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第四章 金属塑性加工的摩擦与润滑


第4章 金属塑性加工的摩擦与润滑
§4.1 概述 §4.2 金属塑性加工时摩擦的特点及作用 §4.3 塑性加工中摩擦的分类及机理 §4.4 摩擦系数及其影响因素 §4.5 测定摩擦系数的方法 §4.6 塑性加工的工艺润滑

§4.1 概述

金属塑性成形中的材料表面形貌

金属塑性成形中的摩擦分类

/>(1)按产生摩擦的部位 (外)摩擦:发生在金属和工具相接触面间, 阻碍金属自由流动的摩擦。 内摩擦:变形金属内晶界面上或晶内滑移 面上产生的摩擦。

(2)按摩擦的运动状态——静摩擦和动摩擦

(3)按摩擦的运动形式——滚动摩擦和滑动摩擦
(4)按摩擦副的材质——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、 金属材料与弹性材料之间的摩擦等。

§4.2 金属塑性加工时摩擦的特点及作用
§4.2.1 塑性成形时摩擦的特点
? 高压下的摩擦
? 较高温度下的摩擦

? 伴随着塑性变形的摩擦
? 摩擦副(金属与工具)的性质相差大

§4.2.2 外摩擦在压力加工中的作用

摩擦的不利方面
? 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

不均匀
? 恶化工件表面质量,加速

模具磨损,降低工具寿命

开式模锻时的飞边

增大摩擦,改善 轧制过程咬入条件 摩擦的利用
摩擦应力促进金属的变形发展

增大冲头与板片间 的摩擦,强化工艺,减少 起皱和撕裂等造成的废品

Conform连续挤压法

§4.3 塑性加工中摩擦的分类及机理

外摩擦的分类
?
? ?

摩擦机理
?
? ?

干摩擦
流体摩擦 边界摩擦

分子吸附说
表面凸凹学说 粘着理论

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

之间的摩擦

2.流体摩擦
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
膜隔开,摩擦发生在流体内部分子之间 。

流体摩擦的特点
? 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
? 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)、 速度梯度等因素
? 摩擦系数很小

3.边界摩擦
坯料与工具之间被一层厚度约为0.1μm的极薄
润滑油膜分开时的摩擦状态,介于干摩擦与流

体摩擦之间。

4.混合摩擦
在摩擦表面上同时存在着流体摩擦、边界摩擦 和干摩擦的混合状态下的摩擦。

? 半干摩擦:干摩擦+边界摩擦
? 半流体摩擦:边界摩擦+流体摩擦

摩擦机理

? 表面凸凹学说 ? 分子吸附说 ? 粘着理论

1.表面凸凹学说

? 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

机械咬合,此时摩擦力表现为这些凸峰被 剪切时的变形阻力。

2.分子吸附说

? 摩擦产生的原因是由于接触面上分子之间的

相互吸引的结果。
? 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,滑动摩擦力也就越大。

3.粘着理论

? 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,摩擦力是切断金属粘

着所需要的切断力。

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(即全滑动),认
为摩擦符合库仑定律。

(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。

F ? ? N或? ? ??

N

说明
? 由于摩擦系数为常数(由实验确定),故又称

常摩擦系数定律
? 摩擦切应力不能随 ? N 的增大而无限增大。

当? ??

max

? k 时,接触面将要产生塑性流动

? 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

工过程。

2.最大摩擦条件

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( )等于变形金属流动时的 临界切应力k,即:

?

? ?k ?
T

?
2

?

T

? ——塑性变形的流动应力,即屈服力 ? ——反映中间主应力影响的系数

说明

按Mises屈服条件,? ? ? 0.5 ~ 0.577 ?? ,
T

在轴对称情况下,? ? 0.5? ;在平面
T

应变条件下,? ? 0.577? 。
T

按Tresca屈服条件,? ? 0.5? 。
T

热变形时常采用最大摩擦力条件。

3.摩擦力不变条件

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 ? 是常数,即常摩擦力定律,其表
达式为:

? ? m? k
m——摩擦因子(0-1.0) 即相对于流动应力的摩擦系数

说明

? 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
粗、模锻以及润滑较困难的热轧等变形。

§4.4 摩擦系数及其影响因素
? 库仑摩擦条件用得比较普遍,因而讨论

影响其摩擦系数的主要因素。
? 摩擦系数通常是指接触面上的平均摩擦

系数。
? 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 与性能等而不同。

§4.4.1 金属的种类和化学成分
? 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
属分子之间相互结合力都与化学成分有关
? 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
? 粘附性较强的金属通常具有较大的摩擦系数,如

