第5章 金属塑性加工中的摩擦与润滑

第5章金属塑性加工中的摩擦与润滑5.1金属塑性加工中的摩擦特点与影响5.2金属塑性加工中的摩擦与润滑理论5.3减少摩擦的措施5.4摩擦系数测定5.1金属塑性加工中的摩擦特点与影响1塑性成形时摩擦的特点1）接触面单位压力大热加工:100~150MPa，冷加工:50~2500MPa。润滑剂难以带入或易从变形区挤出，即润滑困难及润滑方法特殊。2）接触面温度较高热加工温度：800~1200℃，冷加工：200300℃。内部组织和性能变化，表面氧化，润滑剂受影响。3）接触面更新和分区工具与金属间接触条件改变。接触面上各处塑性流动不同，有滑动、粘着，有快、慢，接触面上各点摩擦不同。4）摩擦副性质差别大，工具无塑性变形、组织不发生变化；工件较大塑性变形。二者性质与作用差异大，变形摩擦特殊。2外摩擦在压力加工中的作用外摩擦大多数有害，主要为：1）改变物体应力状态，增加变形抗力和能耗。一般情况下，摩擦加大使负荷增加30%。2）引起工件变形与应力分布不均匀3）恶化工件表面质量4）加速模具磨损，降低工具寿命。5.1.2外摩擦在压力加工中的作用应用摩擦改善生产1）增大摩擦改善轧制过程咬入条件2）增大冲头与板片间摩擦，减少起皱和撕裂5.2金属塑性加工中的摩擦与润滑理论1.摩擦分类1)．干摩擦金属与工具的接触表面之间不存任何外来介质，即金属与金属直接接触时所产生的摩擦。通常指不加润滑剂的摩擦状态。•库仑摩擦条件F=μN或τ=μσn，μmax=0.5~0.577式中F为摩擦力；μ为外摩擦系数；N为垂直于接触面正压力；σn为接触面上的正应力；τ为接触面上的摩擦切应力。•粘着摩擦理论：F=sτb式中F为摩擦力；s为粘着点处实际剪切面积；τb较软金属剪切强度。•摩擦力不变条件（也称常摩擦力定律）接触面间的摩擦力不随正压力大小而变。其单位摩擦力τ是常数，即表达式为：τ=m·k式中，m为摩擦因子，（0~1.0）k为临界切应力2．流体摩擦当金属与工具表面之间上加入润滑层较厚，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。特点：摩擦力大小与接触面的表面状态无关，与流体的粘度、速度梯度等因素有关。流体摩擦的摩擦系数很小。式中：η为层间流体的粘度dv/dz速度梯度动压润滑：μ=0.005-0.02dzdsT3．边界摩擦坯料与工具之间的接触表面厚度小于1μm润滑膜润滑摩擦状态，μ=0.05~0.15。随着接触压力的增加，坯料表面凸起部分被压平，润滑剂被挤入凹坑中，被封存在里面,这时在压平部分与模具之间存在一层极薄的润滑膜，这种润滑膜一般是一种流体的单分子膜，接触表面就处在被这种单分子膜隔开的状态，这种单分子膜润滑的状态称为边界润滑。a)干摩擦b)边界摩擦c)流体摩擦5.3减少摩擦的措施1.金属的种类和化学成分5.3.1影响摩擦的主要因素同种材料，化学成分变化时，摩擦系数不同。钢中的碳含量增加时，摩擦系数会减小。随着合金元素的增加，摩擦系数下降。粘附性较强金属具有较大的摩擦系数,硬度、强度越高，摩擦系数就越小软钢为0.17；铝为0.18；黄铜为0.10，电解铜为0.172.工具材料及其表面状态工具材料•铸铁材料摩擦系数比钢摩擦系数低15%~20%•淬火钢的摩擦系数与铸铁的摩擦系数相近•硬质合金轧辊摩擦系数比合金钢轧辊摩擦系数降低10%~20%•金属陶瓷轧辊的摩擦系数比硬质合金辊降低10~20%。工具表面状态•工具表面精度及机加工方法不同，摩擦系数在0.05~0.5范围内变化。•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。3.接触面上的单位压力•单位压力较小，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，这增加真实接触面积，使分子吸附作用增强，即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。正压力对摩擦系数的影响温度对铜的摩擦系数的影响0μ0.40.2400600800℃温度对钢的摩擦系数的影响μ0.40.2400600800℃2000.10.30.54变形温度•两个相反的结果：1）温度增加，加剧表面的氧化而增加摩擦系数；2）温度提高，被变形金属的强度降低，单位压力也降低，导致摩擦系数的增加。大量实验结果表明：开始时摩擦系数随温度升高而增加，达到最大值以后又随温度升高而降低。氧化质起润滑剂的作用5变形速度•随着变形速度增加，摩擦系数下降•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。但变形速度与变形温度密切相关，影响润滑剂的曳入效果。随着条件的不同，变形速度对摩擦系数的影响也很复杂。有时会得到相反的结果。纯铝轧制时轧制速度对摩擦系数影响1—压下率60%，润滑油中无添加剂2—压下率60%，润滑油中加入酒精3—压下率25%，润滑油中加入酒精6.润滑剂•润滑剂作用:防粘减摩,减少工模具磨损。•不同润滑剂所起的效果不同热挤压时的摩擦系数润滑μ值铜黄铜青铜铝铝合金镁合金无润滑0.250.18~0.270.27~0.290.280.350.28石墨+油比上面相应数值降低0.030~0.0355.3.2减少摩擦的措施•工具材料•工具表面状态•润滑剂•接触面上的单位压力•变形温度5.4摩擦系数测定•钳轧制法基本原理：利用纵轧时力的平衡条件实验方法：用钳子夹住板材的未轧入部分，钳子的另一端与测力仪相联，由该测力仪可测得轧辊打滑时的水平力T。2cos22sin2nnPPT22cos2tgPTn5.4摩擦系数测定•楔形件压缩法基本原理：按照金属流动规律，接触表面金属质点沿阻力最小方向流动，在水平方向中间，一定有一个金属质点朝两个方向流动的分界面——中立面当角已知，并在实验后能测出及的长度，即可算出摩擦系数。斜锤间塑压楔形件xxxxTTPP''xxxxTTPP'')'(2)'(ccccLLLL5.4摩擦系数测定•圆环镦粗法基本原理：按照金属流动规律，接触表面金属质点沿阻力最小方向流动，在水平方向中间，一定有一个金属质点朝两个方向流动的分界面——中立面圆环镦粗的金属流动a)变形前b)摩擦系数很小或为零c)有摩擦