金属塑性变形理论摩擦与润滑
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2014-1-15 25
Lesson Nineteen
变形温度对摩擦系数的影响很复杂。因为温度变化时，材料 的温度、硬度及接触面上的氧化质的性能都会发生变化，可 能产生两个相反的结果：一方面随着温度的增加，可加剧表 面的氧化而增加摩擦系数；另一方面，随着温度的提高，被 变形金属的强度降低，单位压力也降低，这又导致摩擦系数 的减小，所以，变形温度是影响摩擦系数变化因素中，最积 极、最活泼的一个，很难一概而论。 温度较低时，金属的硬度大，氧化膜薄，摩擦系数小。随着 温度升高，金属硬度降低，氧化膜增厚，表面吸附力，原子 扩散能力加强；同时，高温使润滑剂性能变坏，所以，摩擦 系数增大。当温度继续升高，由于氧化质软化和脱落，氧化 质在接触表面间起润滑剂的作用，摩擦系数反而减小。
2014-1-15 26
Lesson Nineteen
变形速度
许多实验结果表明，随着变形速度增加，摩擦系数下降 变形速度增加引起摩擦系数下降的原因，与摩擦状态有关。 在干摩擦时，变形速度增加，表面凹凸不平部分来不及相互 咬合，表现出摩擦系数的下降。在边界润滑条件下，由于变 形速度增加，油膜厚度增大，导致摩擦系数下降，如图 4-9 所示。但是，变形速度与变形温度密切相关，并影响润滑剂 的曳入效果。
2014-1-15 14
Lesson Nineteen
边界摩擦
2014-1-15
15
Lesson Nineteen
分子吸附说
当两个接触表面非常光滑时，接触摩擦力不但不降 低，反而会提高，这一现象无法用机械咬合理论来 解释。分子吸附学说认为：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，分子间的作用力越强。克服该分子间作用力 的摩擦力也就越大。
金属的种类和化学成分
摩擦系数随着不同的金属、不同的化学成分而异。由于金属 表面的硬度、强度、吸附性、扩散能力、导热性、氧化速度、 氧化膜的性质以及金属间的相互结合力等都与化学成分有关， 因此不同种类的金属，摩擦系数不同。例如，用光洁的钢压 头在常温下对不同材料进行压缩时测得摩擦系数：软钢为 0. 17；铝为0.18；黄铜为0.10，电解铜为0.17，即使同种材料， 化学成分变化时，摩擦系数也不同。如钢中的碳含量增加时， 摩擦系数会减小。一般说，随着合金元素的增加，摩擦系数 下降。材料的硬度、强度越高，摩擦系数就越小。
2014-1-15
0.14 0.13 0.12 0.11 0.10 0.09 0.08 0.07 0.06
0.05
0.04 0.03 0.02 0.01 0 200 600 1400 N/mm2
1000
1800
2200
正压力对摩擦系数的影响
24
Lesson Nineteen
变形温度
温度对钢和铜的摩擦系数的影响
工具的表面状态视工具表面的精度及机加工方法的不同，摩
擦系数可能在0.05~0.5范围内变化。一般来说，工具表面光 洁度越高，摩擦系数越小。但如果两个接触面光洁度都非常 高，由于分子吸附作用增强，反使摩擦系数增大。
2014-1-15 23
Lesson Nineteen
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 ，摩擦 系数与正压力无关 ，摩擦 系数可认为是常数 。当单 位压力增加到一定数值后， 润滑剂被挤掉或表面膜破 坏，这不但增加了真实接 触面积，而且使分子吸附 作用增强，从而使摩擦系 数随压力增加而增加 ，但 增加到一定程度后趋于稳 定，
2014-1-15
Conform连续挤压法
8
Lesson Nineteen
9.2 塑性加工中摩擦的分类及机理
外摩擦的分类 干摩擦 流体摩擦 边界摩擦 摩擦机理 分子吸附说 粘着理论 表面凸凹学说
2014-1-15
9
Lesson Nineteen
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。通常说的干摩 擦指的是不加润滑剂的摩擦状态。
2014-1-15
27
Lesson Nineteen
润滑剂
压力加工中采用润滑剂能起到防粘减摩以及减少工
模具磨损的作用，而不同润滑剂所起的效果不同。 因此，正确选用润滑剂，可显著降低摩擦系数。常 用金属及合金在不同加工条件下的摩擦系数可查有 关加工手册（或实际测量）。
