金屬塑性加工中的摩擦與潤滑

金屬塑性加工中的摩擦與潤滑第1頁，共19頁，2023年，2月20日，星期四5.1金屬塑性加工中的摩擦特點與影響1塑性成形時摩擦的特點1）接觸面單位壓力大熱加工:100~150MPa，冷加工:50~2500MPa。潤滑劑難以帶入或易從變形區(qū)擠出，即潤滑困難及潤滑方法特殊。2）接觸面溫度較高熱加工溫度：800~1200℃，冷加工：200300℃。內部組織和性能變化，表面氧化，潤滑劑受影響。3）接觸面更新和分區(qū)工具與金屬間接觸條件改變。接觸面上各處塑性流動不同，有滑動、粘著，有快、慢，接觸面上各點摩擦不同。4）摩擦副性質差別大，工具無塑性變形、組織不發(fā)生變化；工件較大塑性變形。二者性質與作用差異大，變形摩擦特殊。第2頁，共19頁，2023年，2月20日，星期四2外摩擦在壓力加工中的作用外摩擦大多數(shù)有害，主要為：1）改變物體應力狀態(tài)，增加變形抗力和能耗。一般情況下，摩擦加大使負荷增加30%。2）引起工件變形與應力分布不均勻

3）惡化工件表面質量4）加速模具磨損，降低工具壽命。第3頁，共19頁，2023年，2月20日，星期四5.1.2外摩擦在壓力加工中的作用應用摩擦改善生產(chǎn)1）增大摩擦改善軋制過程咬入條件2）增大沖頭與板片間摩擦，減少起皺和撕裂第4頁，共19頁，2023年，2月20日，星期四

5.2金屬塑性加工中的摩擦與潤滑理論摩擦分類1)．干摩擦金屬與工具的接觸表面之間不存任何外來介質，即金屬與金屬直接接觸時所產(chǎn)生的摩擦。通常指不加潤滑劑的摩擦狀態(tài)。庫侖摩擦條件F=μN

或

τ=μσn，μmax=0.5~0.577式中

F為摩擦力；

μ為外摩擦系數(shù)；

N為垂直于接觸面正壓力；

σn為接觸面上的正應力；

τ為接觸面上的摩擦切應力。

第5頁，共19頁，2023年，2月20日，星期四粘著摩擦理論：F=sτb式中

F為摩擦力；s為粘著點處實際剪切面積；

τb較軟金屬剪切強度。摩擦力不變條件（也稱常摩擦力定律）接觸面間的摩擦力不隨正壓力大小而變。其單位摩擦力τ是常數(shù)，即表達式為：τ=m·k

式中，m為摩擦因子，（0~1.0）k為臨界切應力第6頁，共19頁，2023年，2月20日，星期四2．流體摩擦

當金屬與工具表面之間上加入潤滑層較厚，摩擦副在相互運動中不直接接觸，完全由潤滑油膜隔開，摩擦發(fā)生在流體內部分子之間。特點：摩擦力大小與接觸面的表面狀態(tài)無關，與流體的粘度、速度梯度等因素有關。流體摩擦的摩擦系數(shù)很小。式中：η為層間流體的粘度dv/dz速度梯度動壓潤滑：μ=0.005-0.02第7頁，共19頁，2023年，2月20日，星期四3．邊界摩擦坯料與工具之間的接觸表面厚度小于1μm潤滑膜潤滑摩擦狀態(tài)，μ=0.05~0.15。隨著接觸壓力的增加，坯料表面凸起部分被壓平，潤滑劑被擠入凹坑中，被封存在里面,這時在壓平部分與模具之間存在一層極薄的潤滑膜，這種潤滑膜一般是一種流體的單分子膜，接觸表面就處在被這種單分子膜隔開的狀態(tài)，這種單分子膜潤滑的狀態(tài)稱為邊界潤滑。

a)干摩擦b)邊界摩擦c)流體摩擦第8頁，共19頁，2023年，2月20日，星期四5.3減少摩擦的措施

金屬的種類和化學成分5.3.1影響摩擦的主要因素

同種材料，化學成分變化時，摩擦系數(shù)不同。鋼中的碳含量增加時，摩擦系數(shù)會減小。隨著合金元素的增加，摩擦系數(shù)下降。粘附性較強金屬具有較大的摩擦系數(shù),硬度、強度越高，摩擦系數(shù)就越小

