金属塑性加工的摩擦与润滑PPT课件

1、金属塑性成形中的材料表面形貌金属塑性成形中的材料表面形貌第1页/共62页（1）按产生摩擦的部位(外外)摩擦摩擦：发生在金属和工具相接触面间， 阻碍金属自由流动的摩擦。 内摩擦内摩擦：变形金属内晶界面上或晶内滑移 面上产生的摩擦。金属塑性成形中的摩擦分类金属塑性成形中的摩擦分类第2页/共62页（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。第3页/共62页4.2 4.2 金属塑性加工时摩擦的特点及作金属塑性加工时摩擦的特点及作用用高压下的摩擦较高温度下的摩

2、擦伴随着塑性变形的摩擦摩擦副（金属与工具）的性质相差大塑性成形时摩擦的特点第4页/共62页外摩擦在压力加工中的作用外摩擦在压力加工中的作用 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，降低工具寿命摩擦的不利方面第5页/共62页摩擦的利用增大摩擦，改善轧制过程咬入条件 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 开式模锻时的飞边第6页/共62页4.3 4.3 塑性加工中摩擦的分类及机塑性加工中摩擦的分类及机理理外摩擦的分类外摩擦的分类 干摩擦 流体摩擦边界摩擦摩擦机理摩擦机

3、理 分子吸附说表面凸凹学说粘着理论第7页/共62页外摩擦的分类及机理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第8页/共62页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 。 第9页/共62页流体摩擦的特点 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第10页/共62页3边界摩擦 坯料与工具之间被一层厚度约为0.1m的极薄润滑油膜分开时的摩擦状态，介于干摩擦与流体摩

4、擦之间。第11页/共62页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+ +流体摩擦第12页/共62页表面凸凹学说分子吸附说 粘着理论 摩擦机理摩擦机理 第13页/共62页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。1.表面凸凹学说第14页/共62页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。2.分子吸附说第15页/

5、共62页当两个表面接触时，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。3.粘着理论第16页/共62页塑性加工时接触表面摩擦力的计算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。NFN或第17页/共62页说明由于摩擦系数为常数(由实验确定)，故又称常摩擦系

6、数定律摩擦切应力不能随 的增大而无限增大。当 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。Nmaxk第18页/共62页 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： 2最大摩擦条件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2Tk第19页/共62页0.5 0.5770.50.5770.5TTTTMisesTresca按屈服条件，在轴对称情况下，；在平面应变条件下，。按屈服条件，。热变形时常采用最大摩擦力条件。说明第20页/共62页 认为接触面间的摩擦力，不随正压力大

7、小而变。其单位摩擦力 是常数，即常摩擦力定律，其表达式为： 3摩擦力不变条件m摩擦因子（0-1.0） 即相对于流动应力的摩擦系数m k第21页/共62页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。第22页/共62页4.4 4.4 摩擦系数及其影响因素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。第23页/共62页金属的种类和化学成分金属的种类和化学成分 金属表面的硬度

8、、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。第24页/共62页一般说，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。金属的种类和化学成分 第25页/共62页工具材料及其表面状态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

9、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。第26页/共62页单位压力较小时，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。接触面上的单位压力接触面上的单位压力 第27页/共62页变形温度较低时，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。变形温度变形温度 第28页/共62页纯Al摩擦系数随变形速度增加而有所下降。 变形速度变形速度 第29页/共62页润滑剂润滑剂 正确选用润滑剂，可显著降低摩擦系

10、数。查阅相关加工手册（或实际测量）。 第30页/共62页4.5 4.5 测定摩擦系数的方法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）。 第31页/共62页夹钳轧制法夹钳轧制法基本原理：基本原理：利用纵轧时力的平衡条件来测定摩擦系数轧制轧制打滑打滑时力的平衡条件时力的平衡条件第32页/共62页夹钳轧制法夹钳轧制法2sin2cos22nnTPPtan22cos2nTP第33页/共62页夹钳轧制法夹钳轧制法2cossin22nnPPP(2) Pn2cos22cos2nnPPPP(1) T第34页/共62页夹钳轧制法夹钳轧制法

11、cos21 cosHhRRR(3)咬入角222 sin22RRHhR第35页/共62页xxxxPPTT楔形件压缩法楔形件压缩法sin2sin2cos2cos2xcxcxcxcPPblPPblTPblTPbl第36页/共62页sinsincoscos2222sincos122222ccccccccllllllll当很小时，楔形件压缩法楔形件压缩法第37页/共62页()2()ccccllll楔形件压缩法楔形件压缩法第38页/共62页圆环镦粗法 将一定尺寸的圆环试样（如外径：内径：高将一定尺寸的圆环试样（如外径：内径：高40:20:1040:20:10或或20:10:720:10:7）放在平坫间进行

12、压缩。）放在平坫间进行压缩。第39页/共62页圆环镦粗法 摩擦系数的标定曲线摩擦系数的标定曲线（理论校准曲线）：（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第40页/共62页塑性加工常用摩擦系数塑性加工常用摩擦系数 热锻时的摩擦系数第41页/共62页磷化处理后冷锻时的摩擦系数第42页/共62页拉深时的摩擦系数第43页/共62页热挤压时的摩擦系数(1)钢热挤压（用玻璃做润滑剂）时，(2)有色金属热挤压时，摩擦系数见下表。0.025 0.050第44页/共62页热轧时的摩擦系数(1)咬入时：(2)轧制过程中：0.3 0.

13、60.2 0.4第45页/共62页拉拔时的摩擦系数(1)拉拔低碳钢：(2)拉拔铜及铜合金：(3)拉拔铝及铝合金：(4)拉拔黄铜丝：0.05 0.070.05 0.080.07 0.110.04 0.11第46页/共62页4.6 4.6 塑性加工的工艺润滑塑性加工的工艺润滑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第47页/共62页流体力学原理dddduTFyuvyvTFvt二. 润滑机理第48页/共62页吸附机制第49页/共62页在铁表面上硬脂酸组成的边界润滑膜润滑剂的活性润滑剂的活性活性：润滑剂中的极性分子在摩擦表面形成结实的保

14、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第50页/共62页润滑剂的物理性能指标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) 倾点和凝点第51页/共62页润滑剂的化学性能指标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 第52页/共62页三、润滑剂的选择三、润滑剂的选择 1 1塑性成形中对润滑剂的要求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

15、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。第53页/共62页2 2常用的润滑剂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：玻璃第54页/共62页图4-17 硬脂酸钠乳化剂作用机理示意图乳化剂第55页/共62页挤压筒玻璃挤压轴模子穿孔针图4-18 热挤压时的玻璃润滑玻璃第56页/共62页四. 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。第57页/共62页润滑油中的添加剂，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。 四. 润滑剂中的添加剂第58页/共62页表4-7 润滑油中常用的添加剂及其添加量种 类作 用化合物名称添加量1油性剂形成油膜，减少摩擦长链脂肪酸、