（材料加工工程专业论文）板料成形中新型润滑技术研究.pdf

上海交通火学硕士学位论文 摘要 板料能否被冲制成质量合格的工件取决于材料参数、模具参数、工艺参数如摩擦润滑条 件等。而改善摩擦润滑条件对提高板科成形质量和成形极限是一种非常经济有效的方法。但 目前工厂中大量使用的液体润滑剂润滑效果难以令人满意，固体润滑效果虽好但由于自身的 缺点难以应用于大规模生产。基于以上原因，本论文对板料成形的润滑方法进行了探索。 在对液体润滑和固体润滑的机理和润滑剂成分及其功能进行了分析后，并在对微、纳米 科技的发展作了仔细研究之后，本文提出利用微米添加剂的隔离作用和纳米添加剂的极压润 滑作用作为薪型润滑技术的研究方向。并提出了研究板料润滑的两种方法，即采用用板料成 形性能智能测试系统对拉深成形的摩擦系数、最大拉深力、最大拉深直径进行物理模拟测试 和用扫描电镜对润滑效果进行微观分析相结合的方法。 用物理模拟测试实验分别研究了微米添加剂、纳米添加剂对板料成形润滑性能的影响， 证明了微米添加剂和纳米添加剂均有提高板料成形性能的作用，得出微、纳米添加剂的粒度 对润滑性能的影响曲线，和在不同粒度添加剂作用下基础油粘度对润滑效果的影响规律。在 此基础上，实验研究了微、纳米复合润滑的方法。结论有：( 1 ) 对于微米添加剂，大粒度的 微米添加剂性能优于小粒度的微米添加剂：在微米添加剂起隔离作用的润滑状态下，基础油 的粘度仍是一个很重要的因素，但随着微米添加剂粒度的减小，粘度的影响也在减小。( 2 ) 纳米添加剂主要起极压润滑作用此时，基础油的粘度将不再发挥作用。各种纳米粒子的极 压润滑作用是不同的，纳米m g o 的效果比s i 0 2 效果更好。( 3 ) 微米和纳米添加剂的复合使 用，可以使二者的优秀性能相互补充，更好的提高板料成形润滑作用。 本文采用扫描电镜对使用各种润滑方法拉深成形后的得到的零件凸缘表面进行了微观 分析，从表面出现的粘着、裂纹、犁沟等微观缺陷角度对各种润滑方法进行了对比分析，证 明了微、纳米复合润滑具有良好的润滑效果。 目前对汽车等覆盖件等复杂零件的成形工艺研究己逐步采用数值模拟手段，但效果还不 令人满意，原因之一就是摩擦模型的确定是一个难点，国内对拉深过程的摩擦机理研究较少， 难以提供符合实际工况的摩擦系数，本文最后对各种润滑方法下拉深过程的摩擦规律展开了 研究。用回归分析的方法得出了各种润滑方法下的摩擦系数曲线。并将其与拉深性能的相关 性与拉深过程的平均摩擦系数、拉深力等作了比较，得出了较为一致的结论a 关键词：板料成形摩擦润滑微米添加剂纳米添加剂复合润滑扫描电镜 回归分析摩擦曲线 上海交通人学硕e 学位论文 a b s t r a c t w h e t h e rs h e e tm e t a lp a r t sc a l lb es t a m p e do u to rn o td e p e n d so nm a t e r i a lp a r a m e t e r s ，d i ea n d m o l dp a r a m e t e r sa n dp r o c e s sp a r a m e t e r ss u c h 笛t h ec o n d i t i o n so ff r i c t i o na n dl u b r i c a t i o n i m p r o v i n gt h ec o n d i t i o no fl u b r i c a t i o ni sav e r ye c o n o m ya n de f f i c i e n tw a yt oe n h a n c et h e f o r m a b i l i t yo fs h e e t m e t a l b u ta tt h ep r e s e n tt i m e m o s to f t h ef l u i dl u b r i c a n t su s e di nt h ef a c t o r i e s c a n tr e s u l ti ns a r i s f y i n gl u b r i c a t i o np r o p e r t i e s ，a tt h es a m et i m e ，t h es o l i dl u b r i c a n t sc a nr e s u l ta r e l a t i v e l yg o o dl u b r i c a t i o np r o p e r t i e sb u tc a n tb ew i d e l yu s e di nm a s sp r o d u c t i o nb e c a u s eo fi t s i n h e r e n tw e a k n e s s b a s e do nt h e s ef a c t s t h i sp a p e rw i l ld 0s o m ee x p l o r a t i o no nt h en e w l u b f i c a t i o nt e c h n o l o g yi ns h e e tm e t a lf o r m i n g a f t e ra n a l y z i n gt h em e c h a n i s mo ft h ef l u i dl u b r i c a t i o na n ds o l i dl u b r i c a t i o na n dh o wt h e i r e l e m e n t sf u n c t i o nd u r i n gt h ep r o c e s so fl u b r i c a t i o n ，a n ds t u d y i n gd e e p l yt ot h ed e v e l o p m e n to ft h e m i c r o na n dn a r l ot e c h n o l o g y , t h i sp a p e rg i v e st w od i r e c t i o n so ft h er e s e a r c ho nt h el l e wt e c h n o l o g y o fl u b r i c a t i o n ，t h a ti s ，t h es e p a r a t i o ne f f e c to ft h em i c r o na d d i t i v e sa n dt h ee x t r e m ep r e s s u r ee f f e c t o fh a l l oa d d i t i v e s a f t e rt h a t , t h i sp a p e rg i v e st h et w or e s e a r c hm e t h o d st h a tw i l lb ea d o p t e dt o r e s e a r c hl u b r i c a t i o ni ns h e e tm e t a lf o r m i n g ，t h a ti st