摩擦在塑性成形加工中的利弊对比分析以及解决措施

1、摩擦在塑性成形加工中的利弊对比分析以及解决措施姓名：韩宝峰、姚兆燚、任五江、刘亚南、段凯旋课题组的分工或贡献：每人完成的百分比或者每人负责的内容课程名称：金属塑性成形原理指导教师：2012年4月1. 1概述金属塑性加工中是在工具与工件相接触的条件下进行的，这时必然产生阻止金属流 动的摩擦力。这种发生在工件和工具接触面间，阻碍金属流动的摩擦，称外摩擦。由于 摩擦的作用，工具产生磨损，工件被擦伤；金属变形力、能增加造成金属变形不均；严 重时使工件出现裂纹，还要定期更换工具。因此，塑性加工中，须加以润滑。润滑技术的开发能促进金属塑性加工的发展。随着压力加工新技术新材料新工艺的 出现，必将要求人们解决

2、新的润滑问题。1. 2金属塑性加工时摩擦的特点及作用1. 2. 1塑性成形时摩擦的特点塑性成形中的摩擦与机械传动中的摩擦相比，有下列特点：（1）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100150MPa，冷加工时可高达5002500MPa。但是，机器轴承中，接触面压通 常只有2050MPa，如此高的面压使润滑剂难以带入或易从变形区挤出，由此产生的摩擦 润滑困难且润滑方法特殊。（2）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

3、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。（3）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。（4）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1. 2. 2外摩擦在压力加工中的作用塑性加工中的外摩擦，大多数情况是有害的，但在某些情况下

4、，亦可为我所用。 摩擦的不利方面：（1）改变物体应力状态，使变形力和能耗增加。以平锤锻造圆柱体试样为例，当无 摩擦时，为单向压应力状态，而有摩擦时，则呈现三向应力状态。因而摩擦使变形抗力 增大，从而消耗的变形功增加。一般情况下，摩擦的加大可使负荷增加30%。（2）引起工件变形与应力分布不均匀。塑性成形时，因接触摩擦的作用使金属质 点的流动受到阻碍，此种阻力在接触面的中部特别强，边缘部分的作用较弱，这将引起 金属的不均匀变形。平塑压圆柱体试样时，接触面受摩擦影响大，远离接触面处受摩擦 影响小，最后工件变为鼓形。此外，外摩擦使接触面单位压力分布不均匀，由边缘至中 心压力逐渐升高。变形和应力的不均匀

5、，直接影响制品的性能，降低生产成品率。（3）恶化工件表面质量，加速模具磨损，降低工具寿命。塑性成形时接触面间的相 对滑动加速工具磨损；因摩擦热更增加工具磨损；变形与应力的不均匀亦会加速工具磨 损。此外，金属粘结工具的现象，不仅缩短了工具寿命，增加了生产成本，而且也降低 制品的表面质量与尺寸精度。摩擦的利用：亦可利用摩擦变害为利。例如，用增大摩擦改善咬入条件，强化轧制过程；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。近年来，在深入研究接触摩擦规律，寻找有效润滑剂和润滑方法来减少摩擦有害影 响的同时，积极开展了有效利用摩擦的研究。即通过强制改变和控制工具与变形金属接 触滑移运动的

6、特点，使摩擦应力能促进金属的变形发展。1. 3塑性加工中摩擦的分类及机理塑性成形时的摩擦根据其性质可分为干摩擦、边界摩擦和流体摩擦三种，分述如下：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。因为金属塑性加工过程中，其表面多少存在氧 化膜，或吸附一些气体和灰尘等其它介质。但通常说的干摩擦指的是不加润滑剂的摩擦 状态。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

7、梯度等因素有关。因而流体 摩擦的摩擦系数是很小的。塑性加工中接触面上压力和温度较高，使润滑剂常易挤出或 被烧掉，所以流体摩擦只在有条件的情况下发生和作用。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。因此理想的十 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。它既可以是半干摩擦又