2014-1-15
28
Lesson Nineteen
2014-1-15
5
Lesson Nineteen
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。
2014-1-15
6
Lesson Nineteen
外摩擦在压力加工中的作用：
2014-1-15 22
Lesson Nineteen
工具材料及其表面状态
工具选用铸铁材料时的摩擦系数，比选用钢时摩擦系数可低 15%~20%，而淬火钢的摩擦系数与铸铁的摩擦系数相近。 硬质合 金 轧 辊 的 摩擦系数较合金钢轧辊摩擦系数可降低 10%~20%，而金属陶瓷轧辊的摩擦系数比硬质合金辊也同 样可降低10~20%。
2014-1-15 4
源自文库
Lesson Nineteen
不断增加新的接触表面
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。
2014-1-15 19
Lesson Nineteen
2014-1-15
20
Lesson Nineteen
9.3 摩擦系数及其影响因素
金属的种类和化学成分 工具材料及其表面状态 接触面上的单位压力 变形温度
变形速度
润滑剂
2014-1-15 21
Lesson Nineteen
2014-1-15 36
Lesson Nineteen
润滑剂的选择
液体润滑剂
矿物油（非极性）、动植物油（极性）、乳液（油包水或 水包油等）
固体润滑剂
石墨(500℃)、二硫化钼(350℃)、肥皂、氮化硼(900℃)等
液－固体润滑剂
把固体润滑粉末悬浮在润滑油或工作油中，构成乳液
熔体润滑剂
33
Lesson Nineteen
润滑的目的
降低金属变形时的能耗 提高制品质量 减少工模具磨损，延长工具使用寿命
2014-1-15
34
Lesson Nineteen
润滑机理
流体力学原理
2014-1-15
35
Lesson Nineteen
吸附机制
金属塑性加工用润滑剂从本 质上可分为不含有表面活性 物质（如各类矿物油）和含 有表面活性物质（如动、植 物油，添加剂等）两大类。 这些润滑剂中的极性或非极 性分子对金属表面都具有吸 附能力，并且通过吸附作用 在金属表面形成油膜。
玻璃(500~2000℃)
2014-1-15 37
Lesson Nineteen
润滑方法的改进
流体润滑
2014-1-15
38
Lesson Nineteen
改变工具形状
2014-1-15
39
Lesson Nineteen
2014-1-15
10
Lesson Nineteen
摩擦力计算
库仑摩擦定律
粘着摩擦理论
f f n
f mk
T Fz N
分子－机械摩擦理论
2014-1-15
11
Lesson Nineteen
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、速度梯度 等因素有关。因而流体摩擦的 摩擦系数是很小的。
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。
2014-1-15 12
Lesson Nineteen
摩擦力计算
液体摩擦定律
dv t dz
分别为流体层间切应力和液体粘度 流体速度梯度
t ,
dv dz
2014-1-15
液体摩擦时 f = 0.005~0.02
13
Lesson Nineteen
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。这种摩擦出现在高压、低速和润滑剂粘度小的情况。
2014-1-15
30
Lesson Nineteen
圆环镦粗法
2014-1-15
31
Lesson Nineteen
d, mm
h, mm
2014-1-15 32
Lesson Nineteen
9.5 塑性加工的工艺润滑
润滑的目的 润滑机理 润滑剂的选择 润滑方法的改进
2014-1-15
2014-1-15
16
Lesson Nineteen
2014-1-15
17
Lesson Nineteen
粘着理论
2014-1-15
18
Lesson Nineteen
表面凹凸学说
所有经过机械加工的表面并非绝对平坦光滑，都有不同 程度的微观凸起和凹入。当凹凸不平的两个表面相互接 触时，一个表面的部分“凸峰”可能会陷入另一表面的 凹坑，产生机械咬合。 当这两个相互接触的表面在外力的作用下发生相对运动 时，相互咬合的部分会被剪断，此时摩擦力表现为这些 凸峰被剪切时的变形阻力。 根据这一观点，相互接触的表面越粗糙，相对运动时的 摩擦力就越大。降低接触表面的粗糙度，或涂抹润滑剂 以填补表面凹坑，都可以起到减少摩擦的作用。
