第一章-摩擦学基础知识.优秀PPT.ppt

《第一章-摩擦学基础知识.优秀PPT.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第一章-摩擦学基础知识.优秀PPT.ppt（39页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、 第一章第一章 摩擦学基础学问摩擦学基础学问 1 摩擦表面摩擦表面1.表面形貌组成：表面形貌组成：固体表面的微观几何形态，即形态固体表面的微观几何形态，即形态公差、水纹度和表面粗糙度统称为公差、水纹度和表面粗糙度统称为表面形貌。表面形貌。（1）表面形态误差：）表面形态误差：实际表面形态与志向表面形态的宏观偏实际表面形态与志向表面形态的宏观偏差，是一种连续而不重复的形态偏差。差，是一种连续而不重复的形态偏差。它是机床它是机床-工件工件-刀具系统的误差和弹性刀具系统的误差和弹性变形等造成，如机床和刀具精度不够、变形等造成，如机床和刀具精度不够、不正确的加工规范或温度应力等。表面不正确的加工规范或温

2、度应力等。表面形态误差的数值由最大偏差表示，国家形态误差的数值由最大偏差表示，国家标准标准 GB11821184-80 规定了形态和规定了形态和位置公差。位置公差。（2）表面水纹度：）表面水纹度：表面周期性重复出现的几何形态误差，是有规律、表面周期性重复出现的几何形态误差，是有规律、周期性、峰和谷的大小几乎相等的表面宏观误差。周期性、峰和谷的大小几乎相等的表面宏观误差。是由机床是由机床-工件工件-刀具系统的振动和机床传动件的刀具系统的振动和机床传动件的缺陷引起的。它的存在对摩擦磨损是有害的，削缺陷引起的。它的存在对摩擦磨损是有害的，削减协作件的实际接触面积，导致真实接触表面压减协作件的实际接触

3、面积，导致真实接触表面压强增加，加快零件的磨损。强增加，加快零件的磨损。波高波高 h：波峰与波谷之距离。：波峰与波谷之距离。波距波距 s：相邻波形对应点距离。：相邻波形对应点距离。（3）表面粗糙度）表面粗糙度(surface roughness)：是固体表面的基本形貌，又称表面微是固体表面的基本形貌，又称表面微观粗糙度，波距小，约观粗糙度，波距小，约 2800m，波，波高较低高较低 0.03400m，属表面微观几，属表面微观几何形态误差。主要与切削加工方法、何形态误差。主要与切削加工方法、刀具的运动轨迹、磨损及工艺系统的刀具的运动轨迹、磨损及工艺系统的高频振动有关。高频振动有关。GB1031-

4、83 规定了表规定了表面粗糙度的参数和数值。工程上通常面粗糙度的参数和数值。工程上通常接受表面粗糙度表征表面的形貌参数。接受表面粗糙度表征表面的形貌参数。n表面粗糙度的特征：表面粗糙度的特征：n1.变更规律：呈现某种规律性变更或变更规律：呈现某种规律性变更或为无规律的随机变更特征。如车削、为无规律的随机变更特征。如车削、钻孔或刨削等工艺加工的表面微凹钻孔或刨削等工艺加工的表面微凹凸体分布往往具有确定的规律和方凸体分布往往具有确定的规律和方向性；磨削、研磨或抛光等精加工向性；磨削、研磨或抛光等精加工表面则为无规律的随机分布特征。表面则为无规律的随机分布特征。n2.与摩擦磨损关系亲密：表面粗糙度与

5、摩擦磨损关系亲密：表面粗糙度的特征对接触表面的压力分布、接的特征对接触表面的压力分布、接触变形程度、分子吸引力的大小、触变形程度、分子吸引力的大小、以及摩擦阻力和摩擦成因等有确定以及摩擦阻力和摩擦成因等有确定性的影响。性的影响。2.2.表面粗糙度的评定参数表面粗糙度的评定参数 z z 为轮廓上各点的高度，为轮廓上各点的高度，m-m m-m 为轮廓中线，为轮廓中线，L L 为取样长度，为取样长度，h h 为峰或谷距任一平行于中线的为峰或谷距任一平行于中线的基线距离。基线距离。（1 1）轮廓算术平均偏差轮廓算术平均偏差RaRa(Arithmetic average Arithmetic avera

