金屬塑性加工的摩擦與潤(rùn)滑PPT課件

1、金屬塑性成形中的材料表面形貌金屬塑性成形中的材料表面形貌第1頁(yè)/共62頁(yè)（1）按產(chǎn)生摩擦的部位(外外)摩擦摩擦：發(fā)生在金屬和工具相接觸面間， 阻礙金屬自由流動(dòng)的摩擦。 內(nèi)摩擦內(nèi)摩擦：變形金屬內(nèi)晶界面上或晶內(nèi)滑移 面上產(chǎn)生的摩擦。金屬塑性成形中的摩擦分類金屬塑性成形中的摩擦分類第2頁(yè)/共62頁(yè)（2）按摩擦的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)靜摩擦和動(dòng)摩擦（3）按摩擦的運(yùn)動(dòng)形式滾動(dòng)摩擦和滑動(dòng)摩擦（4）按摩擦副的材質(zhì)各種金屬材料之間、非金屬材料之間以及各種金屬材料與非金屬材料、金屬材料與彈性材料之間的摩擦等。第3頁(yè)/共62頁(yè)4.2 4.2 金屬塑性加工時(shí)摩擦的特點(diǎn)及作金屬塑性加工時(shí)摩擦的特點(diǎn)及作用用高壓下的摩擦較高溫度下的摩

2、擦伴隨著塑性變形的摩擦摩擦副（金屬與工具）的性質(zhì)相差大塑性成形時(shí)摩擦的特點(diǎn)第4頁(yè)/共62頁(yè)外摩擦在壓力加工中的作用外摩擦在壓力加工中的作用 改變物體應(yīng)力狀態(tài)，使變形力和能耗增加引起工件變形與應(yīng)力分布不均勻惡化工件表面質(zhì)量，加速模具磨損，降低工具壽命摩擦的不利方面第5頁(yè)/共62頁(yè)摩擦的利用增大摩擦，改善軋制過(guò)程咬入條件 摩擦應(yīng)力促進(jìn)金屬的變形發(fā)展 增大沖頭與板片間的摩擦，強(qiáng)化工藝，減少起皺和撕裂等造成的廢品 Conform連續(xù)擠壓法 開(kāi)式模鍛時(shí)的飛邊第6頁(yè)/共62頁(yè)4.3 4.3 塑性加工中摩擦的分類及機(jī)塑性加工中摩擦的分類及機(jī)理理外摩擦的分類外摩擦的分類 干摩擦 流體摩擦邊界摩擦摩擦機(jī)理摩擦機(jī)

3、理 分子吸附說(shuō)表面凸凹學(xué)說(shuō)粘著理論第7頁(yè)/共62頁(yè)外摩擦的分類及機(jī)理外摩擦的分類及機(jī)理 1干摩擦 不存在任何外來(lái)介質(zhì)時(shí)金屬與工具的接觸表面之間的摩擦第8頁(yè)/共62頁(yè)2流體摩擦 金屬與工具表面之間的潤(rùn)滑層較厚，兩摩擦副在相互運(yùn)動(dòng)中不直接接觸，完全由潤(rùn)滑油膜隔開(kāi)，摩擦發(fā)生在流體內(nèi)部分子之間 。 第9頁(yè)/共62頁(yè)流體摩擦的特點(diǎn) 兩表面在相互運(yùn)動(dòng)中不產(chǎn)生直接接觸，摩擦發(fā)生在流體內(nèi)部分之間不同于干摩擦，摩擦力的大小與接觸面狀態(tài)無(wú)關(guān)，而取決于潤(rùn)滑劑的性質(zhì)（如粘度）、速度梯度等因素摩擦系數(shù)很小第10頁(yè)/共62頁(yè)3邊界摩擦 坯料與工具之間被一層厚度約為0.1m的極薄潤(rùn)滑油膜分開(kāi)時(shí)的摩擦狀態(tài)，介于干摩擦與流體摩