od op h y s i c a ls i m u l a t i n ga n dt e s t i n go ft h e f r i c t i o nc o e f f i c i e n t , e x t r e m ed r a w i n gf o r c ea n dt h ee x t r e m ed r a w i n gd i a m e t e ro f t h es h e e tm e t a lb y u t i l i z i n gt h ei n t e l l i g e n tp r e d i c t i o ns y s t e mo fs h e e tm e t a ld r a w i n gc a p a c i t y , t od om i c r o s c o p i c a l a n a l y s i so nl u b r i c a t i o ne f f e c tb yu t i l i z i n gs c a n n i n ge l e c t r o n i cm i c r o s c o p e ( s e m ) f i r s t l y , t h i sp a p e rs t u d i e st h ee f f e c to fm i c r o na d d i t i v e sa n dn a n oa d d i t i v e st ot h ei u b r i c a t i o n i ns h e e tm e t a lf o r m i n gr e s p e c t i v e l yb yt h em e a n so fp h y s i c a ls i m u l a t i o na n dt e s te x p e r i m e n t t h e r e s u l t sp r o v et h a tb e t hm i c r o na n dn a n oa d d i t i v e sc a ni m p r o v et h ef o r m a b i l i t yo ft h es h e e tm e t a l a n df r o mt h er e s u l t sw ec a ng e tt h ee f f e c tc u w eo ft h ep a r t i c l es i z eo ft h em i c r o na n dn a n o a d d i t i v e st ot h el u b d c a t i o np r o p e r t y , a n ds e et h ei n f l u e n c er u l eo ft h ev i s c o s i t yo ft h eb a s eo i lt o t h el u b r i c a t i n ge f f e c t sw h e nu s i n gd i f f e r e n tp a r t i c l es i z eo ft h ea d d i t i v e s b a s e do nt h e s e r e s e a r c h e s t h i sp a p e rs t u d i e st h em e t h o do fa p p l y i n gm i c r o n & n a n oc o m p o u n dl u b r i c a t i o n i nt h i s s e c t o r , t h i sp a p e rg e tt h er e s u l t sa sf o l l o w s ：( 1 ) a sf 打a sm i c r o n s c a l ea d d i t i v e sa r ec o n c e r n e d ，t h e b i g g e rs i z e dm i c r o na d d i t i v eh a sb e t t e rl u b r i c a t i n ge f f e c t st ot h es h e e tm e t a lf o r m i n gt h a nt h e s m a l l e ro n e ；w h e nm i c r o ns c a l ea d d i t i v ew o r k s 嬲s e p a r a t i n gm e d i a t h ev i s c o s i t yo ft h eb a s eo i li s av e r yi m p o r t a n tf a c t o rt ot h el u b r i c a t i n ge f f e c t s ，b u t 笛t h ep a r t i c l es i z ed e c r e a s e s ，t h ei n f l u e n c eo f t h ev i s c o s i t yo ft h eb a s eo i ld e c r e a s et o o ( 2 ) n a n o - s c a l ea d d i t i v ew o r k sa se x t r e m ep r e s s u r e a d d i t i v e ，a n di nt h i ss i t u a t i o n ，t h ev i s c o s i t yo ft h eb a s eo i lh a sl i t t l ei n f l u e n c et ot h el u b r i c a t i n g e f f e c t d i f f e r e n tn a n o s c a l ep a r t i c l eh a v ed i f f e r e n tl u b r i c a t i n ge f f e c t , i nt h i ss t u d y , w ef i n dt h a t n a n om g o p a r t i c l ec a nc a u s eb e t t e rl u b r i c a t i n ge f f e c tt h a nt h en a n os i 0 2d o e s ( 3 ) t h ec o m p o u n d u s eo fn a n oa n dm i c r o na d d i t i v e sc a r lm a k eu pe a c ho t h e ra n dr e s u l ti nb e t t e rf o r m a b i l i t yt h a nt h e y d oe a c hr e s p e c t i v e l y a f t e rt h ep h y s i c a ls i m u l a t i o ns t u d y , t h i sp a p e rm a k e sm i c r o s c o p i c a la n a l y s i st ot h