9-摩擦与润滑

1、板料成形 19 9、摩擦与润滑摩擦与润滑9.19.1基本知识基本知识 金属在发生塑性变形时，变形金属与工具或模具之间要金属在发生塑性变形时，变形金属与工具或模具之间要相互接触，两者之间有相对运动或有相对运动的趋势，相互接触，两者之间有相对运动或有相对运动的趋势，接触表面之间存在着阻碍金属自由流动的作用称为外摩接触表面之间存在着阻碍金属自由流动的作用称为外摩擦。其阻力的大小称为摩擦力。在所有的塑性成形过程擦。其阻力的大小称为摩擦力。在所有的塑性成形过程中，金属的塑性变形都与摩擦有着紧密而不可分割的联中，金属的塑性变形都与摩擦有着紧密而不可分割的联系，有时它甚至决定了塑性变形是否能够顺利地进行。系

2、，有时它甚至决定了塑性变形是否能够顺利地进行。 板料成形 29.1.19.1.1金属塑性成形中摩擦作用与特点金属塑性成形中摩擦作用与特点由于在塑性成形中，不可避免地在工具与变形金属之间由于在塑性成形中，不可避免地在工具与变形金属之间产生摩擦力。这种摩擦力对金属的变形过程有很大的影产生摩擦力。这种摩擦力对金属的变形过程有很大的影响，通常认为有下述几个方面的不利作用。响，通常认为有下述几个方面的不利作用。9.1.1.1 9.1.1.1 金属塑性成形中摩擦作用金属塑性成形中摩擦作用（1 1）改变了应力状态及变形的分布改变了应力状态及变形的分布塑性成形时，由于摩擦的存在而改变了金属在变形时的塑性成形时

3、，由于摩擦的存在而改变了金属在变形时的应力状态，其结果将导致变形的不均匀性应力状态，其结果将导致变形的不均匀性。 板料成形 3图图9-7 9-7 镦粗时摩擦对应力及变形的影响镦粗时摩擦对应力及变形的影响板料成形 4（2 2）增加了变形时的能量）增加了变形时的能量金属变形时，由于摩擦的存在，一部分力使金属产生塑金属变形时，由于摩擦的存在，一部分力使金属产生塑性变形，还有一部分力将要用来克服接触表面的摩擦力，性变形，还有一部分力将要用来克服接触表面的摩擦力，这样就要增加变形能。这部分能量消耗是无用的，有时这样就要增加变形能。这部分能量消耗是无用的，有时这部分能量消耗可占整个外力所做功的这部分能量消

4、耗可占整个外力所做功的50%50%以上。以上。板料成形 5（3 3）降低工具或模具的使用寿命）降低工具或模具的使用寿命由于摩擦使金属的变形抗力增加，因而在保证金属变形由于摩擦使金属的变形抗力增加，因而在保证金属变形量的条件下，必然会导致工具或模具内引起很大的应力。量的条件下，必然会导致工具或模具内引起很大的应力。同时摩擦产生的热会使工具或模具表面的温度增高，使同时摩擦产生的热会使工具或模具表面的温度增高，使之软化，而导致强度的降低，特别是对于经过淬火及低之软化，而导致强度的降低，特别是对于经过淬火及低温回火处理的工具或模具，强度的降低尤为显著。此外，温回火处理的工具或模具，强度的降低尤为显著。

5、此外，摩擦力还会引起工具的磨损，摩擦系数越大，磨损的程摩擦力还会引起工具的磨损，摩擦系数越大，磨损的程度亦越显著。度亦越显著。板料成形 6（4)4)由于变形不均匀而产生附加应力和残余应力由于变形不均匀而产生附加应力和残余应力u摩擦对所有的塑性成形产品，不仅使表面的质量降低，摩擦对所有的塑性成形产品，不仅使表面的质量降低，而且也使产品的内部质量降低。而且也使产品的内部质量降低。u金属变形不均匀金属变形不均匀u挤压件尾部形成缩孔挤压件尾部形成缩孔u产生附加应力使变形体在变形过程中发生破裂产生附加应力使变形体在变形过程中发生破裂u摩擦有时也表现出对塑性成形加工有利的一面。摩擦有时也表现出对塑性成形加

