金属塑性成形中的摩擦和润滑
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8
摩擦学的定义
• 摩擦学是研究作相对运动的相互作用 表面及其有关的理论和实践的一门科 学技术。
机床导轨
9
• 定义中二个主要的部分：
1. 相对运动 2. 相互作用表面
10
摩擦学涉及的学科
• 摩擦学是一门交叉、边缘学科
– 摩擦学主要涉及学科：
• 物理学 • 化学 • 机械工程 • 材料学
• 力学
• 流体力学
•
11
摩擦学研究的主要内容
• 摩擦：摩擦理论与起因 • 磨损：磨损理论与减磨措施 • 润滑：
① 润滑理论 ② 润滑剂极其添加剂 ③ 固体润滑材料
• 摩擦学测试技术：摩擦系数及表面分析 等
12
金属塑性成形中摩擦的定义
在塑性成形中，被加工金属与模具之间存在 相对运动或有相对运动的趋势，在接触表面间产 生阻止切向运动的阻力称为摩擦。
由于变形不均匀，造成坯料在模具表面上的 各个质点流动不相同，有的快，有的慢，有 的粘着不动，因此各点的摩擦情况也不相同。 机械传动摩擦特点是摩擦产生在机械零件之 间的弹性形变，因此它的表面摩擦是比较均 匀的。 一般来说，塑性变形的摩擦是在高压下产生 的。承受的压力一般在500N/mm2 左右，在冷 挤压时达到 2500N/mm2 。相比之下，重载荷 下的轴承工作压力也就是在20-40 N/mm2。 在塑性成形过程中，由于发生塑性变形，接 触面上凸起部分被压平，实际接触面积接近 15 名义接触面积，使摩擦力增大。
图
19 最小周边法则
可以想象，继续镦粗，断面的周边将趋于 椭圆，而椭圆将进一步变成圆。此后，各质 点将沿着半径方向流动。相同面积的任何形 状，圆形的周边最小。
因而最小阻力定律在镦粗中也称最小周边法则。
20
对于其他任意断面金属质 点的流动也符合上述定律。 方料在平锤间压缩时如 图所示。随着镦粗的进行， 方料逐渐变为圆截面。
金属流动方向 摩擦力方向
镦粗时的摩擦
13
第一节 金属塑性成形中摩擦的特点和影响
一、金属塑性成形中摩擦的特点
1、伴随有变形金属的塑性流动，接触面上各点的摩 擦不同
2、接触面上的单位压强高
3、实际接触面积大
4、不断有新的摩擦产生
5、常在高温下产生摩擦，摩擦条件复杂
14
伴随有变 形金属的 塑性流动
接触面上 的单位压 强高
实际接触 面积大
不断有新 的摩擦产 生
在塑性成形过程中，原来非接触面在变 形过程中会成为新的接触面，使摩擦力 增大。
常在高温 下产生摩 擦
很多情况下，塑性变形是在高温下进行， 它会使金属的组织性能发生变化。加之， 温度分不均匀。一般来说，表面温度低， 内部温度高。因此，给摩擦带来了复杂的 影响。另外还要考虑氧化皮等因素的影响。
17
材料2004-4.21第12周1-2节
图 开式模锻的金属流动
例如，在开式模锻中（如图），增加金属流向飞 边的阻力，以保证金属充填模腔；或者修磨圆角r 减少金属流向A腔的阻力，使金属充填得更好。
18
图 开式模锻的金属流动
当接触表面存在摩擦时，矩形断面的棱柱体镦粗时的 流动模型如图所示。 因为接触面上质点向周边流动的阻力与质点离周边的 距离成正比，因此离周边的距离愈近，阻力愈小，金属质 点必然沿这个方向流动。这个方向恰好是周边的最短法线 方向。 因此，可用点划线将矩形分成两个 三角形和两个梯形，形成了四个流 动区域。点划线是流动的分界线， 线上各点至边界的距离相等，各个 区域内的质点到各自边界的法线距 离最短。这样流动的结果，梯形区 域流出的金属多于三角形区域的。 镦粗后，矩形断面将变成双点划线 所示的多边形。
摩擦学的历史
• 说起摩擦，大家一定不陌生，因为摩擦是我们 生活中司空见惯的现象，我们每时每刻都在和
摩擦打交道。我们走路、吃饭、洗衣服依靠摩
擦；各种车辆行驶依靠摩擦，机器运转离不开
摩擦。
• 摩擦学知识与吃、穿、住、行密不可分。
1
车辆行驶依靠摩擦
2
如果没有摩擦
世界将会怎样?
3
摩擦学的历史
比如：旧石器时代 钻木取火
• 利用摩擦热取火，使人类告别了吃生食物的习惯。
Eskimo, Hudson Bay, 1748
4
摩擦学的历史
• 车轮的发明使人类商业社会得以迅速发展。
伊拉克， 2800B.C.
