第7章金属塑性加工的摩擦与润滑

第7章金属塑性加工的摩擦与润滑

1概述2金属塑性加工时摩擦的特点及作用3塑性加工中摩擦的分类及机理4摩擦系数及其影响因素5测定摩擦系数的方法6塑性加工的工艺润滑§7.1概述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。§7.2金属塑性加工时摩擦的特点及作用塑性加工中摩擦的特点工具与工件接触面上的单位压力大热加工时约为50~500MPa；冷加工时可达50~2500MPa。加工时由于面压高，润滑剂带入变形区较难，易从变形区挤出，还会改变润滑剂的性能，从而使润滑困难。接触表面的更新和分区工件塑性流动新生表面依次袒露,旧接触表面上的氧化铁皮和污染膜不断破坏，工具磨损，摩擦对的表面状态时刻变化。力学条件不同，接触表面上分成摩擦状况不同的滑动区和粘着区。接触表面温度较高热加工钢时为800~1200℃；有的难熔金属的热加工温度高达1200~2000℃。冷拉拔与冷锻时一般可达200~300℃，可高达400℃。作为摩擦对的工具与工件性质差别大，工件比工具柔软得多。热加工时工件不仅可形成性质不同的氧化膜，而且工件的变形抗力明显降低、塑性显著提高；冷加工时工件硬化明显。外摩擦在压力加工中的作用

摩擦引起的不良后果：引起变形力和能耗增加一般摩擦可使变形抗力增加10％~30％。由于变形力增加，能耗增加、加工道次多、产量低、产品精度差。摩擦引起的变形不均匀以及由此带来的许多不良后果。引起工具磨损，缩短工具寿命，降低产品表面质量和尺寸精度，工具消耗也大。对于某些塑性加工情况，摩擦也起着有益作用：1.轧制时增加摩擦可改善轧辊咬入轧件的条件以增大每道压下量。2.用芯棒顶管时，增加芯棒面上的摩擦也是有利的，因为这能传递一部分拉拔力，使顶出的管子前端上的拉应力减小，从而可增大顶管面缩率而不破坏。深拉延杯形件时也有类似的情况，为避免工件壁上产生局部变薄，在冲头上应有较大的摩擦，而工件与模孔相接触的表面摩擦则要求小些。直角模挤压时增加工件与挤压缸和挤压垫间的摩擦可防止锭坯的不良表皮流入工件中，而使之集于死区以保证产品质量。§7.3塑性加工中摩擦外摩擦的分类

