第四章金属塑性加工的摩擦与润滑 教学内容:本章讨论金属塑性加工时的摩擦的特点及作用,分析了塑性加工中摩 擦的分类及机理,简述了摩擦系数及其影响因素,讲解了测定摩擦系数的方法和 塑性加工的工艺润滑。 教学重点:塑性加工中摩擦的分类及机理,摩擦系数及其影响因素,测定摩擦系 数的方法,塑性加工的工艺润滑。 教学难点:塑性加工中摩擦的分类及机理,影响摩擦系数的因素和测定摩擦系数 的方法。 教学方法:课堂教学为主,结合多媒体教学。 教学要求:重点掌握塑性加工中摩擦的分类及机理,摩擦系数及其影响因素,测 定摩擦系数的方法和塑性加工的工艺润滑 4.1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,必将要求人们解决新的润滑问题 4.2金属塑性加工时摩擦的特点及作用 4.2.1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:
4-1 第四章 金属塑性加工的摩擦与润滑 教学内容：本章讨论金属塑性加工时的摩擦的特点及作用，分析了塑性加工中摩 擦的分类及机理，简述了摩擦系数及其影响因素，讲解了测定摩擦系数的方法和 塑性加工的工艺润滑。 教学重点：塑性加工中摩擦的分类及机理，摩擦系数及其影响因素，测定摩擦系 数的方法，塑性加工的工艺润滑。 教学难点：塑性加工中摩擦的分类及机理，影响摩擦系数的因素和测定摩擦系数 的方法。 教学方法：课堂教学为主，结合多媒体教学。 教学要求：重点掌握塑性加工中摩擦的分类及机理，摩擦系数及其影响因素，测 定摩擦系数的方法和塑性加工的工艺润滑。 4．1 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，必将要求人们解决新的润滑问题。 4．2 金属塑性加工时摩擦的特点及作用 4. 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500~2500MPa。但是,机器轴承 中,接触面压通常只有20~50MPa,如此高的面压使润滑剂难以带入或易从变形 区挤出,使润滑困难及润滑方法特殊。 (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髙压下变形, 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 4.2.2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,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(图4-1),当无摩擦时,为单向压应力状态,即σ3=σ,而有摩擦时,则 呈现三向应力状态,即O3=阳+n。0。为主变形力,σ1为摩擦力引起的。若 接触面间摩擦越大,则σ越大,即静水压力愈大,所需变形力也随之增大,从 而消耗的变形功増加。一般情况下,摩擦的加大可使负荷増加30%
4-2 （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 100~150MPa，冷加工时可高达 500~2500MPa。但是，机器轴承 中，接触面压通常只有 20~50MPa，如此高的面压使润滑剂难以带入或易从变形 区挤出，使润滑困难及润滑方法特殊。 （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 4. 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，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（图 4-1），当无摩擦时，为单向压应力状态，即 3 = s ，而有摩擦时，则 呈现三向应力状态，即 3 = s + 1 。 3 为主变形力， 1 为摩擦力引起的。若 接触面间摩擦越大，则 1 越大，即静水压力愈大，所需变形力也随之增大，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%
3 Il II I 2 图4-1压时摩擦力对应力及变形分布的影响 (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。如图4-1中平塑压圆柱 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,直接影响制品的性能,降低 主产成品率。 (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,在深入硏究接触摩擦规律,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特点,使摩擦应力能促进金属的变形发展。作为例子, 下面介绍一种有效利用摩擦的方法。 4-3
4-3 （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。如图 4-1 中平塑压圆柱 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，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特点，使摩擦应力能促进金属的变形发展。作为例子， 下面介绍一种有效利用摩擦的方法
Conform连续挤压法的基本原理如图4-2所示。 当从挤压型腔的入口端连续喂入挤压坯料时,由于它的三面是向前运动的可动 边,在摩擦力的作用下,轮槽咬着坯料,并牵引着金属向模孔移动,当夹持长度 足够长时,摩擦力的作用足以在模孔附近,产生高达1000y/m2的挤压应力,和 高达400~500℃的温度,使金属从模孔流出。可见 Conform连续挤压原理上十分 巧妙地利用挤压轮槽壁与坯料之间的杋械摩擦作为挤压力。同时,由于摩擦热和 变形热的共同作用,可使铜、铝材挤压前无需预热,直接喂入冷坯(或粉末粒) 而挤压出热态制品,这比常规挤压节省3/4左右的热电费用。此外因设置紧凑、 轻型、占地小以及坯料适应性强,材料成材率高达90%以上。所以,目前广泛用 于生产中小型铝及铝合金管、棒、线、型材生产上。 4.3塑性加工中摩擦的分类及机理 4.3.1外摩擦的分类及机理 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 1.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(图4-3 所示)。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。 2.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(图4-3),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 压力和温度较髙,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
4-4 Conform 连续挤压法的基本原理如图 4-2 所示。 当从挤压型腔的入口端连续喂入挤压坯料时，由于它的三面是向前运动的可动 边，在摩擦力的作用下，轮槽咬着坯料，并牵引着金属向模孔移动，当夹持长度 足够长时，摩擦力的作用足以在模孔附近，产生高达 1000N/mm2的挤压应力，和 高达 400~500℃的温度，使金属从模孔流出。可见 Conform 连续挤压原理上十分 巧妙地利用挤压轮槽壁与坯料之间的机械摩擦作为挤压力。同时，由于摩擦热和 变形热的共同作用，可使铜、铝材挤压前无需预热，直接喂入冷坯（或粉末粒） 而挤压出热态制品，这比常规挤压节省 3/4 左右的热电费用。此外因设置紧凑、 轻型、占地小以及坯料适应性强，材料成材率高达 90%以上。所以，目前广泛用 于生产中小型铝及铝合金管、棒、线、型材生产上。 4. 3 塑性加工中摩擦的分类及机理 4. 3. 1 外摩擦的分类及机理 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： 1．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（图 4-3 所示）。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。 2．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（图 4-3），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
挤压轮 堵头 挤压模 被工具弄平的半微观润池粘性液体润 区城接触比R〕 坯杆 挤压制品 工具了 工件 粘着 被粘着层 由于工具表面的 压轮封块挤压 刨着的面积不平而包着的面积 nfom连燮挤压原理图 图43工具与工件界面的示意图 3.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(图4-4)。 边界润滑膜湖滑剂,A 氧化膜 图44接觖面的放大换型图 S一粘着部分b—边界摩擦部分L一流体润滑部分 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。它既可以是半干摩擦又可以是半流体摩擦。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
4-5 3．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（图 4-4）。 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。它既可以是半干摩擦又可以是半流体摩擦。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。 L