6、ge roughnessroughness)轮廓上各点高度在测量长度范围内的轮廓上各点高度在测量长度范围内的算术平均值，数学表达式：算术平均值，数学表达式：概率统计表达式：概率统计表达式：zi 以中线为起点度量出的轮廓高度；以中线为起点度量出的轮廓高度；n 标准长度内测量的次数；标准长度内测量的次数；(x)轮廓图形的分布函数。轮廓图形的分布函数。算术平均偏差算术平均偏差Ra反映了取样长度范围内轮廓随机反映了取样长度范围内轮廓随机分布高度偏离概率分布中心的确定平均状况，不能分布高度偏离概率分布中心的确定平均状况，不能真实反映出表面轮廓的离散性和波动性，但由于其真实反映出表面轮廓的离散性和波动性，

7、但由于其定义与测量仪表读数设计原理一样，作为衡量表面定义与测量仪表读数设计原理一样，作为衡量表面粗糙度的主要参数，被广泛接受。粗糙度的主要参数，被广泛接受。（2）轮廓均方根偏差）轮廓均方根偏差 Rq：轮廓图形上各点和中线：轮廓图形上各点和中线之间距离平方和平均值的平方根。均方根偏差比算之间距离平方和平均值的平方根。均方根偏差比算术平均偏差优越，在理论上普遍接受。术平均偏差优越，在理论上普遍接受。（3）微观不平度十点平均高度）微观不平度十点平均高度Rz：在取样长度范围：在取样长度范围内以平行轮廓中线的任一条直线为基准，测量轮廓内以平行轮廓中线的任一条直线为基准，测量轮廓上五点最高的凸峰和五点最低

8、的凹谷之间的算术平上五点最高的凸峰和五点最低的凹谷之间的算术平均距离，均距离，hpi第第i个最高的轮廓峰高，个最高的轮廓峰高，hvi第第i个最低个最低的轮廓峰高。这一参数对表面轮廓的评定，在测量的轮廓峰高。这一参数对表面轮廓的评定，在测量时易受人为因素的影响，不能稳定反映出表面的几时易受人为因素的影响，不能稳定反映出表面的几何特征。何特征。(4)中线截距平均值中线截距平均值 Sm：取样长度范围内，表取样长度范围内，表面轮廓曲线与中线交点各波形之间距离的算术平面轮廓曲线与中线交点各波形之间距离的算术平均值。该参数反应了表面不规则起伏的波长或间均值。该参数反应了表面不规则起伏的波长或间距以及粗糙峰

9、的疏密程度。距以及粗糙峰的疏密程度。（5）支承面曲线：即能表示粗糙表面的微凸体）支承面曲线：即能表示粗糙表面的微凸体高度分布，也能反映摩擦表面磨损到确定程高度分布，也能反映摩擦表面磨损到确定程度时支承面积的大小。主要用于计算实际接度时支承面积的大小。主要用于计算实际接触面积，一般用二维作图法求支承面曲线。触面积，一般用二维作图法求支承面曲线。（1）以通过最高峰顶点的直线为零位线，在标准长）以通过最高峰顶点的直线为零位线，在标准长度度L的轮廓曲线上，作与中线平行的一系列直线，的轮廓曲线上，作与中线平行的一系列直线，如如h1、h2、h3.（2）将各平行线截取轮廓图形中微凸体的长度相加，）将各平行线

10、截取轮廓图形中微凸体的长度相加，画在轮廓图右侧，直到轮廓图形的最低点为止，连画在轮廓图右侧，直到轮廓图形的最低点为止，连接图中各点，即得到支承面曲线。接图中各点，即得到支承面曲线。（3）描述参数（）描述参数（GB3505-83)：相对支承长度率：相对支承长度率：支承面积支承面积：Ax离峰顶离峰顶h处面积处面积 Ao离峰顶最大高度面积离峰顶最大高度面积（4）按支承面积的大小将轮廓图形分三个高度层：支承面积小）按支承面积的大小将轮廓图形分三个高度层：支承面积小于于25%的部分称为波峰，为最高层；在的部分称为波峰，为最高层；在25%75%之间部分称之间部分称为波中，为中间层；大于为波中，为中间层；大