干摩擦流体摩擦边界摩擦

摩擦机理

分子吸附说表面凸凹学说塑性加工时接触表面摩擦力的计算

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：或式中F——摩擦力；

——外摩擦系数；

N——垂直于接触面正压力；

——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

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

式中，m为摩擦因子

主要的摩擦理论塑性加工中的摩擦一般都属于滑动摩擦.按工具与工件接触面上润滑剂隔离层的厚度和存在情况，可把此种滑动摩擦分为三种基本类型：干摩擦、液体摩擦和边界摩擦。干摩擦理论干摩擦是指工件与工具接触面间没有任何其它介质和薄膜，仅是其金属与金属之间的摩擦。然而在塑性加工中由于摩擦对之间常产生氧化膜或吸附一些气体和灰尘，严格说真正的干摩擦在实际生产中是不存在的。通常所说的干摩擦是指不外加润滑剂的摩擦状态。干摩擦的研究中出现了几种主要理论，诸如机械摩擦理论、粘着摩擦理论和分子－机械摩擦理论。此理论于1699年由法国工程师阿蒙顿提出的，1781年法国物理学家库伦进行了广泛实验，证明和充实了阿蒙顿的结论，也称为阿蒙顿－库伦定律，也是古典摩擦定律。此理论把摩擦的起因归咎于摩擦对相对滑动时，其阻力来自沿表面凸峰将物体抬起或者把凸峰破坏掉；表面越粗糙、外压力越大、表面凸凹穿插越深，摩擦力也就越大。此理论的缺点是未考虑当表面很光且挨近到两表面的分子所能发生的分子力作用，也没有考虑外压力增加时凸峰的变形。对于金属塑性加工过程，如果压力不太大且工具与工件接触面又不十分光洁可采用此理论。2)粘着摩擦理论此理论是英国鲍登（Bowden）F.P等提出的，他们认为，当两表面接触时，某些接触点的单位压力可能很大，导致塑性变形，使这些点牢固粘着（冷焊）而形成所谓的“焊接桥”。当两表面相对滑动时必剪断这种“焊接桥”。因此剪断这些“焊接桥”的剪切力是构成摩擦力的主要部分。此外硬表面的凸峰将对软表面产生犁沟。若忽略后者，则摩擦力表达式为液体摩擦理论工具与工件的接触面间被润滑油（油膜厚一般在1.5~2μm以上）完全隔开，两表面相对滑动阻力只与液体的性质（如粘度）和速度梯度有关，而与接触表面状态无关时，这种摩擦称为液体（或流体）摩擦。实质上液体摩擦是在液体润滑剂内产生的内摩擦，其摩擦阻力比其它类型摩擦小得多。根据液体润滑油膜压力形成的方式不同，可把液体润滑分为液体动压润滑和液体静压润滑（图7－1）。前者是由摩擦表面间形成收敛油楔和相对运动，靠粘性液体产生油膜压力以平衡外载；后者是由外部供油系统供给一定压力的润滑油，借助油的静压力以平衡外载。金属塑性加工中常遇到的是液体动压润滑（如轧制与拉拔的润滑）。下面主要讲述液体动压润滑理论。图7－1液体润滑状态a——液体动压润滑；b——液体静压润滑边界摩擦理论工具与工件的接触面间仅存在厚度小于1μm的润滑剂吸附层的润滑摩擦称为边界摩擦或吸附摩擦。由于吸附层内分子定向排列，所以润滑剂吸附层不具有液体的基本物理性质—理想流动性。吸附膜能承受较大的压力，并具有较低的层间剪切阻力，能降低摩擦，一般f=0.10~0.15。这种摩擦出现在高压、低速和润滑剂粘度小的情况。当润滑剂的极性分子和金属表面接触时，通过物理吸附或化学吸附可形成具有一定润滑能力的边界膜。所谓极性分子乃是分子中正、负电荷重心（正、负电荷的集中点）不重合，电荷分布不均，分子显示正负两极（偶极）者。永久偶极与诱导偶极互相吸引使极性分子的极性端与金属表面吸附，非极性端朝外定向地排列在金属表面上。极性分子在金属表面上的定向作用不但形成一层定向排列的分子，还因极性分子的相互吸引而形成多层定向排列，成为几个分子厚的边界润滑膜（图7－2）。除了上述的物理吸附外，在一定条件下还可以发生化学吸附。实验表明，只有当金属表面上有一层氧化膜与脂肪酸等起化学反应生成脂肪酸盐而牢固地附着在金属表面时，才能因这种化学吸附而起到较好的边界润滑作用。这样，为实现边界润滑，须在无极性的矿物油中加入适量的油性添加剂或采用动植物油作润滑剂。图7－2极性分子在金属表面上吸附层的结构边界吸附膜能减少摩擦的原因如下。极性分子的极性端与金属表面吸附牢固（图7－2中之a面），极性分子永久偶极之间相互吸引也较牢固（图7－2之c面），而分子中的非极性端结合不牢易成为摩擦时的“滑移面”，另外距金属表面越远的吸附层分子所受的吸引力越小，使距金属越远的“滑移面”越易滑移。这就减少了摩擦起到了润滑作用。当边界膜是化学反应膜时，由于摩擦主要发生在这个熔点高、剪切强度较低的反应膜内，可有效地防止金属表面直接接触，也使摩擦减小。液体摩擦时由于液体膜较厚，金属的表面形貌和性质对摩擦影响小，而在边界摩擦时边界膜厚度很小，故表面光洁度和性质将起很大的作用。若金属表面粗糙，在载荷的作用下将发生微凸体的接触，在接触点处压力很高，当两表面相互滑动时接触点处温度也较高，这将使此部分边界膜破裂，从而导致金属直接接触到出现粘着部分以增加摩擦。塑性加工时常出现混合摩擦，即在接触面不同部位分别发生干摩擦、液体摩擦和边界摩擦。§7.3减少摩擦的技术措施