6、工有利的一面。u模锻时的桥部摩擦阻力模锻时的桥部摩擦阻力u辊锻和轧制时的摩擦阻力辊锻和轧制时的摩擦阻力u充液拉深过程中直壁与凸模之间的摩擦阻力充液拉深过程中直壁与凸模之间的摩擦阻力板料成形 79.1.1.2金属塑性成形中摩擦特点(1)摩擦面上的压强高由于接触表面的压力大而使弹性压扁严重，造成了摩擦由于接触表面的压力大而使弹性压扁严重，造成了摩擦系数的增大；另外，大的压力也容易将润滑剂挤走或压系数的增大；另外，大的压力也容易将润滑剂挤走或压成极薄的一层薄膜，使润滑变为困难。成极薄的一层薄膜，使润滑变为困难。 板料成形 8(2)表面不断更新和扩大金属由于变形而使接触表面不断扩大，导致内层金属不金属

7、由于变形而使接触表面不断扩大，导致内层金属不断涌出而成为新的接触表面。这种在变形过程中不断形断涌出而成为新的接触表面。这种在变形过程中不断形成的新表面及旧表面的不断破坏，使塑性变形过程中的成的新表面及旧表面的不断破坏，使塑性变形过程中的摩擦系数也将不断发生变化。另外，工具在加工过程中摩擦系数也将不断发生变化。另外，工具在加工过程中也不断的遭受磨损，使工具的表面在使用过程中不断的也不断的遭受磨损，使工具的表面在使用过程中不断的变化，这也是直接影响摩擦情况改变的因素之一。变化，这也是直接影响摩擦情况改变的因素之一。板料成形 9(3)摩擦对的性质相差很大伴随着变形金属的塑性流动，在塑性成形时，工具由

8、于伴随着变形金属的塑性流动，在塑性成形时，工具由于强度和刚度很大而只发生弹性变形，被加工的金属强度强度和刚度很大而只发生弹性变形，被加工的金属强度相对小的多，而发生塑性变形。摩擦对的这种性质差别，相对小的多，而发生塑性变形。摩擦对的这种性质差别，导致变形金属与工具在接触表面产生很大的滑动，而接导致变形金属与工具在接触表面产生很大的滑动，而接触表面的这种相对滑动是变化的，通常沿接触面的中心触表面的这种相对滑动是变化的，通常沿接触面的中心向外缘的滑动是增加的。向外缘的滑动是增加的。板料成形 10(4)接触表面的温度高在热加工中，与工具接触的变形温度可达在热加工中，与工具接触的变形温度可达12001

9、200以上，以上，低的也有几百度。即使在冷变形中，由于接触压力很高低的也有几百度。即使在冷变形中，由于接触压力很高而相对滑动速度很大，造成瞬时变形而使接触表面的温而相对滑动速度很大，造成瞬时变形而使接触表面的温度急剧升高。在这种情况下，会产生度急剧升高。在这种情况下，会产生氧化皮、模具材料氧化皮、模具材料软化、润滑剂分解而使润滑剂性能变坏等一系列问题软化、润滑剂分解而使润滑剂性能变坏等一系列问题。(5)接触面积大由于发生塑性变形，接触面凸起的部分被压平，使接触由于发生塑性变形，接触面凸起的部分被压平，使接触面积有所增大，这使得摩擦力增大。面积有所增大，这使得摩擦力增大。板料成形 119.1.2

10、 9.1.2 摩擦机理与摩擦定律摩擦机理与摩擦定律q摩擦机理摩擦机理由于表面凹凸不平引起的机械摩擦；由于表面凹凸不平引起的机械摩擦；接触表面存在分子之间的吸引力；接触表面存在分子之间的吸引力；接触表面存在物理或化学的污染膜；接触表面存在物理或化学的污染膜；接触表面局部结合与分离；接触表面局部结合与分离；接触表面上凸起部分刻槽作用。接触表面上凸起部分刻槽作用。降低摩擦力最有效的方法是在接触表面之间加润滑剂，降低摩擦力最有效的方法是在接触表面之间加润滑剂，以免两个固体表面直接接触。以免两个固体表面直接接触。 板料成形 12n塑性变形时摩擦的分类塑性变形时摩擦的分类摩擦分类随摩擦条件的不同而不同，一