5
又比如： 地质摩擦学
研究岩石摩擦力和地震破坏力之间 的关系（意大利、美国） 针对大地震的滑移特性，在室内模 拟岩石的摩擦学特性。发现滑移速度超 过1mm/s时，摩擦力意外地逐渐下降，阐 明了大地震时主要断层出现低强度的现 象。
由此可知，在塑性成形过程中的摩擦与润滑问题比一 般机械传动中的摩擦要复杂很多。 16
二、摩擦对塑性成形过程的影响
首先介绍与摩擦有关的定律“最小阻力定律”
最小阻力定律：当变形体的质点有可能沿不同方向移动时，则 物体各质点将向着阻力最小的方向移动。即做最小的功，走最短的 路。
最小阻力定律实际上是力学 的普遍原理，它可以定性地用来 分析金属质点的流动方向。或者 通过调整某个方向的流动阻力， 来改变金属在某些方向的流动量 ，使得成形更为合理。
21
在拔长工序中应用上述变形模式，可以提高拔长的生产效 率。拔长实质上就是沿坯料的逐次镦粗，镦粗过程中再伴 随着翻转90º ，使坯料断面积逐渐减小，长度逐渐增加的 工序。如图所示。 要求较高的拔长生产效率时，坯 料的送料要小，这时轴向延伸较大 。即当送进量l小于坯料宽度a（l < a ）时，坯料轴向伸长得多。 不要求长度方向有较大的伸长时 ，坯料的送料要大，这时轴向延伸 较小。即当送进量l大于坯料宽度a （l > a ）时，坯料宽度增加的多 。
6
损失在摩擦界面上的资源
根据 1986统计
来自百度文库
• • • • • •
界面 活塞环/汽缸 轮胎/路面 刀具/工件 钻头/油井 磁头/磁介质 人体/座位
损失量 • • • • • •
亿美元/年 200 100 100 100 100 200
7
摩擦磨损产生的难题
• 在现代汽车中，20％的功率要用来克服摩 擦； • 飞机上的活塞式发动机因摩擦损耗的功率 要占10％，就是最先进的涡轮喷气发动机 也要为克服摩擦损耗2％的功率。 • 据报道，英国在材料磨损上损失每年要超 过20亿美元。 • 航空和航天器过度发热，这更是现代科技 遇到的又一难题。
摩擦学的定义
• 摩擦学是研究作相对运动的相互作用 表面及其有关的理论和实践的一门科 学技术。
机床导轨
9
• 定义中二个主要的部分：
1. 相对运动 2. 相互作用表面
10
摩擦学涉及的学科
• 摩擦学是一门交叉、边缘学科
– 摩擦学主要涉及学科：
• 物理学 • 化学 • 机械工程 • 材料学
• 力学
• 流体力学
•
11
摩擦学研究的主要内容
• 摩擦：摩擦理论与起因 • 磨损：磨损理论与减磨措施 • 润滑：
① 润滑理论 ② 润滑剂极其添加剂 ③ 固体润滑材料
• 摩擦学测试技术：摩擦系数及表面分析 等
12
金属塑性成形中摩擦的定义
在塑性成形中，被加工金属与模具之间存在 相对运动或有相对运动的趋势，在接触表面间产 生阻止切向运动的阻力称为摩擦。
由于变形不均匀，造成坯料在模具表面上的 各个质点流动不相同，有的快，有的慢，有 的粘着不动，因此各点的摩擦情况也不相同。 机械传动摩擦特点是摩擦产生在机械零件之 间的弹性形变，因此它的表面摩擦是比较均 匀的。 一般来说，塑性变形的摩擦是在高压下产生 的。承受的压力一般在500N/mm2 左右，在冷 挤压时达到 2500N/mm2 。相比之下，重载荷 下的轴承工作压力也就是在20-40 N/mm2。 在塑性成形过程中，由于发生塑性变形，接 触面上凸起部分被压平，实际接触面积接近 15 名义接触面积，使摩擦力增大。
图
19 最小周边法则
可以想象，继续镦粗，断面的周边将趋于 椭圆，而椭圆将进一步变成圆。此后，各质 点将沿着半径方向流动。相同面积的任何形 状，圆形的周边最小。
因而最小阻力定律在镦粗中也称最小周边法则。
20
对于其他任意断面金属质 点的流动也符合上述定律。 方料在平锤间压缩时如 图所示。随着镦粗的进行， 方料逐渐变为圆截面。
金属流动方向 摩擦力方向
镦粗时的摩擦
13
第一节 金属塑性成形中摩擦的特点和影响
一、金属塑性成形中摩擦的特点
1、伴随有变形金属的塑性流动，接触面上各点的摩 擦不同
2、接触面上的单位压强高
3、实际接触面积大
4、不断有新的摩擦产生
5、常在高温下产生摩擦，摩擦条件复杂
14
伴随有变 形金属的 塑性流动
