摩擦与润滑ppt

张贵杰

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河北联合大学金属材料及加工工程系

第九章  塑性加工中的摩擦与润滑 

主要内容

Main Content

金属塑性加工时摩擦的特点及作用 

塑性加工中摩擦的分类及机理 

摩擦系数及其影响因素 

测定摩擦系数的方法 

塑性加工的工艺润滑 

9.1  金属塑性加工时摩擦的特点及作用

金属塑性加工时摩擦的特点：

    （1）是在高压下产生的摩擦

    （2）是在较高温度下的摩擦 

    （3）不断增加新的接触表面

    （4）摩擦副（金属与工具）的性质相差大

在高压下产生的摩擦

塑性成形时接触表面上的单位压力很大，一般热加工时面压力为100~150MPa，冷加工时可高达500~2500MPa。但是，机器轴承中，接触面压力通常只有20~50MPa。

如此高的接触面压力使润滑剂难以带入或容易从变形区挤出，使润滑困难及润滑方法特殊。

较高温度下的摩擦

塑性加工时界面温度条件例恶劣。对于热加工，根据金属不同，温度在数百度至一千多度之间，对于冷加工，则由于变形热效应、表面摩擦热，温度可达到颇高的程度。高温下的金属材料，除了内部组织和性能变化外，金属表面要发生氧化，给摩擦润滑带来很大影响。

不断增加新的接触表面

伴随着塑性变形而产生的摩擦，在塑性变形过程中由于高压下变形，会不断增加新的接触表面，使工具与金属之间的接触条件不断改变。接触面上各处的塑性流动情况不同，有的滑动，有的粘着，有的快，有的慢，因而在接触面上各点的摩擦也不一样。

摩擦副（金属与工具）的性质相差大

一般工具都硬且要求在使用时不产生塑性变形；而金属不但比工具柔软得多，且希望有较大的塑性变形。二者的性质与作用差异如此之大，因而使变形时摩擦情况也很特殊。

外摩擦在压力加工中的作用：

9.2  塑性加工中摩擦的分类及机理

外摩擦的分类

干摩擦

流体摩擦

边界摩擦

干摩擦

干摩擦是指不存任何外来介质时金属与工具的接触表面之间的摩擦。但在实际生产中，这种绝对理想的干摩擦是不存在的。通常说的干摩擦指的是不加润滑剂的摩擦状态。 

摩擦力计算

库仑摩擦定律

粘着摩擦理论

分子－机械摩擦理论

流体摩擦

当金属与工具表面之间的润滑层较厚，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者称为流体摩擦。

它不同于干摩擦，摩擦力的大小与接触面的表面状态无关，而是与流体的粘度、速度梯度等因素有关。因而流体摩擦的摩擦系数是很小的。

摩擦力计算

液体摩擦定律

边界摩擦

这是一种介于干摩擦与流体摩擦之间的摩擦状态，称为边界摩擦。这种摩擦出现在高压、低速和润滑剂粘度小的情况。

在实际生产中，由于摩擦条件比较恶劣，理想的流体润滑状态较难实现。此外，在塑性加工中，无论是工具表面，还是坯料表面，都不可能是“洁净”的表面，总是处于介质包围之中，总是有一层敷膜吸附在表面上，这种敷膜可以是自然污染膜，油性吸附形成的金属膜，物理吸附形成的边界膜，润滑剂形成的化学反应膜等。因此理想的干摩擦不可能存在。实际上常常是上述三种摩擦共存的混合摩擦。

分子吸附说

当两个接触表面非常光滑时，接触摩擦力不但不降低，反而会提高，这一现象无法用机械咬合理论来解释。分子吸附学说认为：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，分子间的作用力越强。克服该分子间作用力的摩擦力也就越大。

粘着理论

表面凹凸学说

所有经过机械加工的表面并非绝对平坦光滑，都有不同程度的微观凸起和凹入。当凹凸不平的两个表面相互接触时，一个表面的部分“凸峰”可能会陷入另一表面的凹坑，产生机械咬合。

当这两个相互接触的表面在外力的作用下发生相对运动时，相互咬合的部分会被剪断，此时摩擦力表现为这些凸峰被剪切时的变形阻力。

根据这一观点，相互接触的表面越粗糙，相对运动时的摩擦力就越大。降低接触表面的粗糙度，或涂抹润滑剂以填补表面凹坑，都可以起到减少摩擦的作用。

9.3  摩擦系数及其影响因素

金属的种类和化学成分 

工具材料及其表面状态 

接触面上的单位压力 

变形温度 

变形速度 

润滑剂

金属的种类和化学成分

摩擦系数随着不同的金属、不同的化学成分而异。由于金属表面的硬度、强度、吸附性、扩散能力、导热性、氧化速度、氧化膜的性质以及金属间的相互结合力等都与化学成分有关，因此不同种类的金属，摩擦系数不同。例如，用光洁的钢压头在常温下对不同材料进行压缩时测得摩擦系数：软钢为0. 17；铝为0.18；黄铜为0.10，电解铜为0.17，即使同种材料，化学成分变化时，摩擦系数也不同。如钢中的碳含量增加时，摩擦系数会减小。一般说，随着合金元素的增加，摩擦系数下降。材料的硬度、强度越高，摩擦系数就越小。 