1工具材料和表面状态在工具与工件表面间采用厚的润滑层可以减少摩擦，但过厚的润滑层会使制品表面不平滑、润滑剂费用高、过量的润滑剂充填模角部会使制品缺肉、操作场地也不卫生。可从工具材料和其表面状态来减少摩擦。对于使用条件苛刻的加工工具如拉丝模常使用硬的、与工件金属以粘着的硬质合金或金刚石；但要注意这种材料贵而脆，除特殊要求一般不使用。另外的改善方法是在一般工具材料表面上复以硬的并难以和工件金属粘着的物质如镀硬质铬、用钛或钒的碳化物做皮膜等，但应注意皮膜的弹性系数和热膨胀系数与基体工具材料不同，随加工力和温度上升会发生附加应力而导致皮膜的破裂和脱落。在塑性冷加工时为了使制品表面光洁美观，工具表面应进行精加工（表面不平度最大高度为0.1~0.5μm），而且在使用中时常要进行再研磨以去掉粘着层。坯料的形状和表面状态坯料的材质是由其制品设计确定的;加工时所能选择的是坯料的形状和表面状态;精加工前应进行合理的预成形，精加工道次工件的变形量适当减少;工具和工件间适当留有间隙以便多含润滑剂或在坯料的表面设计成凹面以便多贮润滑剂；坯料的表面经酸洗或喷丸使之有微细的凹坑以贮存润滑剂。但应指出这种放入润滑剂的方法会使制品表面粗糙。在拉拨和锻压中常常事先进行金属表面处理，使之形成有润滑“载体”作用的润滑涂层（皮膜），然后再配合使用适当的润滑剂。这不仅可保证加工过程顺利进行，而且可得到良好的制品表面质量。1）石灰涂层用于拉丝润滑的历史已很悠久。其涂敷工艺一般是将经除鳞清洗的钢丝于浸泡于80~90℃的石灰溶液（20％的生石灰和80％的热水）中，浸泡2~3分钟后取出，在200~250℃的循环热风中烘干5~15分钟即可。为了提高润滑效果在溶液中可加入适量的动植物油、肥皂、石蜡等以制成石灰皂。由于石灰涂层工艺操作简单、成本低、对酸洗后的钢丝表面的残酸起中和作用、拉拨后钢丝表面残层较薄且易去掉，所以在某些场合仍有一定的使用价值。然而这种涂层存在润滑效果差、与钢丝结合不牢的缺点，对于高速拉丝的润滑难以胜任。2）硼砂涂层在欧美各国广泛应用，认为是一种可以取代石灰涂层的良好润滑载体。这种涂层是指把酸洗后的钢丝浸入热硼砂溶液中靠物理吸附使其涂上一层带结晶水的硼砂。3）磷酸盐涂层50年代以后用于拉丝涂层。现已广泛应用于高、中碳钢丝和低合金钢丝的拉拨中。这种涂层是把表面清洁的钢丝或钢件放入一定成分和条件的磷酸盐溶液中浸泡一定时间，通过化学反应在钢件的表面上生成一层难溶的磷酸盐皮膜。高、中碳钢最易形成磷化膜，低碳钢次之；而含10％以上铬、含15％以上镍的高合金，则很难生成磷化膜。