4、擦之間。第11頁(yè)/共62頁(yè)4混合摩擦 在摩擦表面上同時(shí)存在著流體摩擦、邊界摩擦和干摩擦的混合狀態(tài)下的摩擦。半干摩擦：干摩擦+ +邊界摩擦半流體摩擦：邊界摩擦+ +流體摩擦第12頁(yè)/共62頁(yè)表面凸凹學(xué)說(shuō)分子吸附說(shuō) 粘著理論 摩擦機(jī)理摩擦機(jī)理 第13頁(yè)/共62頁(yè)摩擦是由于接觸面上的凹凸形狀引起的。當(dāng)凹凸不平的兩個(gè)表面相互接觸時(shí)，產(chǎn)生機(jī)械咬合，此時(shí)摩擦力表現(xiàn)為這些凸峰被剪切時(shí)的變形阻力。1.表面凸凹學(xué)說(shuō)第14頁(yè)/共62頁(yè)摩擦產(chǎn)生的原因是由于接觸面上分子之間的相互吸引的結(jié)果。物體表面越光滑，實(shí)際接觸面積就越大，接觸面間的距離也就越小，分子吸引力就越強(qiáng)，因此，滑動(dòng)摩擦力也就越大。2.分子吸附說(shuō)第15頁(yè)/

5、共62頁(yè)當(dāng)兩個(gè)表面接觸時(shí)，接觸面上某些接觸點(diǎn)處壓力很大，以致發(fā)生粘著或焊合，當(dāng)兩表面產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，粘著點(diǎn)即被切斷而產(chǎn)生滑移，摩擦過(guò)程就是粘著、切斷與滑移交替進(jìn)行的過(guò)程，摩擦力是切斷金屬粘著所需要的切斷力。3.粘著理論第16頁(yè)/共62頁(yè)塑性加工時(shí)接觸表面摩擦力的計(jì)算塑性加工時(shí)接觸表面摩擦力的計(jì)算 1庫(kù)侖摩擦條件 不考慮接觸面上的粘合現(xiàn)象（即全滑動(dòng)全滑動(dòng)），認(rèn)為摩擦符合庫(kù)侖定律。 （1）摩擦力與作用于摩擦表面的垂直壓力成正比例，與摩擦表面的大小無(wú)關(guān)； （2）摩擦力與滑動(dòng)速度的大小無(wú)關(guān)； （3）靜摩擦系數(shù)大于動(dòng)摩擦系數(shù)。NFN或第17頁(yè)/共62頁(yè)說(shuō)明由于摩擦系數(shù)為常數(shù)(由實(shí)驗(yàn)確定)，故又稱常摩擦系

6、數(shù)定律摩擦切應(yīng)力不能隨 的增大而無(wú)限增大。當(dāng) 時(shí)，接觸面將要產(chǎn)生塑性流動(dòng)適用于三向壓應(yīng)力不太顯著、變形量小的冷成形工序，如拉拔及其他潤(rùn)滑效果較好的加工過(guò)程。Nmaxk第18頁(yè)/共62頁(yè) 當(dāng)接觸表面沒(méi)有相對(duì)滑動(dòng)，完全處于粘合狀態(tài)時(shí)，摩擦切應(yīng)力（ ）等于變形金屬流動(dòng)時(shí)的臨界切應(yīng)力k，即： 2最大摩擦條件T塑性變形的流動(dòng)應(yīng)力，即屈服力反映中間主應(yīng)力影響的系數(shù)2Tk第19頁(yè)/共62頁(yè)0.5 0.5770.50.5770.5TTTTMisesTresca按屈服條件，在軸對(duì)稱情況下，；在平面應(yīng)變條件下，。按屈服條件，。熱變形時(shí)常采用最大摩擦力條件。說(shuō)明第20頁(yè)/共62頁(yè) 認(rèn)為接觸面間的摩擦力，不隨正壓力大