工具材料及其表面状态

工具选用铸铁材料时的摩擦系数，比选用钢时摩擦系数可低15%~20%，而淬火钢的摩擦系数与铸铁的摩擦系数相近。硬质合金轧辊的摩擦系数较合金钢轧辊摩擦系数可降低10%~20%，而金属陶瓷轧辊的摩擦系数比硬质合金辊也同样可降低10~20%。 

工具的表面状态视工具表面的精度及机加工方法的不同，摩擦系数可能在0.05~0.5范围内变化。一般来说，工具表面光洁度越高，摩擦系数越小。但如果两个接触面光洁度都非常高，由于分子吸附作用增强，反使摩擦系数增大。 

接触面上的单位压力

单位压力较小时，表面分子吸附作用不明显，摩擦系数与正压力无关，摩擦系数可认为是常数。当单位压力增加到一定数值后，润滑剂被挤掉或表面膜破坏，这不但增加了真实接触面积，而且使分子吸附作用增强，从而使摩擦系数随压力增加而增加，但增加到一定程度后趋于稳定， 

变形温度

变形温度对摩擦系数的影响很复杂。因为温度变化时，材料的温度、硬度及接触面上的氧化质的性能都会发生变化，可能产生两个相反的结果：一方面随着温度的增加，可加剧表面的氧化而增加摩擦系数；另一方面，随着温度的提高，被变形金属的强度降低，单位压力也降低，这又导致摩擦系数的减小，所以，变形温度是影响摩擦系数变化因素中，最积极、最活泼的一个，很难一概而论。 

温度较低时，金属的硬度大，氧化膜薄，摩擦系数小。随着温度升高，金属硬度降低，氧化膜增厚，表面吸附力，原子扩散能力加强；同时，高温使润滑剂性能变坏，所以，摩擦系数增大。当温度继续升高，由于氧化质软化和脱落，氧化质在接触表面间起润滑剂的作用，摩擦系数反而减小。 

变形速度

许多实验结果表明，随着变形速度增加，摩擦系数下降 

变形速度增加引起摩擦系数下降的原因，与摩擦状态有关。在干摩擦时，变形速度增加，表面凹凸不平部分来不及相互咬合，表现出摩擦系数的下降。在边界润滑条件下，由于变形速度增加，油膜厚度增大，导致摩擦系数下降，如图4-9所示。但是，变形速度与变形温度密切相关，并影响润滑剂的曳入效果。 

润滑剂

压力加工中采用润滑剂能起到防粘减摩以及减少工模具磨损的作用，而不同润滑剂所起的效果不同。因此，正确选用润滑剂，可显著降低摩擦系数。常用金属及合金在不同加工条件下的摩擦系数可查有关加工手册（或实际测量）。 

其他因素

压下率

           带润滑冷轧时，若试样表面不粗糙，一般随压下率增加摩擦系数增大。

变形区几何形状参数l/h

           摩擦系数随l/h的增大而减小。

轧辊直径

           当其它条件相同时，摩擦系数随轧辊直径的增加而减小。

9.4  测定摩擦系数的方法

夹钳轧制法 

楔形件压缩法 

圆环镦粗法 

轧制力矩法

9.5  塑性加工的工艺润滑

润滑的目的 

润滑机理 

润滑剂的选择

润滑方法的改进

润滑的目的

降低金属变形时的能耗 

提高制品质量 

减少工模具磨损，延长工具使用寿命

润滑机理

流体力学原理

吸附机制

金属塑性加工用润滑剂从本质上可分为不含有表面活性物质（如各类矿物油）和含有表面活性物质（如动、植物油，添加剂等）两大类。这些润滑剂中的极性或非极性分子对金属表面都具有吸附能力，并且通过吸附作用在金属表面形成油膜。

润滑剂的选择

液体润滑剂

      矿物油（非极性）、动植物油（极性）、乳液（油包水或水包油等）

固体润滑剂

      石墨(500℃)、二硫化钼(350℃)、肥皂、氮化硼(900℃)等

液－固体润滑剂

      把固体润滑粉末悬浮在润滑油或工作油中，构成乳液

熔体润滑剂

      玻璃(500~2000℃)

润滑方法的改进

流体润滑

改变工具形状

工件表面处理

表面磷化处理＋皂化

表面氧化处理

表面镀层

课后作业Homework

习题集P46习题7、9、10