11、般可分为摩擦分类随摩擦条件的不同而不同，一般可分为液体摩擦、边界摩擦和干摩擦三类。在液体摩擦、边界摩擦和干摩擦三类。在塑性成形塑性成形过程中最常见的摩擦是边界摩擦过程中最常见的摩擦是边界摩擦，有时也会出现，有时也会出现混合摩擦，被称之为半干摩擦或半液体摩擦。混合摩擦，被称之为半干摩擦或半液体摩擦。 板料成形 13n摩擦定律摩擦定律库仑摩擦定律库仑摩擦定律 = = = = u当摩擦切应力达到被加工金属的剪切屈服强度时：当摩擦切应力达到被加工金属的剪切屈服强度时： =0.5=0.50.5770.577u库仑摩擦定律适用于正压力不太大、变形量较小库仑摩擦定律适用于正压力不太大、变形量较小的冷成形工序

12、，例如板料冲压、冷挤压等。的冷成形工序，例如板料冲压、冷挤压等。T npf n 板料成形 14常摩擦定律常摩擦定律f mK3sm s 若若m=1m=1，即，即=maxmax= =K K ，则称为最大摩擦定律则称为最大摩擦定律最大摩擦力定律常用于热塑性成形工艺分析中。最大摩擦力定律常用于热塑性成形工艺分析中。在用上限法或有限元法分析体积成形过程（如锻在用上限法或有限元法分析体积成形过程（如锻造、挤压等）时，一般也采用常摩擦定律。造、挤压等）时，一般也采用常摩擦定律。 板料成形 159.1.3 影响摩擦系数的主要因素q变形金属和工具的化学成分摩擦系数与金属的种类、化学成分有关。摩擦系数与金属的种类

13、、化学成分有关。对于变形金属来说，强度越大，硬度越高，则塑对于变形金属来说，强度越大，硬度越高，则塑性成形时的摩擦系数越小；反之，变形金属的强性成形时的摩擦系数越小；反之，变形金属的强度越小，硬度越低，则摩擦系数也越大。度越小，硬度越低，则摩擦系数也越大。板料成形 16q工具表面状态一般来说，工具表面越光滑，即表面粗糙度越小，一般来说，工具表面越光滑，即表面粗糙度越小，机械咬合效应就越弱，因而摩擦系数越小。机械咬合效应就越弱，因而摩擦系数越小。 工具表面粗糙度在各个方向不同时，则各方向的工具表面粗糙度在各个方向不同时，则各方向的摩擦系数亦不相同。实验证明，沿着加工方向的摩擦系数亦不相同。实验证

14、明，沿着加工方向的摩擦系数比垂直加工方向的摩擦系数约小摩擦系数比垂直加工方向的摩擦系数约小20%20%。 板料成形 17q变形金属的表面状态变形金属的表面状态，只在最初的塑性成形时对变形金属的表面状态，只在最初的塑性成形时对摩擦系数有明显的作用，随着塑性变形的进行，摩擦系数有明显的作用，随着塑性变形的进行，金属表面的凸凹不平将被压平，而金属表面将呈金属表面的凸凹不平将被压平，而金属表面将呈现工具表面的压痕现工具表面的压痕，因此，变形金属的表面凸凹，因此，变形金属的表面凸凹被压平后，接触表面的摩擦情况将与工具的表面被压平后，接触表面的摩擦情况将与工具的表面状态有密切的关系。状态有密切的关系。板料

15、成形 18q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，摩单位压力较小时，表面分子吸附作用不明显，摩擦系数保持不变，摩擦系数与正压力无关。当单擦系数保持不变，摩擦系数与正压力无关。当单位压力增大到一定数值后，接触表面的氧化膜被位压力增大到一定数值后，接触表面的氧化膜被破坏，润滑剂被挤掉，这不但增加了真实接触面破坏，润滑剂被挤掉，这不但增加了真实接触面积，而且使坯料和工具接触面间分子吸附作用增积，而且使坯料和工具接触面间分子吸附作用增强，从而使摩擦系数随单位压力的增大而上升，强，从而使摩擦系数随单位压力的增大而上升，当上升到一定程度后又趋于稳定。当上升到一定程度后又趋于稳定。 板料

