塑性加工润滑知识

金属塑性加工的摩擦与润滑§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，s3，而有摩擦时，则呈现三向应力状态，即13s。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%。（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，σ2图4-1塑压时摩擦力对应力及变形分布的影响σ3σ1σ2σ3σyσ3σ2σ1ⅠⅡⅢⅢ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。图4-2Conform连续挤压原理图图4-3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）。图4-4接触面的放大模型图S—粘着部分b—边界摩擦部分L—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，这种敷膜可挤压轮堵头挤压模挤压制品挤压靴槽封块压轮坯杆被工具弄平的区域（接触比R）半微观润滑池粘性液体润滑工具T工件被粘着层刨着的面积粘着由于工具表面的不平而刨着的面积Vm边界润滑膜润滑剂bbb模具P润滑剂bb材料SLbL氧化膜b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。塑性加工时摩擦的性质是复杂的，目前尚未能彻底地揭露有关接触摩擦的规律。关于摩擦产生的原因，即摩擦机理，有以下几种说法：1．表面凸凹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。2．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，分子吸引力就越强，因此，滑动摩擦力也就越大。近代摩擦理论认为，摩擦力不仅来自接触表面凹凸部分互相咬合产生的阻力，而且还来自真实接触表面上原子、分子相互吸引作用产生的粘合力。对于流体摩擦来说，摩擦力则为润滑剂层之间的流动阻力。4.3.2塑性加工时接触表面摩擦力的计算根据以上观点，在计算金属塑性加工时的摩擦力时，分下列三种情况考虑。1．库仑摩擦条件这时不考虑接触面上的粘合现象（即全滑动），认为摩擦符合库仑定律。其内容如下：（1）摩擦力与作用于摩擦表面的垂直压力成正比例，与摩擦表面的大小无关；（2）摩擦力与滑动速度的大小无关；（3）静摩擦系数大于动摩擦系数。其数学表达式为：NF或N（4.1）式中F——摩擦力；——外摩擦系数；N——垂直于接触面正压力；N——接触面上的正应力；——接触面上的摩擦切应力。由于摩擦系数为常数（由实验确定），故又称常摩擦系数定律。对于像拉拔及其他润滑效果较好的加工过程，此定律较适用。2．最大摩擦条件当接触表面没有相对滑动，完全处于粘合状态时，单位摩擦力（）等于变形金属流动时的临界切应力k，即：=k（4.2）根据塑性条件，在轴对称情况下，k=0.5T，在平面变形条件下，k=0.577T。式中T为该变形温度或变形速度条件下材料的真实应力，在热变形时，常采用最大摩擦力条件。3．摩擦力不变条件认为接触面间的摩擦力，不随正压力大小而变。其单位摩擦力是常数，即常摩擦力定律，其表达式为：=m·k（4.3）式中，m为摩擦因子。（0~1.0）对照（4.2）式与（4.3）式，当m=1.0时，两个摩擦条件是一致的。对于面压较高的挤压、变形量大的镦粗、模锻以及润滑较困难的热轧等变形过程中，由于金属的剪切流动主要出现在次表层内，=s，故摩擦应力与相应条件下变形金属的性能有关。在实际金属塑性加工过程中，接触面上的摩擦规律，除与接触表面的状态（粗糙度、润滑剂）、材料的性质与变形条件等有关外，还与变形区几何因子密切相关。在某些条件下同一接触面上存在常摩擦系数区与常摩擦力区的混合摩擦状态。这时求解变形力、能有关方程的边界条件是十分重要的。§4.4摩擦系数及其影响因素摩擦系数随金属性质、工艺条件、表面状态、单位压力及所采用润滑剂的种类与性能等而不同。其主要影响因素有：4.4.1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0.60.50.40.30.20.100.40.60.81.01.21000℃1100℃1200℃900℃800℃700℃含碳量%C图4-5钢中碳含量对摩擦系数的影响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，既使同种材料，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（图4-5所示）。一般说，随着合金元素的增加，摩擦系数下降。粘附性较强的金属通常具有较大的摩擦系数，如铅、铝、锌等。材料的硬度、强度越高，摩擦系数就越小。因而凡是能提高材料硬度、强度的化学成分都可使摩擦系数减小。4.4.2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%。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。工具表面加工刀痕常导致摩擦系数的异向性。例如，垂直刀痕方向的摩擦系数有时要比沿刀痕方向高于20%。至于坯料表面的粗糙度对摩擦系数的影响，一般认为只有初次（第一道次）加工时才起明显作用，随着变形的进行，金属表面已成为工具表面的印痕，故以后的摩擦情况只与工具表面状态相关。4.4.3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