7、小而變。其單位摩擦力 是常數(shù)，即常摩擦力定律，其表達(dá)式為： 3摩擦力不變條件m摩擦因子（0-1.0） 即相對(duì)于流動(dòng)應(yīng)力的摩擦系數(shù)m k第21頁(yè)/共62頁(yè)說(shuō)明適用于摩擦系數(shù)低于最大值的三向壓應(yīng)力顯著的塑性成形過(guò)程，如擠壓、變形量大的鐓粗、模鍛以及潤(rùn)滑較困難的熱軋等變形。第22頁(yè)/共62頁(yè)4.4 4.4 摩擦系數(shù)及其影響因素摩擦系數(shù)及其影響因素庫(kù)侖摩擦條件用得比較普遍，因而討論影響其摩擦系數(shù)的主要因素。摩擦系數(shù)通常是指接觸面上的平均摩擦系數(shù)。摩擦系數(shù)隨金屬性質(zhì)、工藝條件、表面狀態(tài)、單位壓力及所采用潤(rùn)滑劑的種類與性能等而不同。第23頁(yè)/共62頁(yè)金屬的種類和化學(xué)成分金屬的種類和化學(xué)成分 金屬表面的硬度

8、、強(qiáng)度、吸附性、原子擴(kuò)散能力、導(dǎo)熱性、氧化速度、氧化膜的性質(zhì)以及與工具金屬分子之間相互結(jié)合力都與化學(xué)成分有關(guān)不同種類的金屬及不同化學(xué)成分的同一類金屬，摩擦系數(shù)不同粘附性較強(qiáng)的金屬通常具有較大的摩擦系數(shù)，如Pb、Al、Zn一般情況下，材料的硬度、強(qiáng)度越高，摩擦系數(shù)就越小。第24頁(yè)/共62頁(yè)一般說(shuō)，隨著合金元素的增加，摩擦系數(shù)下降。對(duì)于黑色金屬，隨著碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，摩擦系數(shù)有所下降。金屬的種類和化學(xué)成分 第25頁(yè)/共62頁(yè)工具材料及其表面狀態(tài)工具材料及其表面狀態(tài) 工具材料：鑄鐵、鋼、淬火鋼、合金鋼、硬質(zhì)合金、金屬陶瓷工具表面越光滑，即表面凹凸不平程度越輕，這時(shí)機(jī)械咬合效應(yīng)就越弱，因而摩擦系數(shù)越

9、小。若接觸表面非常光滑，分子吸附作用增強(qiáng)，反而會(huì)引起摩擦系數(shù)增加，但這種情況在塑性成形中并不常見(jiàn)。工具表面粗糙度在各個(gè)方向不同時(shí)，各方向的摩擦系數(shù)亦不相同。第26頁(yè)/共62頁(yè)單位壓力較小時(shí)，摩擦系數(shù)與正壓力無(wú)關(guān)，保持不變；單位壓力增大到一定值后，摩擦系數(shù)隨其增大而上升，最終趨于穩(wěn)定。接觸面上的單位壓力接觸面上的單位壓力 第27頁(yè)/共62頁(yè)變形溫度較低時(shí)，摩擦系數(shù)隨變形溫度升高而增大，到某一溫度，達(dá)最大值，此后，隨變形溫度繼續(xù)升高而降低。變形溫度變形溫度 第28頁(yè)/共62頁(yè)純Al摩擦系數(shù)隨變形速度增加而有所下降。 變形速度變形速度 第29頁(yè)/共62頁(yè)潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑劑 正確選用潤(rùn)滑劑，可顯著降低摩擦系

