因?yàn)榻饘偎苄约庸み^程中，其表面多少存因?yàn)榻饘偎苄约庸み^程中，其表面多少存在氧化膜，或吸附一些氣體和灰塵等其它在氧化膜，或吸附一些氣體和灰塵等

6、其它介質(zhì)。介質(zhì)。l但通常說的干摩擦指的是不加潤滑劑的摩但通常說的干摩擦指的是不加潤滑劑的摩擦狀態(tài)。擦狀態(tài)。 2 2、流體摩擦、流體摩擦 l當(dāng)金屬與工具表面之間的潤滑層較厚，摩擦副在當(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(dòng)中不直接接觸，完全由潤滑油膜隔開（相互運(yùn)動(dòng)中不直接接觸，完全由潤滑油膜隔開（圖圖4-3c4-3c），摩擦發(fā)生在流體內(nèi)部分子之間者稱為），摩擦發(fā)生在流體內(nèi)部分子之間者稱為流體摩擦。流體摩擦。l流體摩擦不同于干摩擦，摩擦力的大小與接觸流體摩擦不同于干摩擦，摩擦力的大小與接觸面的表面狀態(tài)無關(guān)，而是與面的表面狀態(tài)無關(guān)，而是與流體的粘度、速度流體的粘度、速度梯度梯度等因素有關(guān)。

7、等因素有關(guān)。l流體摩擦的摩擦系數(shù)是很小的流體摩擦的摩擦系數(shù)是很小的，塑性加工中接，塑性加工中接觸面上壓力和溫度較高，使?jié)櫥瑒┏Ｒ讛D出或觸面上壓力和溫度較高，使?jié)櫥瑒┏Ｒ讛D出或被燒掉，所以流體摩擦只在有條件的情況下發(fā)被燒掉，所以流體摩擦只在有條件的情況下發(fā)生和作用。生和作用。 3 3、邊界摩擦、邊界摩擦 這是一種這是一種介于干摩擦與流體摩擦之間的摩介于干摩擦與流體摩擦之間的摩擦狀態(tài)擦狀態(tài)，稱為邊界摩擦（圖，稱為邊界摩擦（圖4-3b4-3b）。）。l在實(shí)際生產(chǎn)中，上述三種摩擦不是截然分開的在實(shí)際生產(chǎn)中，上述三種摩擦不是截然分開的l塑性加工中多屬邊界摩擦，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)混合摩擦，塑性加工中多屬邊界摩擦，

8、有時(shí)會(huì)出現(xiàn)混合摩擦，即半干摩擦和半流體摩擦即半干摩擦和半流體摩擦表面凸凹學(xué)說表面凸凹學(xué)說 所有經(jīng)過機(jī)械加工的表面并非絕對(duì)平坦光滑，都所有經(jīng)過機(jī)械加工的表面并非絕對(duì)平坦光滑，都有不同程度的微觀凸起和凹入。當(dāng)有不同程度的微觀凸起和凹入。當(dāng)凹凸不平的兩個(gè)凹凸不平的兩個(gè)表面相互接觸時(shí)，產(chǎn)生機(jī)械咬合表面相互接觸時(shí)，產(chǎn)生機(jī)械咬合。當(dāng)這兩個(gè)相互接。當(dāng)這兩個(gè)相互接觸的表面在外力的作用下發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，相互咬觸的表面在外力的作用下發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，相互咬合的部分會(huì)被剪斷，此時(shí)摩擦力表現(xiàn)為這些凸峰被合的部分會(huì)被剪斷，此時(shí)摩擦力表現(xiàn)為這些凸峰被剪切時(shí)的變形阻力。剪切時(shí)的變形阻力。4 4、摩擦機(jī)理、摩擦機(jī)理 圖圖4-4

9、接觸表面凹凸不平形成機(jī)械咬合接觸表面凹凸不平形成機(jī)械咬合分子吸附說分子吸附說 分子吸附學(xué)說認(rèn)為：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。分子之間的相互吸引的結(jié)果。物體表面越光滑，實(shí)際物體表面越光滑，實(shí)際接觸面積就越大，接觸面間的距離也就越小，分子吸接觸面積就越大，接觸面間的距離也就越小，分子吸引力就越強(qiáng)，因此，滑動(dòng)摩擦力也就越大。引力就越強(qiáng)，因此，滑動(dòng)摩擦力也就越大。粘者理論粘者理論 觀點(diǎn)：當(dāng)兩個(gè)表面接觸時(shí)，接觸面上某些接觸點(diǎn)處壓觀點(diǎn)：當(dāng)兩個(gè)表面接觸時(shí)，接觸面上某些接觸點(diǎn)處壓力很大，以致發(fā)生粘接或焊合，當(dāng)兩表面產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)力很大，以致發(fā)