4）草酸盐涂层含铬、镍较高的不锈钢和高合金钢可用草酸盐处理形成草酸盐皮膜。这种处理是化学处理过程，是表面洁净的钢件与草酸及草酸盐接触时其表面会略微受到腐蚀而生成草酸亚铁，由于后者的溶解度小会迅速沉积在钢件的表面上，而生成一层黄绿色至灰绿色的草酸盐皮膜。应指出，这种涂层热稳定性差，拉丝时冒烟，限制了拉丝速度和断面减缩率的提高。塑性加工的工艺润滑润滑的目的减少工模具磨损，延长工具使用寿命提高制品质量降低金属变形时的能耗

润滑剂的选择

1．塑性成形中对润滑剂的要求在选择及配制润滑剂时，必符合下列要求：（1）润滑剂应有良好的耐压性能，在高压作用下，润滑膜仍能吸附在接触表面上，保持良好的润滑状态；（2）润滑剂应有良好耐高温性能，在热加工时，润滑剂应不分解，不变质；（3）润滑剂有冷却模具的作用；（4）润滑剂不应对金属和模具有腐蚀作用；（5）润滑剂应对人体无毒，不污染环境；（6）润滑剂要求使用、清理方便、来源丰富、价格便宜等。润滑剂固体与熔体润滑剂在接触表面用液体不能形成很厚的润滑层以及加工温度较高时由于油的分解、蒸发、燃烧和失去粘度的情况下，使用固体和熔体润滑固体润滑剂.一般说来凡剪切强度比工件金属小的任何物质，原则上都可作为固体润滑剂。1）熔体润滑剂钢丝材料以及钨、钼、钽、铌、锆、钛等金属及合金，在热锻和热挤压过程常用玻璃作为润滑剂。对这种润滑剂的要求是①润滑性与铺展性要好；②剪切强度要低；③防止工件氧化与吸气，不与工件发生化学反应；④绝热性好；⑤在整个加工变形过程中应是熔融状态，并有适当的粘度；⑥加工后易从制品表面去除等。2）液体润滑剂液体润滑剂的优点是①价格便宜；②易涂布；③破裂的润滑膜易修复；④对工具有冷却作用；⑤制品表面光整等。根据要求润滑层的薄和厚分别用低粘度和高粘度的润滑油。概括起来，液体润滑剂可分为矿物润滑油、动植物润滑油和合成润滑油。矿物润滑油是由矿物原油提炼出来的，如锭子油、汽轮机油、机器油、汽缸油等这些油一般比较稳定、不易浸害工具和工件、价格便宜。但由于矿物油中的烃分子没有极性，其润滑性较动植物油差得多。所以，塑性加工中很少使用纯矿物油作润滑剂，一般是以它作为基油，再加一定数量的添加剂以提高其润滑能力和其它使用性能。动植物油也称脂肪或油脂，是由动物脂肪或植物种子提炼出来的，如菜籽油、蓖麻油、大豆油、棕榈油、鲸油等。油脂都是由高级脂肪酸和甘油形成的酯类化合物。由于脂肪酸分子具有极性，所以可在金属表面上形成整齐而牢固的边界层。实验表明，这类润滑油中，蓖麻油润滑效果最好，棕榈油次之，棉子油最差。动植物油是有效工艺润滑剂，但由于来源有限、成本高，故一般情况下不宜单独使用，常作为油性添加剂加入矿物油中。只在个别情况下（如冷轧镀锡板等）才不得不单独使用。合成脂肪酸和合成脂肪酸酯属于合成润滑油。目前各国都在大力研究这类油以代替天然植物油。合成脂肪酸是石蜡在催化剂（如高锰酸钾）的作用下通入热空气进行氧化制得的。这种合成脂肪酸虽具有很好的润滑作用，但它的腐蚀性较大，故不宜做为工艺润滑剂。因而主要采用合成脂肪酸酯。酯化时采用各种醇与不同馏分的合成脂肪酸可得到不同性能的工艺润滑剂。