改变物体应力状态， 使变形力和能耗增加
不利方面
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
2014-1-15 7
Lesson Nineteen
增大摩擦改善 轧制过程咬入条件 摩擦的利用
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
金属塑性加工时摩擦的特点：
（1）是在高压下产生的摩擦 （2）是在较高温度下的摩擦 （3）不断增加新的接触表面 （4）摩擦副（金属与工具）的性质相差大
2014-1-15
2
Lesson Nineteen
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，接触面压力 通常只有20~50MPa。 如此高的接触面压力使润滑剂难以带入或容易从变 形区挤出，使润滑困难及润滑方法特殊。
2014-1-15 3
Lesson Nineteen
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。
其他因素
压下率
带润滑冷轧时，若试样表面不粗糙，一般随压下率增 加摩擦系数增大。
变形区几何形状参数l/h
摩擦系数随l/h的增大而减小。
轧辊直径
当其它条件相同时，摩擦系数随轧辊直径的增加而减 小。
2014-1-15 29
Lesson Nineteen
9.4 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 轧制力矩法
Lesson Nineteen
第九章 塑性加工中的摩擦与润滑
主要内容
Main Content
金属塑性加工时摩擦的特点及作用
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
2014-1-15 1
Lesson Nineteen
9.1 金属塑性加工时摩擦的特点及作用
Lesson Nineteen
变形温度对摩擦系数的影响很复杂。因为温度变化时，材料 的温度、硬度及接触面上的氧化质的性能都会发生变化，可 能产生两个相反的结果：一方面随着温度的增加，可加剧表 面的氧化而增加摩擦系数；另一方面，随着温度的提高，被 变形金属的强度降低，单位压力也降低，这又导致摩擦系数 的减小，所以，变形温度是影响摩擦系数变化因素中，最积 极、最活泼的一个，很难一概而论。 温度较低时，金属的硬度大，氧化膜薄，摩擦系数小。随着 温度升高，金属硬度降低，氧化膜增厚，表面吸附力，原子 扩散能力加强；同时，高温使润滑剂性能变坏，所以，摩擦 系数增大。当温度继续升高，由于氧化质软化和脱落，氧化 质在接触表面间起润滑剂的作用，摩擦系数反而减小。
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Lesson Nineteen
变形速度
许多实验结果表明，随着变形速度增加，摩擦系数下降 变形速度增加引起摩擦系数下降的原因，与摩擦状态有关。 在干摩擦时，变形速度增加，表面凹凸不平部分来不及相互 咬合，表现出摩擦系数的下降。在边界润滑条件下，由于变 形速度增加，油膜厚度增大，导致摩擦系数下降，如图 4-9 所示。但是，变形速度与变形温度密切相关，并影响润滑剂 的曳入效果。
2014-1-15 14
Lesson Nineteen
边界摩擦
2014-1-15
15
Lesson Nineteen
分子吸附说
当两个接触表面非常光滑时，接触摩擦力不但不降 低，反而会提高，这一现象无法用机械咬合理论来 解释。分子吸附学说认为：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，分子间的作用力越强。克服该分子间作用力 的摩擦力也就越大。
金属的种类和化学成分
摩擦系数随着不同的金属、不同的化学成分而异。由于金属 表面的硬度、强度、吸附性、扩散能力、导热性、氧化速度、 氧化膜的性质以及金属间的相互结合力等都与化学成分有关， 因此不同种类的金属，摩擦系数不同。例如，用光洁的钢压 头在常温下对不同材料进行压缩时测得摩擦系数：软钢为 0. 17；铝为0.18；黄铜为0.10，电解铜为0.17，即使同种材料， 化学成分变化时，摩擦系数也不同。如钢中的碳含量增加时， 摩擦系数会减小。一般说，随着合金元素的增加，摩擦系数 下降。材料的硬度、强度越高，摩擦系数就越小。