Pb、Al、Zn
? 一般情况下,材料的硬度、强度越高,摩擦系数

就越小。

§4.4.1 金属的种类和化学成分

? 一般说,随着合金

元素的增加,摩擦
系数下降。
? 对于黑色金属,随

着碳的质量分数的 增加,摩擦系数有 所下降。

§4.4.2 工具材料及其表面状态
? 工具材料:铸铁、钢、淬火钢、合金钢、硬质合

金、金属陶瓷
? 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。
? 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 并不常见。
? 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。

§4.4.3 接触面上的单位压力
? 单位压力较小时,

摩擦系数与正压力 无关,保持不变;
? 单位压力增大到一

定值后,摩擦系数

随其增大而上升,
最终趋于稳定。

§4.4.4 变形温度

? 变形温度较低时,摩

擦系数随变形温度升 高而增大,到某一温 度,达最大值,此后, 随变形温度继续升高

而降低。

§4.4.5 变形速度

? 摩擦系数随变形

速度增加而有所
下降。

纯Al

§4.4.6 润滑剂

? 正确选用润滑剂,可显著降低摩擦系数。 ? 查阅相关加工手册(或实际测量)。

§4.5 测定摩擦系数的方法

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)。
? 夹钳轧制法 ? 楔形件压缩法

? 圆环镦粗法

§4.5.1 夹钳轧制法

基本原理:利用纵 轧时力的平衡条件

来测定摩擦系数

轧制打滑时力的平衡条件

§4.5.1 夹钳轧制法

T ? 2 P sin
n

?
2

? 2 ? P cos
n

?
2

??
n

T 2 P cos

?
2

? tan

?
2

§4.5.1 夹钳轧制法

(1) T (2) Pn

2 P ? P cos
n

?
2

? ? P sin
n

?
2

? 2 P ? P cos
n

?
2

?P ?
n

2P cos

?
2

§4.5.1 夹钳轧制法

(3)咬入角α

H ?h ? R ? R cos ? 2 ? R ?1 ? cos ? ?
R? ? 2 R sin ? 2 2 H ?h ?? ? R
2

?

2

§4.5.2 楔形件压缩法

P ? P ?T ? T
' '' '' x x x

'

P ? Pbl sin
' ' x c

? ?
2 2

x

P ? Pbl sin
'' '' x c '' '' x c

T ? ? Pbl cos T ? ? Pbl cos
' ' x c

? ?
2

2

§4.5.2 楔形件压缩法

l sin
c

'

?
2

? l sin
'' c

?
2

? ?l cos
'' c

?
2

? ?l cos
' c

?
2

当? 很小时, sin l
'

?
2

?
' c

?
2

, cos

?
2

?1

?
2

c

?l

''

?
2

c

? ?l ? ?l
'' c

§4.5.2 楔形件压缩法

2 ?? (l ? l )
' '' c c

(l ? l )
' '' c c

?

§4.5.3 圆环镦粗法

将一定尺寸的圆环试样(如外径:内径:高= φ40:20:10或φ20:10:7)放在平坫间进行压缩。

§4.5.3 圆环镦粗法

摩擦系数的标定曲线 (理论校准曲线): 利用塑性理论

(上限法或应力分析
法)对圆环变形进行 分析,可求得不同摩 擦系数、不同压缩量 下圆环内径的变化值

§4.5.4 塑性加工常用摩擦系数 ?热锻时的摩擦系数
坯料温度 (℃) 1000 1200 400 不同润滑剂的 ? 值 无润滑 0. 37 0. 43 无润滑 0. 48 汽缸油 +10%石墨 0. 09 炭 末 0. 18 0. 25 胶体石墨 0. 10 精制石蜡 +10%石墨 0. 09 机油石墨 0. 29 0. 31 精制石蜡 0. 16

材料 45 钢

锻铝

?磷化处理后冷锻时的摩擦系数
压 力 (MPa) 7 35 70 140 无磷化膜 0.108 0.068 0.057 0.07

?
磷酸锌 0.013 0.032 0.043 0.043

值 磷酸锰 0.085 0.070 0.057 0.066 磷酸镉 0.034 0.069 0.055 0.055

?拉深时的摩擦系数
材料 08 钢 铝 杜拉铝

无润滑 0.20~0.25

矿物油 0.15 0.25 0.15 0.16

油+石墨 0.08~0.10 0.15 0.10 0.08~0.10

12Cr18Ni9Ti 0.30~0.35 0.25 0.22

?热挤压时的摩擦系数

? (1)钢热挤压(用玻璃做润滑剂)时, ? 0.025 ~ 0.050
(2)有色金属热挤压时,摩擦系数见下表。
润 滑 无润滑 石墨+油

?
铜 0. 25 黄 铜 0. 18~0.27 青 铜 0. 27~0.29



铝 0.28

铝合金 0.35

镁合金 0. 28

比上面相应数值降低 0. 030~0. 035

?热轧时的摩擦系数 (1)咬入时:?

