第12讲 摩擦与润滑

1、材料成形原理材料成形原理C Principle of Material Forming C 第十二讲第十二讲 Lesson Twelve 李振红李振红 Li Zhenhong PhoneE-Mail： 南京工程学院材料工程系 Department of Material Science and Engneering Nanjing Institute of Technology 2021-8-42 第四章 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塑性加工中摩擦的

2、分类及机理 摩擦系数及其影响因素摩擦系数及其影响因素 测定摩擦系数的方法测定摩擦系数的方法 塑性加工的工艺润滑塑性加工的工艺润滑 2021-8-43 4.1 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及作用 金属塑性加工时摩擦的特点：金属塑性加工时摩擦的特点： （1）是在高压下产生的摩擦）是在高压下产生的摩擦 （2）是在较高温度下的摩擦）是在较高温度下的摩擦 （3）不断增加新的接触表面）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）摩擦副（金属与工具）的性质相差大 （5）伴有金属的流动）伴有金属的流动 （6）实际接触面积大）实际接触面积大 2021-8-44 在高压

3、下产生的摩擦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 工时面压力为工时面压力为100500MPa，冷加工时可高达，冷加工时可高达 25003000MPa。但是，机器轴承中，接触面压力。但是，机器轴承中，接触面压力 通常只有通常只有2040MPa。 如此高的接触面压力使润滑剂难以带入或容易从变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。形区挤出，使润滑困难及润滑方法特殊。 2021-8-45 较高温度下的摩擦较高温度下的摩擦 塑性加工时界面温度条件例恶劣。对于热加工，根塑性加工时界面温度条件

4、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。滑带来很大影响。 2021-8-46 不断增加新的接触表面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

5、接触表面，使工由于高压下变形，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。快，有的慢，因而在接触面上各点的摩擦也不一样。 2021-8-47 摩擦副（金属与工具）的性质相差大摩擦副（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金属不但比工具柔软得多，且希望有较大的塑性变

6、形。二者的性质与作用差异如此之大，因而使变形形。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。时摩擦情况也很特殊。 2021-8-48 伴有金属的流动伴有金属的流动 变形金属沿模具和金属接触面上的各点的塑性流动变形金属沿模具和金属接触面上的各点的塑性流动 情况不同，因而各接触点上的摩擦也不同。情况不同，因而各接触点上的摩擦也不同。 2021-8-49 实际接触面积大实际接触面积大 由于压力大，金属发生塑性变形，接触面上的金属由于压力大，金属发生塑性变形，接触面上的金属 凸起被压平，导致实际接触面积增大，接近名义接凸起被压平，导致实际接触面积增大，接近名义接 触面积，使得摩擦力增

7、大。触面积，使得摩擦力增大。 2021-8-410 外摩擦在压力加工中的作用：外摩擦在压力加工中的作用： 不利方面不利方面 改变物体应力状态，改变物体应力状态， 使变形力和能耗增加使变形力和能耗增加 引起工件变形与应力分布不均匀引起工件变形与应力分布不均匀 恶化工件表面质量，加速恶化工件表面质量，加速 模具磨损，降低工具寿命模具磨损，降低工具寿命 2021-8-411 正挤压过程中的附加应力： 基本应力：压应力 附加应力：外层拉应力 中心压应力 产生原因：内层比外层流动快 2021-8-412 摩擦的利用摩擦的利用 增大摩擦改善增大摩擦改善 轧制过程咬入条件轧制过程咬入条件 摩擦应力促进金属的

8、变形发展摩擦应力促进金属的变形发展 增大冲头与板片间增大冲头与板片间 的摩擦，强化工艺，减少的摩擦，强化工艺，减少 起皱和撕裂等造成的废品起皱和撕裂等造成的废品 Conform连续挤压法连续挤压法 2021-8-413 4.2 塑性加工中摩擦的分类及机理塑性加工中摩擦的分类及机理 外摩擦的分类外摩擦的分类 干摩擦干摩擦 流体摩擦流体摩擦 边界摩擦边界摩擦 摩擦机理摩擦机理 分子吸附说分子吸附说 粘着理论粘着理论 表面凸凹学说表面凸凹学说 2021-8-414 干摩擦干摩擦 干摩擦是指不存任何外来介质时金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。属与工具的接触表面之间的摩擦。

9、 但在实际生产中，这种绝对理想的但在实际生产中，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。擦指的是不加润滑剂的摩擦状态。 2021-8-415 摩擦力计算摩擦力计算 库仑摩擦定律库仑摩擦定律 粘着摩擦理论粘着摩擦理论 nf f mk f 2021-8-416 流体摩擦流体摩擦 当金属与工具表面之间的润滑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层较厚，摩擦副在相互运动中 不直接接触，完全由润滑油膜不直接接触，完全由润滑油膜 隔开，摩擦发生在流体内部分隔开，摩擦发生在流体内部分 子之间者称为流体摩擦。子之间者称为流体摩

10、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 小与接触面的表面状态无关，小与接触面的表面状态无关， 而是与流体的粘度、速度梯度而是与流体的粘度、速度梯度 等因素有关。因而流体摩擦的等因素有关。因而流体摩擦的 摩擦系数是很小的。摩擦系数是很小的。 2021-8-417 摩擦力计算摩擦力计算 液体摩擦定律液体摩擦定律 dz dv t , t dz dv 分别为流体层间切应力和液体粘度分别为流体层间切应力和液体粘度 流体速度梯度流体速度梯度 液体摩擦时液体摩擦时 f = 0.0050.02 2021-8-418 边界摩擦边界摩擦 这是一种介于干摩擦与流体摩擦之间的摩擦状态，称为边界这是