11、于75%部分为波谷，最低层。部分为波谷，最低层。（5）评定摩擦表面的接触和表面磨合）评定摩擦表面的接触和表面磨合:(a)图中，支撑面曲线在图中，支撑面曲线在微凸体顶部处的斜率较大，曲线较陡，这种表面组成的摩擦微凸体顶部处的斜率较大，曲线较陡，这种表面组成的摩擦副，接触面积小，耐磨性差。副，接触面积小，耐磨性差。(b)图中的支撑面曲线在微凸体图中的支撑面曲线在微凸体顶部处的斜率较小，曲线较平缓，这种表面组成的摩擦副，顶部处的斜率较小，曲线较平缓，这种表面组成的摩擦副，接触面积较大，耐磨性能较好。接触面积较大，耐磨性能较好。3 表面形貌统计学特性表面形貌统计学特性 切削加工的金属表面形貌包含了周期

12、变更切削加工的金属表面形貌包含了周期变更和随和随 即变更两个部分，单一形貌参数不能够描即变更两个部分，单一形貌参数不能够描述复述复 杂的表面形貌，接受形貌统计参数能反映杂的表面形貌，接受形貌统计参数能反映更多更多 的表面形貌信息。的表面形貌信息。（1).轮廓高度分布函数：切削加工表面的轮廓高度分布函数：切削加工表面的轮廓高轮廓高 度接近于正态分布（度接近于正态分布（Gauss分布）：分布）：为粗糙度的均方值，正态分布中称标准偏为粗糙度的均方值，正态分布中称标准偏差，差，2为方差。相关参数定义为：为方差。相关参数定义为：(2).分布曲线的数字特征分布曲线的数字特征(矩）：矩）：（1 1）一次矩算

13、术平均值：一次矩算术平均值：确定中线位置。确定中线位置。（2 2）二次矩二次矩-均方偏差：均方偏差：衡量高度分布的离散性。衡量高度分布的离散性。（3）三次矩三次矩-偏态偏态 S：分布曲线偏离对称位置的分布曲线偏离对称位置的指标，正态分布曲线指标，正态分布曲线 S=0，非正态分布可正，非正态分布可正可负。可负。（4）四次矩四次矩-峰态峰态K：分布曲线的陡峭度。正态分布曲线的陡峭度。正态K=3，K3概概率集中，凸峰较尖锐。率集中，凸峰较尖锐。(3).自相关函数自相关函数R(l)：反映了相邻轮廓的关系和轮廓曲线的变更反映了相邻轮廓的关系和轮廓曲线的变更趋势。对于任一条轮廓曲线，自相关函数趋势。对于任

14、一条轮廓曲线，自相关函数是各点的轮廓高度与该点相距确定间隔处是各点的轮廓高度与该点相距确定间隔处的轮廓高度乘积的数学期望，即的轮廓高度乘积的数学期望，即 离散函数：测量长度内测量点离散函数：测量长度内测量点n，高度值，高度值xi，则，则 连续函数的轮廓曲线为积分形式：连续函数的轮廓曲线为积分形式：4 表面形貌的测量表面形貌的测量1.光学法：光学法：光学显微镜，适用于测量较规则表面光学显微镜，适用于测量较规则表面的的Sm值。包括光切法和干涉法。值。包括光切法和干涉法。2.电子显微镜：电子显微镜：适用于评定不匀整表面的粗糙度。适用于评定不匀整表面的粗糙度。3.截面法：截面法：干脆将轮廓表面切开进行