动植物油以及有添加剂的矿物油，虽有良好的润滑性，但它们的共同特点是冷却性能差。为了冷却、调节与控制加工工具的温度及形状尺寸，常使用水油均匀混合的乳化液。金属塑性加工工艺润滑用的乳化液，其乳化剂主要是油酸、硬脂酸等与碱金属组成的皂类如钠皂、胺皂。钠皂在热金属上有残灰，故常用胺皂代替钠皂。为改善润滑油的品质，常用如下的添加剂。（１）油性添加剂：它是由极性很强的分子组成以加强边界油膜，常用动植物油脂、硫化动植物油、脂肪酸及脂肪醇类等；（2）极压（高压、高速）添加剂：它主要是含硫、磷、氯等的有机极性化合物，在高温、高压下能分解出活性元素与金属表面起化学反应生成低熔点、高塑性、低剪切强度的金属化合物膜，常用的极压添加剂有硫化物或氯化动植物油，氯化石蜡，磷酸脂，硬脂酸铅等。此外还加入防锈剂、抗氧化剂、增粘剂、降凝剂、抗泡剂等。生产较厚的冷轧板带材的低速轧机，对工艺润滑要求低，可采用添加少量油性剂的矿物油；生产很薄冷轧带材的高速轧机，对工艺润滑要求高常用棕榈油或其它代用品；生产较薄冷轧带材的低速轧机，对工艺润滑的要求介于前两者之间可采用矿物油与脂肪油混合的润滑剂。热轧工艺润滑的特点是高温、高压，要求燃烧生成物无浓烟、无刺激味、无毒、废水易净化等。热轧油按基油不同分为矿物油为基的（加适量的油性添加剂和极压剂），以动植物油为基的和化学合成型为基的，其中以后者最有发展前途，因为合成途径广，资源丰富。铝、铜及其合金的热轧与冷轧过程中常使用组分大体相同的乳化液；即基油为机油或变压器油80％~85％；油酸10％~15％，三乙醇胺5％左右配成乳膏，再与90％~97％的水搅拌成乳化液供生产使用。拉拔细钢丝（φ1.5mm以下）和某些有色金属丝时采用湿式拉拔，我国湿拉钢丝时一般采用3％~5％肥皂（钠基工业皂或拉拔粉）水溶液作为冷却润滑剂，拉不锈钢或镍铬合金钢丝时常用氯化石蜡，后者虽有良好的润滑性能，但拉丝后钢丝表面的残油不易去除，可加入表面活化剂以改善清洗性。润滑效果与塑性加工操作条件有关。冷加工时提高速度容易促成动压流体润滑状态。滚模拉拔、回转锻造、旋压等加工过程，因工具与工件滑动速度小、接触面温度低而改善润滑。强迫润滑拉拔、静水压挤压都可形成较厚的润滑膜。工具的尖角处可使润滑膜破裂，故工具的棱角必须圆滑。拉拔或挤压模的入口导入角取小些有利于导入润滑剂；定径带尽可能很短，并有适当的出口锥，这可减少接触面以免发热粘结。金属塑性加工时力能参数（变形力和能耗）是评价润滑剂好坏的重要指标。显然，在其它条件相同时，力、能越小，润滑效果越好。摩擦系数f也是评价润滑剂好坏的指标之一。§7.4摩擦系数塑性加工工程法计算时常用阿蒙顿－库伦摩擦定律t=pf计算单位摩擦力；用能量法或上界法计算时常用t=mk（k——屈服切应力；m——摩擦因子）计算单位摩擦力。f也是评价润滑剂的指标之一。摩擦系数的测定方法图7－3强迫制动轧件图示图7－4圆环镦粗法测定摩擦系数的线图影响摩擦系数的主要因素1)工具表面状态和材质的影响热轧时随辊面粗糙度的增加，摩擦系数增大。冷轧时按格鲁捷夫的实验，用强迫制动法测得的摩擦系数fs如图7－5。