10、生粘接或焊合，當(dāng)兩表面產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，粘接點(diǎn)被切斷而產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)。動(dòng)時(shí)，粘接點(diǎn)被切斷而產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)。第三節(jié)第三節(jié) 描述接觸表面上摩擦力的數(shù)學(xué)表達(dá)式描述接觸表面上摩擦力的數(shù)學(xué)表達(dá)式 在計(jì)算金屬塑性加工時(shí)的摩擦力時(shí)，分下列三種情況考慮在計(jì)算金屬塑性加工時(shí)的摩擦力時(shí)，分下列三種情況考慮 1 1庫侖摩擦條件庫侖摩擦條件 這時(shí)不考慮接觸面上的粘合現(xiàn)象（即這時(shí)不考慮接觸面上的粘合現(xiàn)象（即全滑動(dòng)全滑動(dòng)），認(rèn)為摩擦符），認(rèn)為摩擦符合庫侖定律。其內(nèi)容如下：合庫侖定律。其內(nèi)容如下：（1 1）摩擦力與作用于摩擦表面的垂直壓力成正比例，與摩擦表）摩擦力與作用于摩擦表面的垂直壓力成正比例，與摩擦表面的大小無關(guān)；面的大小

11、無關(guān)；（2 2）摩擦力與滑動(dòng)速度的大小無關(guān)；）摩擦力與滑動(dòng)速度的大小無關(guān)；（3 3）靜摩擦系數(shù)大于動(dòng)摩擦系數(shù)。）靜摩擦系數(shù)大于動(dòng)摩擦系數(shù)。 其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 或或 式中式中 T T摩擦力；摩擦力； 外摩擦系數(shù)；外摩擦系數(shù)； 垂直于接觸面正壓力；垂直于接觸面正壓力； N N 接觸面上的正應(yīng)力；接觸面上的正應(yīng)力； 接觸面上的摩擦切應(yīng)力。接觸面上的摩擦切應(yīng)力。 由于摩擦系數(shù)為常數(shù)（由實(shí)驗(yàn)確定），故又稱常摩擦系由于摩擦系數(shù)為常數(shù)（由實(shí)驗(yàn)確定），故又稱常摩擦系數(shù)定律。數(shù)定律。對(duì)于像拉拔及其他潤滑效果較好的加工過程對(duì)于像拉拔及其他潤滑效果較好的加工過程，此定律較適用。，此定律較適用。 nT

12、PNN 2 2最大摩擦條件最大摩擦條件 當(dāng)接觸表面沒有相對(duì)滑動(dòng)，完全處于粘合狀當(dāng)接觸表面沒有相對(duì)滑動(dòng)，完全處于粘合狀 態(tài)時(shí)，單位摩擦力（態(tài)時(shí)，單位摩擦力（ ）等于變形金屬流動(dòng)）等于變形金屬流動(dòng) 時(shí)的臨界切應(yīng)力時(shí)的臨界切應(yīng)力k k，即：，即： = = k k 3 3摩擦力不變條件摩擦力不變條件 認(rèn)為接觸面間的摩擦力，不隨正壓力大小而變。其單位摩認(rèn)為接觸面間的摩擦力，不隨正壓力大小而變。其單位摩擦力是常數(shù)，即常摩擦力定律，其表達(dá)式為：擦力是常數(shù)，即常摩擦力定律，其表達(dá)式為： = =mk mk 式中，式中，m m為摩擦因子為摩擦因子 第六次第六次 作業(yè)作業(yè)P1582P1583P158419 第四節(jié)第