15、表面几何形干脆将轮廓表面切开进行表面几何形态的视察。态的视察。n4.4.流量法：流量法：n当流体从测量仪器与被测表面之间的缝隙流过时，假当流体从测量仪器与被测表面之间的缝隙流过时，假如限制流体压力并测出确定量流体经过缝隙的时间，如限制流体压力并测出确定量流体经过缝隙的时间，依据流体力学原理，就可以推算出表面的当量粗糙度。依据流体力学原理，就可以推算出表面的当量粗糙度。依据表面粗糙度的程度不同，运用的流体有气体和液依据表面粗糙度的程度不同，运用的流体有气体和液体两种。体两种。n5.5.针描法：针描法：n利用仪器的触针与被测表面相接触，并使触针等速的利用仪器的触针与被测表面相接触，并使触针等速的沿

16、表面轮廓移动以描述出轮廓的图形。最常运用的是沿表面轮廓移动以描述出轮廓的图形。最常运用的是表面轮廓仪。表面轮廓仪。5.表面化学性质：表面化学性质：金属零件在加工过程中，表面材金属零件在加工过程中，表面材料发生变形，位错密度增加，具料发生变形，位错密度增加，具有较高的能量有较高的能量,表面原子处于不表面原子处于不饱和或非稳定态，空气中的气体饱和或非稳定态，空气中的气体分子或润滑油分子与金属表面发分子或润滑油分子与金属表面发生作用，形成吸附层。这种吸附生作用，形成吸附层。这种吸附层隔开了相对运动的表面，削减层隔开了相对运动的表面，削减了表面干脆接触，起到减小摩擦、了表面干脆接触，起到减小摩擦、减轻

17、磨损的作用。减轻磨损的作用。（1）物理吸附：当气体或液体与金属表面）物理吸附：当气体或液体与金属表面接触时，分子或原子相互吸引而产生的接触时，分子或原子相互吸引而产生的吸附。物理吸附是靠范德华力，吸附能吸附。物理吸附是靠范德华力，吸附能较弱，小于较弱，小于104J/mol。对温度敏感，吸。对温度敏感，吸附层薄，热量可使分子脱吸。附层薄，热量可使分子脱吸。（2）化学吸附：吸附物与固体表面之间发）化学吸附：吸附物与固体表面之间发生电子交换或存在共用电子对，形成化生电子交换或存在共用电子对，形成化学键结合。吸附膜坚固，吸附能大，超学键结合。吸附膜坚固，吸附能大，超过过104J/mol。由于化学键力的

18、作用范围。由于化学键力的作用范围多在单分子层，化学吸附基本为单分子多在单分子层，化学吸附基本为单分子层。其减磨作用好于物理吸附层。层。其减磨作用好于物理吸附层。（3）氧化：）氧化：加工后的金属表面化学活性大，简洁加工后的金属表面化学活性大，简洁氧化生成氧化膜，如铁表面的氧化膜氧化生成氧化膜，如铁表面的氧化膜从基体内层到外层的氧化物依次为：从基体内层到外层的氧化物依次为：FeO-Fe3O4-Fe2O3 *氧化膜对表面的爱护作用取决于氧化氧化膜对表面的爱护作用取决于氧化膜的结构和厚度。膜的结构和厚度。较薄的氧化膜结合强度高，能阻挡黏着。较薄的氧化膜结合强度高，能阻挡黏着。FeOFeO和和Fe3O4

19、Fe3O4的爱护作用较好，的爱护作用较好，Fe2O3Fe2O3脆性脆性大易被磨掉成磨粒，加剧磨损。大易被磨掉成磨粒，加剧磨损。铁氧化形铁氧化形成氧化膜成氧化膜6.金属表层的组成金属表层的组成:加工后的表面金属表面组成是困难的，加工后的表面金属表面组成是困难的，微微观是凹凸不平的微凸体，而且与环境观是凹凸不平的微凸体，而且与环境介质介质发生相互作用。大致分为发生相互作用。大致分为5个部分。个部分。污染层：油污、灰尘污染层：油污、灰尘吸附层：液体、气体吸附层：液体、气体氧化层：大气中氧氧化层：大气中氧 金属表面组成贝氏层：贝氏层：加工中表面熔化和表面分子层流加工中表面熔化和表面分子层流 动产生的微