由图7－5可知，随辊面粗糙度Rz的增加fs增加，其增加程度受压下率和润滑剂种类的影响。若工具是切削加工的，则顺切削方向的摩擦系数比垂直切削方向的小20％左右。热轧时轧辊表面状态是变化的，车削后开始阶段f较大，使用若干时间表面粗糙度降低f变小，以后由于形成龟裂f又增加到重车。淬火比未淬火的钢轧辊摩擦系数低20％；铸铁轧辊比钢轧辊摩擦系数平均低10％~20％，因为前者粘钢轻，磨损后钢轧辊更为粗糙。图7－5摩擦系数与轧辊表面粗糙度的关系1~3—蓖麻油润滑，压下率分别为10、25、40％；4——用乳化液润滑压下率为25％2）金属化学成分的影响实验表明，用光滑压头常温下压缩钢、铅和α－黄铜其摩擦系数分别为0.17、0.18和0.10。这可能和金属与工具的粘着性有关。轧制碳钢时随钢中含碳量的增加摩擦系数减少，在1100~1200℃区间其影响较小，而在700~900℃区间影响较大。普遍规律是在金属中所有能降低氧化铁皮熔点温度或促其软化的元素和杂质都可减小热加工时的摩擦系数。若氧化铁皮较脆，加工中破裂使纯净金属表面袒露，有利于金属粘结，而使摩擦系数增大。3）加工温度的影响盖特（用铸铁辊轧含碳量为0.5％~0.8％的钢件，按强迫制动法测出的fs与温度的关系如图7－6。由图7－6可知，在700℃左右fs有极大值。其他人轧制不同成分的碳钢时fs的极大值在800~1050℃。轧制铜时fs的极大值在700℃左右。然而，轧制铅试样时200℃以下fs一直保持不变，大于200℃以后随温度升高明显增加。显然，fs与温度的关系主要取决于金属表面上氧化皮的性能。格鲁捷夫冷轧08F钢，厚度为0.5~0.6mm，压下率为8％~12％时得出随温度升高fs增大。温度升高润滑层减薄是fs增加的直接原因。图7－6轧制碳钢时摩擦系数与温度的关系4）加工速度的影响1924年W.塔费尔（Tafel）用最大咬入角法研究了摩擦系数（fb）与轧制速度的关系（图7－7）。由图7－7可知，热轧时随轧制速度增加fb减小。这可能是轧制速度增加，使轧件和轧辊的接触时间减少导致彼此机械啮合作用减弱之故。M.D.斯通（Stone）对采用工艺润滑情况，在连轧机上轧制薄带钢时先测出轧制力，然后用本人导出的轧制压力公式反算出fs与轧制速度的关系如图7－8。由图7－8可知，轧制速度提高fs减小，主要原因是随速度提高被带入变形区的润滑油量增多，油膜厚度增大。在高速区fs变化不大，甚至略增，原因可能是温度效应明显，油的粘度降低，使带入油的条件恶化等。对其它塑性加工过程也得到随加工速度增加摩擦系数降低的结论。如锻锤比压力机镦粗摩擦系数小20~25％；采用矿物油润滑锻镍铬不锈钢时高速锻和低速锻摩擦系数分别为0.05和0.18。图7－7摩擦系数（摩擦角）与轧辊周速的关系1-轧辊带刻痕（轧制温度1250℃）；2-轧辊不刻痕（轧制温度为1200℃）图7－8摩擦系数与轧制速度的关系曲线1，2—分别用矿物油乳化液和棕榈油乳化液润滑5）压下率的影响热轧时实验表明，随压下率增加摩擦系数增大，可能是新生接触面增大所致。也有人轧铅件指出压下率对摩擦系数几乎