? 0.3 ~ 0.6 (2)轧制过程中: ? 0.2 ~ 0.4 ?

?拉拔时的摩擦系数 (1)拉拔低碳钢: ?

? 0.05 ~ 0.07 ? (2)拉拔铜及铜合金: ? 0.05 ~ 0.08 (3)拉拔铝及铝合金:? ? 0.07 ~ 0.11 (4)拉拔黄铜丝:? ? 0.04 ~ 0.11

§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 提高制品质量 降低金属变形时的能耗

二. 润滑机理
流体力学原理

du T ?? F dy du ?v ? dy ? ?v T ?? ? F

? ?v t ?? ? ?

吸附机制

润滑剂的活性
? 活性:润滑剂

中的极性分子 在摩擦表面形

成结实的保护
层的能力。它 决定润滑剂的

润滑性能及与
摩擦物体之间

吸引力的大小
在铁表面上硬脂酸组成的边界润滑膜

润滑剂的物理性能指标
? (1) 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。
? (2) 密度

? (3) 针入度
? (4) 滴点 ? (5) 闪点和着火点 ? (6) 倾点和凝点

润滑剂的化学性能指标
? (1) 酸值 ? (2) 碱值

? (3) 氧化度
? (4) 抗污染性

? (5) 耐热稳定性
? (6) 抗氧化稳定性 ? (7) 防锈性 ? (8) 防腐蚀性

三、润滑剂的选择 1.塑性成形中对润滑剂的要求 (1)良好的耐压性能; (2)良好的耐高温性能; (3)有冷却模具的作用; (4)对金属和模具无腐蚀作用; (5)对人体无毒,不污染环境; (6)使用、清理方便、来源丰富、价格便宜等。

2.常用的润滑剂
? 液体润滑剂:矿物油、动植物油、乳液、有机

化合物液等
? 固体润滑剂:石墨、二硫化钼、肥皂、云母等 ? 液-固型润滑剂:石墨乳液、二硫化钼油剂等 ? 熔体润滑剂:玻璃

图4-17 硬脂酸钠乳化剂作用机理示意图

乳化剂

挤压筒 玻璃 挤压轴

穿孔针

模子 图4-18 热挤压时的玻璃润滑 玻璃

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; 2)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。

四. 润滑剂中的添加剂
? 润滑油中的添加剂,一

般应易溶于机油,热稳 定性要好,且应具有良

摩 擦 系 数

μ μ μ
温度 T 图4-19 各种润滑剂的效果 Ⅰ矿物油;Ⅱ—脂肪酸; Ⅲ—极压剂;Ⅳ—极压剂加脂肪酸

好的物理化学性能。

? 常用的添加剂有油性剂、

极压剂、抗磨剂和防锈
剂等。

表4-7 润滑油中常用的添加剂及其添加量

种 类 1.油性剂 2.极压剂 3.抗磨剂 4.防锈剂 5.乳化剂 6.流动点 下降剂 7.粘度剂

作 用 形成油膜,减少摩擦 防止接触表面粘合 形成保护膜,防止磨损 防止润滑油生锈 使油乳化、稳定乳液

化合物名称 长链脂肪酸、油酸 有机硫化物、氯化物 磷酸酯 羧酸、酒精 硫酸、磷酸酯

添加量

0.1~1%
5~10% 5~10% 0.1~1% ~3% 0.1~1% 2~10%

防止低温时油中石蜡固化 氯化石蜡 提高润滑油粘度 聚甲基丙烯酸等聚合 物

凹模

五. 润滑方法的改进

套管 润滑剂

毛坯

1.流体润滑 2.表面处理 (1)表面磷化处理 (2)表面氧化处理
凹模 润滑剂 毛坯

图4-20

强制润滑拉拔示意图
冲头

(3)表面镀层

图4-21 反挤压时的润滑情况

1

P 1 2 2

3

3

t

图4-22 机械挤压法与静液挤压法比较


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