11、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。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，都不可能是坯料表面，都不可能是“洁净洁净”的表面，总是处于介质包围的表面，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

12、属膜，物理吸附形成的边界膜，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。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。实际上常常是上述三种摩擦共存的混合摩擦。 2021-8-419 边界摩擦边界摩擦 2021-8-420 分子吸附说分子吸附说 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解释。分子吸附学说

13、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。的摩擦力也就越大。 2021-8-421 粘着理论粘着理论 由于接触压力大，接触面上某些接触点发生由于接触压力大，接触面上某些接触点发生 粘结或焊合，当两表面相互运动时，粘结点粘结或焊合，当两表面相互运动时，粘结点 被切断而产生相对滑动被切断而产生相对滑动 2021-8-422 表面

14、凹凸学说表面凹凸学说 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，一个表面的部分触时，一个表面的部分“凸峰凸峰”可能会陷入另一表面的可能会陷入另一表面的 凹坑，产生机械咬合。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。凸峰被剪切时的变形阻力。

15、根据这一观点，相互接触的表面越粗糙，相对运动时的根据这一观点，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。以填补表面凹坑，都可以起到减少摩擦的作用。 2021-8-423 2021-8-424 4.3 摩擦系数及其影响因素摩擦系数及其影响因素 金属的种类和化学成分金属的种类和化学成分 工具材料及其表面状态工具材料及其表面状态 接触面上的单位压力接触面上的单位压力 变形温度变形温度 变形速度变形速度 润滑剂润滑剂 2021-8-425 金属的种类和化学成分金属的种类

16、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、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，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；铝为0.18；黄铜为；黄铜为0.10，

17、电解铜为，电解铜为0.17，即使同种材料，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，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。摩擦系数会减小。一般说，随着合金元素的增加，摩擦系数一般说，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。下降。材料的硬度、强度越高，摩擦系数就越小。 2021-8-426 工具材料及其表面状态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。，而淬火钢的

18、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，而金属陶瓷轧辊的摩擦系数比硬质合金辊也同 样可降低样可降低1020%。 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 擦系数可能在擦系数可能在0.050.5范围内变化。一般来说，工具表面光范围内变化。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，

19、反使摩擦系数增大。高，由于分子吸附作用增强，反使摩擦系数增大。 2021-8-427 接触面上的单位压力接触面上的单位压力 单位压力较小时，表面分单位压力较小时，表面分 子吸附作用不明显，摩擦子吸附作用不明显，摩擦 系数与正压力无关，摩擦系数与正压力无关，摩擦 系数可认为是常数。当单系数可认为是常数。当单 位压力增加到一定数值后，位压力增加到一定数值后， 润滑剂被挤掉或表面膜破润滑剂被挤掉或表面膜破 坏，这不但增加了真实接坏，这不但增加了真实接 触面积，而且使分子吸附触面积，而且使分子吸附 作用增强，从而使摩擦系作用增强，从而使摩擦系 数随压力增加而增加，但数随压力增加而增加，但 增加到一定程

20、度后趋于稳增加到一定程度后趋于稳 定，定， 0.13 0.12 0.11 0.10 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0 200 600 1000140018002200 N/mm2 0.14 正压力对摩擦系数的影响正压力对摩擦系数的影响 2021-8-428 变形温度变形温度 温度对钢和铜的摩擦系数的影响温度对钢和铜的摩擦系数的影响 2021-8-429 变形温度对摩擦系数的影响很复杂。因为温度变化时，材料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，可的温度、硬度及接触面上的氧

21、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。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。随着温度较低时，金属的硬度大，氧化

22、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。质在接触表面间起润滑剂的作用，摩擦系数反而减小。 2021-8-430 变形速度变形速度 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

23、数下降的原因，与摩擦状态有关。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。的曳入效果。 2021-8-431 润滑剂润滑剂 压力加工中采用润滑剂能起到防粘减

24、摩以及减少工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。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）。关加工手册（或实际测量）。 2021-8-432 4.4 测定摩擦系数的方法测定摩擦系数的方法 夹钳轧制法夹钳轧制法 楔形件压缩法楔形件压缩法 圆环镦粗法圆环镦粗法 轧制力矩法轧制力矩法 2021-8-433 圆环镦粗法圆环镦粗法 2021-8-

25、434 h, mm d, mm 2021-8-435 4.5 塑性加工的工艺润滑塑性加工的工艺润滑 润滑的目的润滑的目的 对润滑剂的要求对润滑剂的要求 润滑机理润滑机理 润滑剂的选择润滑剂的选择 润滑方法的改进润滑方法的改进 2021-8-436 润滑的目的润滑的目的 降低金属变形时的能耗降低金属变形时的能耗 提高制品质量提高制品质量 减少工模具磨损，延长工具使用寿命减少工模具磨损，延长工具使用寿命 2021-8-437 对润滑剂的要求对润滑剂的要求 应有良好的耐压性能应有良好的耐压性能 有良好的耐热性有良好的耐热性 有冷却模具的作用有冷却模具的作用 无腐蚀作用无腐蚀作用 无毒无毒 使用、清理方便，价格便宜使用、清理方便，价格便宜 2021-8-438 润滑机理润滑机理 流体力学原理 2021-8-439 吸附机制吸附机制 金属塑性加工用润滑剂从本金属塑性加工用润滑剂从本 质上可分为不含有表面活性质上可分为不含有表面活性 物质（如各类矿物油）和含物质（如各类矿物油）和含 有表面活性物质（如动、植有表面活性物质（如动、植 物油，添加剂等）两大类。物油，添加剂等）两大类。 这些润滑剂中的极性或非极这些润滑剂中的极性或非极 性分子对金属表面都具有吸性分子对金属表面都具有吸 附能力，并且通