10、數(shù)。查閱相關(guān)加工手冊(cè)（或?qū)嶋H測(cè)量）。 第30頁(yè)/共62頁(yè)4.5 4.5 測(cè)定摩擦系數(shù)的方法測(cè)定摩擦系數(shù)的方法夾鉗軋制法楔形件壓縮法圓環(huán)鐓粗法大都利用庫(kù)侖定律，即求相應(yīng)正應(yīng)力下的摩擦力，然后求出摩擦系數(shù)（平均）。 第31頁(yè)/共62頁(yè)夾鉗軋制法夾鉗軋制法基本原理：基本原理：利用縱軋時(shí)力的平衡條件來(lái)測(cè)定摩擦系數(shù)軋制軋制打滑打滑時(shí)力的平衡條件時(shí)力的平衡條件第32頁(yè)/共62頁(yè)夾鉗軋制法夾鉗軋制法2sin2cos22nnTPPtan22cos2nTP第33頁(yè)/共62頁(yè)夾鉗軋制法夾鉗軋制法2cossin22nnPPP(2) Pn2cos22cos2nnPPPP(1) T第34頁(yè)/共62頁(yè)夾鉗軋制法夾鉗軋制法

11、cos21 cosHhRRR(3)咬入角222 sin22RRHhR第35頁(yè)/共62頁(yè)xxxxPPTT楔形件壓縮法楔形件壓縮法sin2sin2cos2cos2xcxcxcxcPPblPPblTPblTPbl第36頁(yè)/共62頁(yè)sinsincoscos2222sincos122222ccccccccllllllll當(dāng)很小時(shí)，楔形件壓縮法楔形件壓縮法第37頁(yè)/共62頁(yè)()2()ccccllll楔形件壓縮法楔形件壓縮法第38頁(yè)/共62頁(yè)圓環(huán)鐓粗法 將一定尺寸的圓環(huán)試樣（如外徑：內(nèi)徑：高將一定尺寸的圓環(huán)試樣（如外徑：內(nèi)徑：高40:20:1040:20:10或或20:10:720:10:7）放在平坫間進(jìn)行

12、壓縮。）放在平坫間進(jìn)行壓縮。第39頁(yè)/共62頁(yè)圓環(huán)鐓粗法 摩擦系數(shù)的標(biāo)定曲線摩擦系數(shù)的標(biāo)定曲線（理論校準(zhǔn)曲線）：（理論校準(zhǔn)曲線）： 利用塑性理論（上限法或應(yīng)力分析法）對(duì)圓環(huán)變形進(jìn)行分析，可求得不同摩擦系數(shù)、不同壓縮量下圓環(huán)內(nèi)徑的變化值第40頁(yè)/共62頁(yè)塑性加工常用摩擦系數(shù)塑性加工常用摩擦系數(shù) 熱鍛時(shí)的摩擦系數(shù)第41頁(yè)/共62頁(yè)磷化處理后冷鍛時(shí)的摩擦系數(shù)第42頁(yè)/共62頁(yè)拉深時(shí)的摩擦系數(shù)第43頁(yè)/共62頁(yè)熱擠壓時(shí)的摩擦系數(shù)(1)鋼熱擠壓（用玻璃做潤(rùn)滑劑）時(shí)，(2)有色金屬熱擠壓時(shí)，摩擦系數(shù)見(jiàn)下表。0.025 0.050第44頁(yè)/共62頁(yè)熱軋時(shí)的摩擦系數(shù)(1)咬入時(shí)：(2)軋制過(guò)程中：0.3 0.

13、60.2 0.4第45頁(yè)/共62頁(yè)拉拔時(shí)的摩擦系數(shù)(1)拉拔低碳鋼：(2)拉拔銅及銅合金：(3)拉拔鋁及鋁合金：(4)拉拔黃銅絲：0.05 0.070.05 0.080.07 0.110.04 0.11第46頁(yè)/共62頁(yè)4.6 4.6 塑性加工的工藝潤(rùn)滑塑性加工的工藝潤(rùn)滑工藝潤(rùn)滑的目的及潤(rùn)滑機(jī)理 一. 潤(rùn)滑的目的減少工模具磨損，延長(zhǎng)工具使用壽命提高制品質(zhì)量降低金屬變形時(shí)的能耗第47頁(yè)/共62頁(yè)流體力學(xué)原理dddduTFyuvyvTFvt二. 潤(rùn)滑機(jī)理第48頁(yè)/共62頁(yè)吸附機(jī)制第49頁(yè)/共62頁(yè)在鐵表面上硬脂酸組成的邊界潤(rùn)滑膜潤(rùn)滑劑的活性潤(rùn)滑劑的活性活性：潤(rùn)滑劑中的極性分子在摩擦表面形成結(jié)實(shí)的保