8、可以是半流体摩擦。半干摩擦是边界摩擦与干摩擦的混合状态。当接触面间存在少量的 润滑剂或其他介质时，就会出现这种摩擦。半流体摩擦是流体摩擦与边界摩擦的混合状 态。当接触表面间有一层润滑剂，在变形中个别部位会发生相互接触的干摩擦.1.4塑性成形中产生摩擦的解决方法1.4.1润滑的目的为减少或消除塑性加工中外摩擦的不利影响，往往在工模具与变形金属的接触界面 上施加润滑剂，进行工艺润滑。其主要目的是：（1）降低金属变形时的能耗。当使用有效润滑剂时，可大大减少或消除工模具与 变形金属的直接接触，使接触表面间的相对滑动剪切过程在润滑层内部进行，从而大大 降低摩擦力及变形功耗。如轧制板带材时，采用适当的润滑

9、剂可降低轧制压力10%15%； 节约主电机电耗8%20%。拉拔铜线时，拉拔力可降低10%20%。（2）提高制品质量。由于外摩擦导致制品表面粘结、压入、划伤及尺寸超差等缺 陷或废品。此外，还由于摩擦阻力对金属内外质点塑性流动阻碍作用的显著差异，致使 各部分剪切变形程度（晶粒组织的破碎）明显不同。因此，采用有效的润滑方法，利用 润滑剂的减摩防粘作用，有利于提高制品的表面和内在质量。（3）减少工模具磨损，延长工具使用寿命。润滑还能降低面压，隔热与冷却等作 用，从而使工模具磨损减少，使用寿命延长。为达上述目的，应采用有效润滑剂及润滑方法。塑性加工时如何将润滑剂保持在高压下的工具与坯料之间？尤其是采用液

10、体润滑 剂时，几乎可能全部被挤出。液体润滑剂所以能被保持在接触面间，可认为是依靠静液 压效果与流体力学效果。此外，还必须充分考虑工具及变形金属与润滑剂的吸附性质， 以及工模具与变形金属之间的配对性质，才能达到有效润滑的目的。1.4.2润滑剂的选择塑性成形中对润滑剂的要求在选择及配制润滑剂时，必符合下列要求：（1）润滑剂应有良好的耐压性能，在高压作用下，润滑膜仍能吸附在接触表面上， 保持良好的润滑状态；（2）润滑剂应有良好耐高温性能，在热加工时，润滑剂应不分解，不变质；（3）润滑剂有冷却模具的作用；（4）润滑剂不应对金属和模具有腐蚀作用；（5）润滑剂应对人体无毒，不污染环境；（6）润滑剂要求使用

11、、清理方便、来源丰富、价格便宜等。常用的润滑剂在金属加工中使用的润滑剂，按其形态可分为：液体润滑剂、固体润滑剂、液固润 滑剂以及熔体润剂。其中，液体润滑剂使用最广，通常可分为纯碎型油（矿物油或动植 物油）和水溶型两类。（1）液体润滑剂包括矿物油、动植物油、乳液等。矿物油系指机油、汽缸油、锭子油、齿轮油等。矿物油的分子组成中只含有碳、氢 两种元素，由非极性的烃类组成，当它与金属接触时，只发生非极性分子与金属表面的 物理吸附作用，不发生任何化学反应，润滑性能较差，在压力加工中较少直接用作润滑 剂。通常只作为配制润滑剂的基础油，再加上各种添加剂，或是与固体润滑剂混合，构 成液-固混合润滑剂。动植物油