16、成形 19q变形温度变形温度对摩擦系数的影响很复杂。因为变形温变形温度对摩擦系数的影响很复杂。因为变形温度变化时，材料的强度、硬度及接触面上氧化膜度变化时，材料的强度、硬度及接触面上氧化膜的性能等都会发生变化。一般认为，变形温度较的性能等都会发生变化。一般认为，变形温度较低时，摩擦系数随变形温度升高而增大，到某一低时，摩擦系数随变形温度升高而增大，到某一温度，摩擦系数达到最大值，此后，随变形温度温度，摩擦系数达到最大值，此后，随变形温度继续升高而摩擦系数降低。继续升高而摩擦系数降低。板料成形 20q变形速度随着变形速度的增加，摩擦系数下降。不同的加随着变形速度的增加，摩擦系数下降。不同的加工方

17、法和不同的摩擦条件，变形速度增加引起摩工方法和不同的摩擦条件，变形速度增加引起摩擦系数下降的原因是不同的。擦系数下降的原因是不同的。在干摩擦时在干摩擦时，变形，变形速度增加，表面凸凹不平部分来不及相互咬合，速度增加，表面凸凹不平部分来不及相互咬合，表现出摩擦系数下降。表现出摩擦系数下降。在有润滑的条件下在有润滑的条件下，由于，由于变形速度的增加，使润滑层的厚度增大，导致摩变形速度的增加，使润滑层的厚度增大，导致摩擦系数下降。擦系数下降。 板料成形 21q润滑剂在塑性成形加工过程中，采用润滑剂的主要目的在塑性成形加工过程中，采用润滑剂的主要目的是降低工具与金属之间的摩擦，达到减少工具的是降低工具

18、与金属之间的摩擦，达到减少工具的磨损、降低变形时的能量消耗等；其次可以起到磨损、降低变形时的能量消耗等；其次可以起到使工具冷却的作用。使工具冷却的作用。 板料成形 229.3 9.3 润滑剂润滑剂9.3.1塑性成形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 应有良好的耐热性应有良好的耐热性 应有冷却模具的作用应有冷却模具的作用 应无腐蚀作用应无腐蚀作用 应无毒应无毒 用清理方便、价格便宜等用清理方便、价格便宜等 板料成形 239.3.29.3.2塑性成形中常用的润滑剂塑性成形中常用的润滑剂q液体润滑剂液体润滑剂液体润滑剂有动物油、植物油、矿物油、乳液和有液体润滑剂有动物油、植物油、矿物

19、油、乳液和有机化合物液体等。机化合物液体等。q固体润滑剂固体润滑剂此类润滑剂根据其高温存在的形态分为干性固体润此类润滑剂根据其高温存在的形态分为干性固体润滑剂（如石墨，滑剂（如石墨， ，云母等）和软化固体润滑，云母等）和软化固体润滑剂（如玻璃、珐琅、天然矿物、无机盐等）。此外剂（如玻璃、珐琅、天然矿物、无机盐等）。此外皂类、蜡类材料也常用来作润滑剂。皂类、蜡类材料也常用来作润滑剂。2MoS板料成形 249.3.39.3.3塑性成形时的润滑方法塑性成形时的润滑方法q特种液体润滑法特种液体润滑法图图9-26 9-26 拉拔时流体强制润滑拉拔时流体强制润滑 板料成形 25q表面磷化表面磷化皂化处理皂化处理磷化处理，就是在坯料洁净的表面上磷化处理，就是在坯料洁净的表面上用化学方法制成一层用化学方法制成一层磷酸盐或草酸盐薄膜磷酸盐或草酸盐薄膜，这种磷化膜是由细小片状的无机盐结，这种磷化膜是由细小片状的无机盐结晶组成的，且与金属基体有很强的结合力，有一定的塑性，晶组成的，且与金属基体有很强的结合力，有一定的塑性，呈多孔状态，对润滑剂有