2014-1-15
0.14 0.13 0.12 0.11 0.10 0.09 0.08 0.07 0.06
0.05
0.04 0.03 0.02 0.01 0 200 600 1400 N/mm2
1000
1800
2200
正压力对摩擦系数的影响
24
Lesson Nineteen
变形温度
温度对钢和铜的摩擦系数的影响
工具的表面状态视工具表面的精度及机加工方法的不同，摩
擦系数可能在0.05~0.5范围内变化。一般来说，工具表面光 洁度越高，摩擦系数越小。但如果两个接触面光洁度都非常 高，由于分子吸附作用增强，反使摩擦系数增大。
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Lesson Nineteen
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 ，摩擦 系数与正压力无关 ，摩擦 系数可认为是常数 。当单 位压力增加到一定数值后， 润滑剂被挤掉或表面膜破 坏，这不但增加了真实接 触面积，而且使分子吸附 作用增强，从而使摩擦系 数随压力增加而增加 ，但 增加到一定程度后趋于稳 定，
2014-1-15
Conform连续挤压法
8
Lesson Nineteen
9.2 塑性加工中摩擦的分类及机理
外摩擦的分类 干摩擦 流体摩擦 边界摩擦 摩擦机理 分子吸附说 粘着理论 表面凸凹学说
2014-1-15
9
Lesson Nineteen
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。通常说的干摩 擦指的是不加润滑剂的摩擦状态。
2014-1-15
27
Lesson Nineteen
润滑剂
压力加工中采用润滑剂能起到防粘减摩以及减少工
模具磨损的作用，而不同润滑剂所起的效果不同。 因此，正确选用润滑剂，可显著降低摩擦系数。常 用金属及合金在不同加工条件下的摩擦系数可查有 关加工手册（或实际测量）。
2014-1-15
28
Lesson Nineteen
2014-1-15
5
Lesson Nineteen
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。
2014-1-15
6
Lesson Nineteen
外摩擦在压力加工中的作用：
2014-1-15 22
Lesson Nineteen
工具材料及其表面状态
工具选用铸铁材料时的摩擦系数，比选用钢时摩擦系数可低 15%~20%，而淬火钢的摩擦系数与铸铁的摩擦系数相近。 硬质合 金 轧 辊 的 摩擦系数较合金钢轧辊摩擦系数可降低 10%~20%，而金属陶瓷轧辊的摩擦系数比硬质合金辊也同 样可降低10~20%。
2014-1-15 4
源自文库
Lesson Nineteen
不断增加新的接触表面
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。
2014-1-15 19
Lesson Nineteen
2014-1-15
20
Lesson Nineteen
9.3 摩擦系数及其影响因素
金属的种类和化学成分 工具材料及其表面状态 接触面上的单位压力 变形温度
变形速度
润滑剂
2014-1-15 21
Lesson Nineteen
2014-1-15 36
Lesson Nineteen
润滑剂的选择
液体润滑剂
矿物油（非极性）、动植物油（极性）、乳液（油包水或 水包油等）
固体润滑剂
石墨(500℃)、二硫化钼(350℃)、肥皂、氮化硼(900℃)等
液－固体润滑剂
把固体润滑粉末悬浮在润滑油或工作油中，构成乳液
熔体润滑剂
33
Lesson Nineteen
润滑的目的
降低金属变形时的能耗 提高制品质量 减少工模具磨损，延长工具使用寿命
2014-1-15
34
Lesson Nineteen
润滑机理
流体力学原理
2014-1-15
35
Lesson Nineteen
吸附机制
金属塑性加工用润滑剂从本 质上可分为不含有表面活性 物质（如各类矿物油）和含 有表面活性物质（如动、植 物油，添加剂等）两大类。 这些润滑剂中的极性或非极 性分子对金属表面都具有吸 附能力，并且通过吸附作用 在金属表面形成油膜。