14、護(hù)層的能力。它決定潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑性能及與摩擦物體之間吸引力的大小第50頁(yè)/共62頁(yè)潤(rùn)滑劑的物理性能指標(biāo)潤(rùn)滑劑的物理性能指標(biāo) (1) 粘度：指潤(rùn)滑劑本身粘、稠的程度。它是衡量潤(rùn)滑油流動(dòng)阻力的參數(shù)。(2) 密度(3) 針入度 (4) 滴點(diǎn)(5) 閃點(diǎn)和著火點(diǎn)(6) 傾點(diǎn)和凝點(diǎn)第51頁(yè)/共62頁(yè)潤(rùn)滑劑的化學(xué)性能指標(biāo)潤(rùn)滑劑的化學(xué)性能指標(biāo) (1) 酸值(2) 堿值(3) 氧化度(4) 抗污染性 (5) 耐熱穩(wěn)定性 (6) 抗氧化穩(wěn)定性(7) 防銹性(8) 防腐蝕性 第52頁(yè)/共62頁(yè)三、潤(rùn)滑劑的選擇三、潤(rùn)滑劑的選擇 1 1塑性成形中對(duì)潤(rùn)滑劑的要求塑性成形中對(duì)潤(rùn)滑劑的要求（1）良好的耐壓性能；（2）良好的耐

15、高溫性能；（3）有冷卻模具的作用；（4）對(duì)金屬和模具無(wú)腐蝕作用；（5）對(duì)人體無(wú)毒，不污染環(huán)境；（6）使用、清理方便、來(lái)源豐富、價(jià)格便宜等。第53頁(yè)/共62頁(yè)2 2常用的潤(rùn)滑劑常用的潤(rùn)滑劑液體潤(rùn)滑劑：礦物油、動(dòng)植物油、乳液、有機(jī)化合物液等固體潤(rùn)滑劑：石墨、二硫化鉬、肥皂、云母等液- -固型潤(rùn)滑劑：石墨乳液、二硫化鉬油劑等熔體潤(rùn)滑劑：玻璃第54頁(yè)/共62頁(yè)圖4-17 硬脂酸鈉乳化劑作用機(jī)理示意圖乳化劑第55頁(yè)/共62頁(yè)擠壓筒玻璃擠壓軸模子穿孔針圖4-18 熱擠壓時(shí)的玻璃潤(rùn)滑玻璃第56頁(yè)/共62頁(yè)四. 潤(rùn)滑劑中的添加劑添加劑的作用：1）提高潤(rùn)滑劑的油性、極壓性；2）推遲潤(rùn)滑劑的老化，延長(zhǎng)其正常使用壽命3）改善潤(rùn)滑劑的物理性能。第57頁(yè)/共62頁(yè)潤(rùn)滑油中的添加劑，一般應(yīng)易溶于機(jī)油，熱穩(wěn)定性要好，且應(yīng)具有良好的物理化學(xué)性能。常用的添加劑有油性劑、極壓劑、抗磨劑和防銹劑等。 四. 潤(rùn)滑劑中的添加劑第58頁(yè)/共62頁(yè)表4-7 潤(rùn)滑油中常用的添加劑及其添加量種 類作 用化合物名稱添加量1油性劑形成油膜，減少摩擦長(zhǎng)鏈脂肪酸、