接触面上 的单位压 强高
实际接触 面积大
不断有新 的摩擦产 生
在塑性成形过程中，原来非接触面在变 形过程中会成为新的接触面，使摩擦力 增大。
常在高温 下产生摩 擦
很多情况下，塑性变形是在高温下进行， 它会使金属的组织性能发生变化。加之， 温度分不均匀。一般来说，表面温度低， 内部温度高。因此，给摩擦带来了复杂的 影响。另外还要考虑氧化皮等因素的影响。
17
材料2004-4.21第12周1-2节
图 开式模锻的金属流动
例如，在开式模锻中（如图），增加金属流向飞 边的阻力，以保证金属充填模腔；或者修磨圆角r 减少金属流向A腔的阻力，使金属充填得更好。
18
图 开式模锻的金属流动
当接触表面存在摩擦时，矩形断面的棱柱体镦粗时的 流动模型如图所示。 因为接触面上质点向周边流动的阻力与质点离周边的 距离成正比，因此离周边的距离愈近，阻力愈小，金属质 点必然沿这个方向流动。这个方向恰好是周边的最短法线 方向。 因此，可用点划线将矩形分成两个 三角形和两个梯形，形成了四个流 动区域。点划线是流动的分界线， 线上各点至边界的距离相等，各个 区域内的质点到各自边界的法线距 离最短。这样流动的结果，梯形区 域流出的金属多于三角形区域的。 镦粗后，矩形断面将变成双点划线 所示的多边形。
摩擦学的历史
• 说起摩擦，大家一定不陌生，因为摩擦是我们 生活中司空见惯的现象，我们每时每刻都在和
摩擦打交道。我们走路、吃饭、洗衣服依靠摩
擦；各种车辆行驶依靠摩擦，机器运转离不开
摩擦。
• 摩擦学知识与吃、穿、住、行密不可分。
1
车辆行驶依靠摩擦
2
如果没有摩擦
世界将会怎样?
3
摩擦学的历史
比如：旧石器时代 钻木取火
• 利用摩擦热取火，使人类告别了吃生食物的习惯。
Eskimo, Hudson Bay, 1748
4
摩擦学的历史
• 车轮的发明使人类商业社会得以迅速发展。
伊拉克， 2800B.C.
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又比如： 地质摩擦学
研究岩石摩擦力和地震破坏力之间 的关系（意大利、美国） 针对大地震的滑移特性，在室内模 拟岩石的摩擦学特性。发现滑移速度超 过1mm/s时，摩擦力意外地逐渐下降，阐 明了大地震时主要断层出现低强度的现 象。
由此可知，在塑性成形过程中的摩擦与润滑问题比一 般机械传动中的摩擦要复杂很多。 16
二、摩擦对塑性成形过程的影响
首先介绍与摩擦有关的定律“最小阻力定律”
最小阻力定律：当变形体的质点有可能沿不同方向移动时，则 物体各质点将向着阻力最小的方向移动。即做最小的功，走最短的 路。
最小阻力定律实际上是力学 的普遍原理，它可以定性地用来 分析金属质点的流动方向。或者 通过调整某个方向的流动阻力， 来改变金属在某些方向的流动量 ，使得成形更为合理。
21
在拔长工序中应用上述变形模式，可以提高拔长的生产效 率。拔长实质上就是沿坯料的逐次镦粗，镦粗过程中再伴 随着翻转90º ，使坯料断面积逐渐减小，长度逐渐增加的 工序。如图所示。 要求较高的拔长生产效率时，坯 料的送料要小，这时轴向延伸较大 。即当送进量l小于坯料宽度a（l < a ）时，坯料轴向伸长得多。 不要求长度方向有较大的伸长时 ，坯料的送料要大，这时轴向延伸 较小。即当送进量l大于坯料宽度a （l > a ）时，坯料宽度增加的多 。
6
损失在摩擦界面上的资源
根据 1986统计
来自百度文库
• • • • • •
界面 活塞环/汽缸 轮胎/路面 刀具/工件 钻头/油井 磁头/磁介质 人体/座位
损失量 • • • • • •
亿美元/年 200 100 100 100 100 200
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摩擦磨损产生的难题
• 在现代汽车中，20％的功率要用来克服摩 擦； • 飞机上的活塞式发动机因摩擦损耗的功率 要占10％，就是最先进的涡轮喷气发动机 也要为克服摩擦损耗2％的功率。 • 据报道，英国在材料磨损上损失每年要超 过20亿美元。 • 航空和航天器过度发热，这更是现代科技 遇到的又一难题。