20、晶层。动产生的微晶层。变形层：变形层：机加工过程中形成的变质层。机加工过程中形成的变质层。金属表面组成n吸附膜：表面的干净程度较高时，极易将四周介质的分子吸附膜：表面的干净程度较高时，极易将四周介质的分子吸附到表面上形成吸附膜。吸附到表面上形成吸附膜。n 物理吸附膜：假如是靠范德华力键合在表面上的称物理物理吸附膜：假如是靠范德华力键合在表面上的称物理吸附膜。吸附的量是吸附物的分压（当吸附分子为气体时）吸附膜。吸附的量是吸附物的分压（当吸附分子为气体时）或吸附物浓度（当吸附物为液体）和确定温度的函数。或吸附物浓度（当吸附物为液体）和确定温度的函数。n ns=f（p,T）n ns=f（c,T）n

21、式中：式中：ns为吸附量；为吸附量；p为吸附气体分压；为吸附气体分压；c为吸附为吸附液体浓度；液体浓度；T为确定温度。为确定温度。n吸附热值低，可逆，单层或多层分子，可在任何表面形成吸附热值低，可逆，单层或多层分子，可在任何表面形成7.7.表面膜表面膜n化学吸附膜：吸附分子与固体表面发生电化学吸附膜：吸附分子与固体表面发生电子交换时（即变更了吸附层分子的电子分子交换时（即变更了吸附层分子的电子分布），吸附分子与固体表面的作用是化学布），吸附分子与固体表面的作用是化学键结合，称化学吸附膜。吸附热值高，单键结合，称化学吸附膜。吸附热值高，单分子层，有确定选择性。分子层，有确定选择性。n反应膜：极压

22、添加剂（反应膜：极压添加剂（EP剂），剂），S，P，Cl等极性有机化合物。复合添加剂等极性有机化合物。复合添加剂 n表面氧化膜表面氧化膜1.接触的本质：两个粗糙表面在载荷作用下相接触的本质：两个粗糙表面在载荷作用下相互接触时，最先是两表面上一些较高的微凸互接触时，最先是两表面上一些较高的微凸体发生接触，这些不连续的微小接触点的变体发生接触，这些不连续的微小接触点的变形构成了真实的接触面积。随着载荷的的增形构成了真实的接触面积。随着载荷的的增加，其它次高微凸体也渐渐发生接触。加，其它次高微凸体也渐渐发生接触。2.接触表面的相互作用：接触表面的相互作用：（1）分子相互作用，即粘着）分子相互作用，即

23、粘着:接触只在少数接触只在少数较高微凸体上产生，实际接触面积很小，接较高微凸体上产生，实际接触面积很小，接触点上的应力很大，在接触点处发生塑性流触点上的应力很大，在接触点处发生塑性流淌、粘着或冷焊。金属间的焊合性能将摩擦淌、粘着或冷焊。金属间的焊合性能将摩擦副分副分3类：完全焊合类：完全焊合(Pb-Cu,Al-Cu)、部分焊、部分焊合合(Zn-Fe,Al-Fe)和有限焊合和有限焊合(Mg-Fe,Ag-Fe)摩擦副。摩擦副。(2)机械相互作用：材料不发生粘着而是机械相互作用：材料不发生粘着而是产生确定的变形和位移以适应相对运动。产生确定的变形和位移以适应相对运动。8 固体表面的接触固体表面的接触

24、3.接触面积接触面积名义接触面积名义接触面积An：接触表面的宏观面积，由接触物体接触表面的宏观面积，由接触物体的外部尺寸的外部尺寸确定。确定。(2)轮廓接触面积轮廓接触面积Ap：接触表面被压扁部分形成的面积，即在接触表面被压扁部分形成的面积，即在水纹度水纹度的波峰上形成的接触面积。是一种假设接触的波峰上形成的接触面积。是一种假设接触面积，面积，大小与载荷和表面几何形态有关，约占名义大小与载荷和表面几何形态有关，约占名义接触面接触面积的积的515%。(3)实际接触面积实际接触面积Ar：物体真实接触面积的总和，两接触物体物体真实接触面积的总和，两接触物体通过表面微凸体干脆传递界面相互作用，发通过表