玻璃(500~2000℃)
2014-1-15 37
Lesson Nineteen
润滑方法的改进
流体润滑
2014-1-15
38
Lesson Nineteen
改变工具形状
2014-1-15
39
Lesson Nineteen
2014-1-15
10
Lesson Nineteen
摩擦力计算
库仑摩擦定律
粘着摩擦理论
f f n
f mk
T Fz N
分子－机械摩擦理论
2014-1-15
11
Lesson Nineteen
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、速度梯度 等因素有关。因而流体摩擦的 摩擦系数是很小的。
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。
2014-1-15 12
Lesson Nineteen
摩擦力计算
液体摩擦定律
dv t dz
分别为流体层间切应力和液体粘度 流体速度梯度
t ,
dv dz
2014-1-15
液体摩擦时 f = 0.005~0.02
13
Lesson Nineteen
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。这种摩擦出现在高压、低速和润滑剂粘度小的情况。
2014-1-15
30
Lesson Nineteen
圆环镦粗法
2014-1-15
31
Lesson Nineteen
d, mm
h, mm
2014-1-15 32
Lesson Nineteen
9.5 塑性加工的工艺润滑
润滑的目的 润滑机理 润滑剂的选择 润滑方法的改进
2014-1-15
2014-1-15
16
Lesson Nineteen
2014-1-15
17
Lesson Nineteen
粘着理论
2014-1-15
18
Lesson Nineteen
表面凹凸学说
所有经过机械加工的表面并非绝对平坦光滑，都有不同 程度的微观凸起和凹入。当凹凸不平的两个表面相互接 触时，一个表面的部分“凸峰”可能会陷入另一表面的 凹坑，产生机械咬合。 当这两个相互接触的表面在外力的作用下发生相对运动 时，相互咬合的部分会被剪断，此时摩擦力表现为这些 凸峰被剪切时的变形阻力。 根据这一观点，相互接触的表面越粗糙，相对运动时的 摩擦力就越大。降低接触表面的粗糙度，或涂抹润滑剂 以填补表面凹坑，都可以起到减少摩擦的作用。
改变物体应力状态， 使变形力和能耗增加
不利方面
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
2014-1-15 7
Lesson Nineteen
增大摩擦改善 轧制过程咬入条件 摩擦的利用
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
金属塑性加工时摩擦的特点：
（1）是在高压下产生的摩擦 （2）是在较高温度下的摩擦 （3）不断增加新的接触表面 （4）摩擦副（金属与工具）的性质相差大
2014-1-15
2
Lesson Nineteen
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，接触面压力 通常只有20~50MPa。 如此高的接触面压力使润滑剂难以带入或容易从变 形区挤出，使润滑困难及润滑方法特殊。
2014-1-15 3
Lesson Nineteen
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。
其他因素
压下率
带润滑冷轧时，若试样表面不粗糙，一般随压下率增 加摩擦系数增大。
变形区几何形状参数l/h
摩擦系数随l/h的增大而减小。
轧辊直径
当其它条件相同时，摩擦系数随轧辊直径的增加而减 小。
2014-1-15 29
Lesson Nineteen
9.4 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 轧制力矩法
Lesson Nineteen
第九章 塑性加工中的摩擦与润滑
主要内容
Main Content
金属塑性加工时摩擦的特点及作用
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
2014-1-15 1
Lesson Nineteen
9.1 金属塑性加工时摩擦的特点及作用