13、四節(jié) 摩擦系數(shù)的主要影響因素摩擦系數(shù)的主要影響因素 摩擦系數(shù)隨金屬性質(zhì)、工藝條件、表面狀態(tài)、單位壓力及所采摩擦系數(shù)隨金屬性質(zhì)、工藝條件、表面狀態(tài)、單位壓力及所采用潤滑劑的種類與性能等而不同。其主要影響因素有：用潤滑劑的種類與性能等而不同。其主要影響因素有： 1 .1 .金屬的種類和化學(xué)成分金屬的種類和化學(xué)成分 2.2.工具材料及其表面狀態(tài)工具材料及其表面狀態(tài) 3. 3. 接觸面上的單位壓力接觸面上的單位壓力 4 .4 .變形溫度變形溫度 5.5.變形速度變形速度 6 .6 .潤滑劑潤滑劑凡是能提高材料的硬度、強(qiáng)度的化學(xué)成分凡是能提高材料的硬度、強(qiáng)度的化學(xué)成分都可使摩接系數(shù)減小。都可使摩接系數(shù)減

14、小。一、金屬的種類和化學(xué)成分金屬的種類和化學(xué)成分n表面越光滑，摩擦系數(shù)越小表面越光滑，摩擦系數(shù)越小n工具表面粗糙度在各個(gè)方向不同，各方工具表面粗糙度在各個(gè)方向不同，各方向的摩擦系數(shù)也不同向的摩擦系數(shù)也不同n沿加工方向的摩擦系數(shù)比垂直加工方向沿加工方向的摩擦系數(shù)比垂直加工方向摩擦系數(shù)約小摩擦系數(shù)約小20%22二、工具材料及其表面狀態(tài)工具材料及其表面狀態(tài)三、接觸面上的單位壓力接觸面上的單位壓力n單位壓力較小，摩擦系數(shù)保持不變單位壓力較小，摩擦系數(shù)保持不變n單位壓力增大到一定數(shù)值后，摩擦系數(shù)單位壓力增大到一定數(shù)值后，摩擦系數(shù)隨單位壓力的增大而上升；上升到一定隨單位壓力的增大而上升；上升到一定程度后又

15、趨于穩(wěn)定程度后又趨于穩(wěn)定24n變形溫度較低，摩擦系數(shù)隨變形溫度的升高而升高n溫度到達(dá)某一值，摩擦系數(shù)達(dá)到最大值n之后隨溫度的升高，摩擦系數(shù)下降25四、變形溫度五、變形速度摩擦系數(shù)隨變形速度增加而下降摩擦系數(shù)隨變形速度增加而下降圖4-8第五節(jié)第五節(jié) 測(cè)定外摩擦系數(shù)的方法測(cè)定外摩擦系數(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 1.夾鉗軋制法22cos2tgPTnkhH sin簡(jiǎn)單易做，也比較精確，可用來測(cè)定冷、熱態(tài)下的摩擦系數(shù)。簡(jiǎn)單易做，也比較精確，可用來測(cè)定冷、熱態(tài)下的摩擦系數(shù)。 )(2)(ccccLLLL2.2.楔形件壓縮法楔形件壓縮法與軋制過程及一般的平錘下鐓

16、粗相似，應(yīng)用較方便，主要困難是在與軋制過程及一般的平錘下鐓粗相似，應(yīng)用較方便，主要困難是在于于較難準(zhǔn)確的確定中立面的位置及精確的測(cè)定較難準(zhǔn)確的確定中立面的位置及精確的測(cè)定有關(guān)數(shù)據(jù)。有關(guān)數(shù)據(jù)。 此法較簡(jiǎn)單，此法較簡(jiǎn)單，不需測(cè)定壓力不需測(cè)定壓力，也不需制備許多壓頭和試件。，也不需制備許多壓頭和試件?？蓽y(cè)定各種溫度、速度條件下的摩擦系數(shù)，應(yīng)用廣泛。但由可測(cè)定各種溫度、速度條件下的摩擦系數(shù)，應(yīng)用廣泛。但由于圓環(huán)試件在于圓環(huán)試件在鐓粗時(shí)會(huì)出現(xiàn)鼓形鐓粗時(shí)會(huì)出現(xiàn)鼓形。環(huán)孔出現(xiàn)橢圓形等，引起。環(huán)孔出現(xiàn)橢圓形等，引起測(cè)量上的誤差，影響結(jié)果的精確性。測(cè)量上的誤差，影響結(jié)果的精確性。高度高度內(nèi)內(nèi)徑徑第六節(jié)第六節(jié) 塑