25、面微凸体干脆传递界面相互作用，发生变形而产生的微接触面积之和。为名义接生变形而产生的微接触面积之和。为名义接触面积的触面积的0.010.1%，黑点表示的接触面积。，黑点表示的接触面积。实际接触面积的部分特性：实际接触面积的部分特性：n（1 1）由于表面粗糙度具有离散性，其接由于表面粗糙度具有离散性，其接触也同样具有离散性。触也同样具有离散性。n（2 2）实际接触点是由塑性变形和弹性变实际接触点是由塑性变形和弹性变形共同作用的结果。形共同作用的结果。n（3 3）实际接触面积随载荷的增大而增大，实际接触面积随载荷的增大而增大，接触点处的平均面积几乎保持不变。接触点处的平均面积几乎保持不变。n（4

26、4）实际接触面积的增加主要是由于接实际接触面积的增加主要是由于接触点数的增加。触点数的增加。*对于塑性接触状态，实际接触面积与载对于塑性接触状态，实际接触面积与载荷成正比。荷成正比。*通常认为实际接触面积与载荷保持线性通常认为实际接触面积与载荷保持线性关系，从志向粗糙表面模型分析表明，关系，从志向粗糙表面模型分析表明，只有塑性状态这一关系才成立，而弹性只有塑性状态这一关系才成立，而弹性接触为非线性关系。缘由在于志向粗糙接触为非线性关系。缘由在于志向粗糙表面模型过于简化。表面模型过于简化。（4 4）实际粗糙表面的接触）实际粗糙表面的接触实际表面的粗糙峰高度是按概率密度函数分布实际表面的粗糙峰高度

27、是按概率密度函数分布的，接触的峰点数应依据概率计算。的，接触的峰点数应依据概率计算。两粗糙表两粗糙表面接触面接触n两表面粗糙度均方根值为两表面粗糙度均方根值为1 和和2，h为中线之间为中线之间的距离，其接触可以转化成光滑的刚性表面和另一的距离，其接触可以转化成光滑的刚性表面和另一个具有均方根值为个具有均方根值为 的粗糙平面想接触。的粗糙平面想接触。n当中心线之间的距离为当中心线之间的距离为h时，只有轮廓高度时，只有轮廓高度Z大于大于h的部分才发生接触，的部分才发生接触，Zh部分的面积就是表面接触部分的面积就是表面接触的概率。即：的概率。即：n n 如粗糙峰表面的峰点数为如粗糙峰表面的峰点数为n

28、，参与接触的数目，参与接触的数目m为：为：n n单峰点的法向变形量为（单峰点的法向变形量为（z-h)，则实际接触，则实际接触面积面积A为：为：n接触点支撑的承载量（载荷）为：接触点支撑的承载量（载荷）为：n通常实际表面的轮廓高度按正态分布，靠近通常实际表面的轮廓高度按正态分布，靠近z值较大的部分近似于指数型分布，令值较大的部分近似于指数型分布，令(z)=exp(-z/),计算可以得到：计算可以得到：n可以看到，两个粗糙表面在弹性接触条件下，可以看到，两个粗糙表面在弹性接触条件下，实际接触面积和接触峰点数目都与载荷成线实际接触面积和接触峰点数目都与载荷成线性关系。性关系。n塑性接触状态塑性接触状态:实际接触面积与载荷为线性关系，而与高度分布函实际接触面积与载荷为线性关系，而与高度分布函数数(z)(z)无关。无关。n结论：实际接触面积与载荷的关系取决于表面轮廓结论：实际接触面积与载荷的关系取决于表面轮廓曲线和接触状态。当为塑性接触时，无论高度分布曲线和接触状态。当为塑性接触时，无论高度分布曲线如何，实际接触面积都与载荷成线性关系。在曲线如何，实际接触面积都与载荷成线性关系。在弹性接触状态下，大多数表面的轮廓高度接近于正弹性接触状态下，大多数表面的轮廓高度接近于正态分布，实际接触面积与载荷也具有线性关系。态分布，实际接触面积与载荷也具有线性关系。