12、有牛油、猪油、豆油、蓖麻油、棉子油、棕榈油等。动植物油脂内所含的 脂肪酸主要有硬脂酸（C17H3COOH）、棕榈酸（软脂酸C15H31COOH）及油酸（C/fOOH）这 三种。它们都含有极性根（如COOH，COONa），属于极性物质。这些有机化合物的分子中， 一端为非极性的烃基；另一端则为极性基，能在金属表面上作定向排列而形成润油膜。 这就使润滑剂在金属上的吸附力加强，故在塑性加工中不易被挤掉。乳液是一种可溶性矿物油与水均匀混合的两相系。在一般情况下，油和水难以混合， 为使油能以微小液珠悬浮于水中，构成稳定乳状液，必须添加乳化剂，使油水间产生乳 化作用。另外，为提高乳液中矿物油的润滑性，也需添

13、加油性添加剂。（2）固体润滑剂，包括石墨、二硫化钼、肥皂等。由于金属塑性加工中的摩擦本质是表层金属的剪切流动过程，因此从理论上讲，凡 剪切强度比被加工金属流动剪切强度小的固体物质都可作为塑性加工中的固体润滑剂， 如冷锻钢坯端面放的紫铜薄片；铝合金热轧时包纯铝薄片；拉拔高强度丝时表面镀铜； 以及拉拔中使用的石蜡、蜂蜡、脂肪酸皂粉等均属固体润滑剂。然而，使用最多的还是 石墨和二硫化钼。（3）液-固型润滑剂它是把固体润滑粉末悬浮在润滑油或工作油中，构成固-液两相分散系的悬浮液。如 拉钨、钼丝时，采用的石墨乳液及热挤压时，所采用的二硫化钼（或石墨）油剂（或水 剂），均属此类润滑剂。它是把纯度较高，粒度

14、小于26um的二硫化钼（或石墨）细粉 加入油（或水）中，其重量约占25%30%，使用时再按实际需要用润滑油（或水）稀释， 一般浓度控制在3%以内。为减少固体润滑粉末的沉淀，可加入少量表面活性物质，以减 少液-固界面的张力，提高它们之间的润滑性，从而起到分散剂的作用。（4）熔体润滑剂这是出现较晚的一种润滑剂。在加工某些高温强度大，工具表面粘着性强，而且易 于受空气中氧、氮等气体污染的钨、钼、钽、铌、钛、锆等金属及合金在热加工（热锻 及挤压）时，常采用玻璃、沥青或石蜡等作润滑剂。其实质是，当玻璃与高温坯料接触 时，它可以在工具与坯料接触面间熔成液体薄膜，达到隔开两接触表面的目的。所以玻 璃既是固体

15、润滑剂，又是熔体润滑剂。1.4.3润滑剂中的添加剂为了提高润滑油的润滑、耐磨、防腐等性能，需在润滑油中加入少量的活性物质， 这些活性物质总称添加剂。润滑剂中加入适当的添加剂后，摩擦系数降低，金属粘模现象减少，变形程度提高， 并可使产品表面质量得到改善，因此目前广泛采用有添加剂的润滑油。1.4.4润滑方法的改进为了减小塑性成形时的摩擦和磨损，除了不断改进润滑剂的性能和研制新的润滑剂 外，改进润滑方法，也是一个很重要的问题。流体润滑流体润滑常用于线材拉拔，在模具入口处加一个套管。套管与坯料间具有很小间隙。 当坯料从套管中高速通过时，就把润滑剂带入模孔内。在模孔入口处，由于间隙变小， 润滑油产生高压。当压力高到一定数值时，在坯料与模具之间就产生和保持流体润滑膜， 起良好润滑作用。在反挤压时，将凹模和坯料作成一定的形状，在反挤压过程中，润滑剂能够持久稳 定地起到隔离冲头与毛坯的作用，产生良好的作用。在静液挤压和充液拉深等工艺中高压液体是作为传递变形力的介质，同时又起到强 制润滑作用。故挤压力比普通挤压要低得多。表面处理表面磷化处理。冷挤压、冷拉拔钢制品时，即使润滑油中加入添加剂，油膜还 会遭到破坏或被挤掉，而失去润滑作用。为此，要在坯料表面上用化学方法制成一层磷 酸盐或草酸盐薄膜。这种磷化膜呈多孔状态，对润滑