17、性加工的工藝潤滑塑性加工的工藝潤滑工藝潤滑的目的及潤滑機(jī)理工藝潤滑的目的及潤滑機(jī)理 一一. . 潤滑的目的潤滑的目的: :減少工模具磨損，延長(zhǎng)工具使用壽命減少工模具磨損，延長(zhǎng)工具使用壽命提高制品質(zhì)量提高制品質(zhì)量降低金屬變形時(shí)的能耗降低金屬變形時(shí)的能耗 二二. . 潤滑機(jī)理潤滑機(jī)理: :流體力學(xué)原理流體力學(xué)原理所謂所謂潤滑劑的潤滑劑的活性活性，就是潤滑劑中的極性分子在摩擦表，就是潤滑劑中的極性分子在摩擦表面形成結(jié)實(shí)的保護(hù)層的能力。它決定潤滑劑的潤滑性能面形成結(jié)實(shí)的保護(hù)層的能力。它決定潤滑劑的潤滑性能及與摩擦物體之間吸引力的大小。當(dāng)潤滑劑中有極性的及與摩擦物體之間吸引力的大小。當(dāng)潤滑劑中有極性的物

18、質(zhì)存在時(shí)，會(huì)減少純?nèi)軇┑谋砻鎻埩?，而加?qiáng)金屬（物質(zhì)存在時(shí)，會(huì)減少純?nèi)軇┑谋砻鎻埩?，而加?qiáng)金屬（工具與變形物體）與潤滑劑分子間的吸附力。工具與變形物體）與潤滑劑分子間的吸附力。所謂所謂潤滑劑的潤滑劑的粘度粘度，是指潤滑劑本身粘、稠的程度。它，是指潤滑劑本身粘、稠的程度。它是衡量潤滑油流動(dòng)阻力的參數(shù)，是衡量潤滑油流動(dòng)阻力的參數(shù)，吸附機(jī)制吸附機(jī)制三、潤滑劑的選擇三、潤滑劑的選擇 1 1塑性成形中對(duì)潤滑劑的要求塑性成形中對(duì)潤滑劑的要求在選擇及配制潤滑劑時(shí)，在選擇及配制潤滑劑時(shí)，必符合下列要求：必符合下列要求：（1 1）潤滑劑應(yīng)有良好的）潤滑劑應(yīng)有良好的耐壓性能耐壓性能，在高壓作用下，潤滑膜，在高壓作用

19、下，潤滑膜仍能吸附在接觸表面上，保持良好的潤滑狀態(tài)；仍能吸附在接觸表面上，保持良好的潤滑狀態(tài)；（2 2）潤滑劑應(yīng)有良好）潤滑劑應(yīng)有良好耐高溫耐高溫性能，在熱加工時(shí)，潤滑劑應(yīng)性能，在熱加工時(shí)，潤滑劑應(yīng)不分解，不變質(zhì)；不分解，不變質(zhì)；（3 3）潤滑劑有）潤滑劑有冷卻模具冷卻模具的作用；的作用；（4 4）潤滑劑）潤滑劑不應(yīng)對(duì)金屬和模具有腐蝕不應(yīng)對(duì)金屬和模具有腐蝕作用；作用；（5 5）潤滑劑應(yīng)對(duì)人體無毒，不污染環(huán)境；）潤滑劑應(yīng)對(duì)人體無毒，不污染環(huán)境；（6 6）潤滑劑要求使用、清理方便、來源豐富、價(jià)格便宜等）潤滑劑要求使用、清理方便、來源豐富、價(jià)格便宜等。2 2常用的潤滑劑常用的潤滑劑液體潤滑劑液體潤滑劑包括礦物油、動(dòng)植物油、乳液等包括礦物油、動(dòng)植物油、乳液等固體潤滑劑固體潤滑劑，常溫下固態(tài)包括石墨、二硫化鉬、肥皂等，常溫下固態(tài)包括石墨、二硫化鉬、肥皂等液液- -固型潤滑劑固型潤滑劑熔體潤滑劑熔體潤滑劑 四四. . 潤滑劑中的添加劑潤滑劑中的添加劑 潤滑油中的添加劑，一般應(yīng)易潤滑油中的添加劑，一般應(yīng)易溶于機(jī)油，熱穩(wěn)定性要好溶于機(jī)油，熱穩(wěn)定性要好，且應(yīng)具有良好的物理化學(xué)性能。且應(yīng)具有良好的物理化學(xué)性能。 常用的添加劑有常用的添加劑有油性劑、極壓劑