軟鋼為0.17；鋁為0.18；黃銅為0.10，電解銅為0.17第9頁，共19頁，2023年，2月20日，星期四2.工具材料及其表面狀態(tài)工具材料鑄鐵材料摩擦系數(shù)比鋼摩擦系數(shù)低15%~20%淬火鋼的摩擦系數(shù)與鑄鐵的摩擦系數(shù)相近硬質合金軋輥摩擦系數(shù)比合金鋼軋輥摩擦系數(shù)降低10%~20%金屬陶瓷軋輥的摩擦系數(shù)比硬質合金輥降低10~20%。工具表面狀態(tài)工具表面精度及機加工方法不同，摩擦系數(shù)在0.05~0.5范圍內變化。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高，由于分子吸附作用增強，反使摩擦系數(shù)增大。

第10頁，共19頁，2023年，2月20日，星期四3.接觸面上的單位壓力

單位壓力較小，表面分子吸附作用不明顯，摩擦系數(shù)與正壓力無關，摩擦系數(shù)認為是常數(shù)。當單位壓力增加到一定數(shù)值后，潤滑劑被擠掉或表面膜破壞，這增加真實接觸面積，使分子吸附作用增強，即摩擦系數(shù)隨壓力增加而增加，但增加到一定程度后趨于穩(wěn)定。

正壓力對摩擦系數(shù)的影響第11頁，共19頁，2023年，2月20日，星期四溫度對銅的摩擦系數(shù)的影響0μ0.40.2400600800℃

溫度對鋼的摩擦系數(shù)的影響μ0.40.2400600800℃2000.10.30.5

4

變形溫度兩個相反的結果：

1）溫度增加，加劇表面的氧化而增加摩擦系數(shù)；2）溫度提高，被變形金屬的強度降低，單位壓力也降低，導致摩擦系數(shù)的增加。

大量實驗結果表明：開始時摩擦系數(shù)隨溫度升高而增加，達到最大值以后又隨溫度升高而降低。氧化質起潤滑劑的作用

第12頁，共19頁，2023年，2月20日，星期四5

變形速度隨著變形速度增加，摩擦系數(shù)下降原因：與摩擦狀態(tài)有關。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。但變形速度與變形溫度密切相關，影響潤滑劑的曳入效果。隨著條件的不同，變形速度對摩擦系數(shù)的影響也很復雜。有時會得到相反的結果。純鋁軋制時軋制速度對摩擦系數(shù)影響1—壓下率60%，潤滑油中無添加劑2—壓下率60%，潤滑油中加入酒精3—壓下率25%，潤滑油中加入酒精第13頁，共19頁，2023年，2月20日，星期四6.潤滑劑潤滑劑作用:

防粘減摩,減少工模具磨損。不同潤滑劑所起的效果不同熱擠壓時的摩擦系數(shù)潤

滑μ值銅黃

銅青

銅鋁鋁合金鎂合金無潤滑0.250.18~0.270.27~0.290.280.350.28石墨+油比上面相應數(shù)值降低0.030~0.035第14頁，共19頁，2023年，2月20日，星期四5.3.2減少摩擦的措施工具材料工具表面狀態(tài)潤滑劑接觸面上的單位壓力變形溫度第15頁，共19頁，2023年，2月20日，星期四

5.4摩擦系數(shù)測定

鉗軋制法基本原理：利用縱軋時力的平衡條件實驗方法：用鉗子夾住板材的未軋入部分，鉗子的另一端與測力儀相聯(lián)，由該測力儀可測得軋輥打滑時的水平力T。

第16頁，共19頁，2023年，2月20日，星期四5.4摩擦系數(shù)測定

楔形件壓縮法基本原理：按照金屬流動規(guī)律，接觸表面金屬質點沿阻力最小方向流動，在水平方向中間，一定有一個金屬質點朝兩個方向流動的分界面——中立面當角已知，并在實驗后能測出及的長度，即可算出摩擦系數(shù)。斜錘間塑壓楔形件第17頁，共19頁，2023年，2月20日，星期四5.4摩擦系數(shù)測定