es u r f a c eo f t h ef l a n g eo ft h ep a r t st h a ta r cf o r m e db yu s i n gd i f f e r e n tl u b r i c a t i o nm e t h o d s b yc o n t r a s t i n gt h e m i c r o d e f e c ts u c h 蠲a d h e s i o n ，p l o u g h i n ga n dc r a c ko ft h es u r f a c e ，t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ee f f e c to f t h ed i f f e r e n tl u b r i c a t i n gm e t h o d sa n dp r o v e st h a tn a n oa n dm i c r o nc o m p o u n dl u b r i c a t i o nh a sa b e t t e rl u b r i c a t i n ge f f e c tt h a nt h e yd or e s p e c t i v e l y n o wp e o p l e 玳i n t e n dt os t u d yt h ef o r m i n gt e c h n o l o g yo ft h ec o m p l i c a t e dp a r t ss u c h 舔 a u t o p a n e lb ym e a n so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，b u tg e n e r a l l ys p e a k i n g ，t h er e s u l t i s n ts a t i s f y i n g 上海交通大学硕二 ：学位论文 0 n eo ft h er e a s o n si st h a tt h em o d ec o n s t r u c t i o no ff r i c t i o na n di u b r i c a t i o ni sv e r yd i 币c u l ta n d t h e r ei sl i r f l er e s e a r c ho i lt h ef r i c t i o na n di u b r i c a t i o nm e c h a n i s mi nc h i n aa n ds oi ti sd i f f i c u l tt o g e tt h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n tc o r r e s p o n d i n gt ot h er e a lw o r kc o n d i t i o n i nt h ee n d t h i sp a p e rt a k ea r e s e a r c ho nt h ef r i c t i o nr u l e so fd i f f e r e n tl u b r i c a t i o nm e t h o d s b ya p p l y i n gt h er e g r e s s i o na n a l y s i s m e t h o d ，t h i sp a p e rg e tt h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t so fd i f f e r e n tl u b r i c a t i o nm e t h o di nt h ec o u r s eo ft h e d e e pd r a w i n g ，a n dt a k et h e mt od oac o n t r a s t i n ga n a l y s i sw i t ht h em e a nf r i c t i o nc o e f f i c i e n t ，t h e e x t r e m ed r a w i n gf o r c ei nt h ed e e pd r a w i n ga n df i n do nt h ew h o l e ，t h e yh a v et h es a m ef u n c t i o n w h e na n a l y z i n gt h ee f f e c to fl u b r i c a n t st ot h ef o r m a b i l i t yo fs h e e tm e t a l k e yw o r d s ：s h e e tm e t a lf o r m i n g ；f r i c t i o n ；l u b r i c a t i o n ；m i c r o n - s c a l ea d d i t i v e ；n a n o s c a l ea d d i t i v e ； c o m p o u n dl u b r i c a t i o n ；s e m ；r e g r e s s i o na n a l y s i s ；f r i c t i o nc o e f f i c i e n tc u r v e i i i 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 募陋。见 日期：k 3 年t 月7 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 ，i 一一 保密蟛在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：差隹蛰r a , 指导教师签名： 日期：2 帅弓年1 月归 日期：v 哆年 心钍一 | 其伊v 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1课题研究背景 板料成形是材料加工的基本方法之一，用以生产各种板料零件，具有生产率高、尺寸精 度好、重量轻、成本低和易于实现机械化与自动化等特点，在现代汽车、航空、航天、仪表、 船舶及家用电器等国民经济的各部门占据十分重要的地位。据统计，板料经过成形后创造了 相当于原材料价格1 2 倍的附加价值【，在整个国民生产总值中，与板料成形有关的产品约 占总值的四分之一。因此，开展对金属板料成形的理论和实践研究具有重大的意义【2 。】。 能否将钢材冲制成质量完好的冲压件取决于几个方面的因素，包括材料参数、模具参数、 工艺参数如压边力、滑快速度、摩擦润滑条件等。模具参数往往是由工件形状等条件决定的， 且在加工完成后就难以改变调整。国内一些汽车和钢铁厂家为了提高产品的质量和降低产品 的废品率，往往只采用提高钢板等级的方法。但事实上，盲目追求钢板性能的高指标，并不 一定能全面提高产品的质量和降低产品的废品率，相反会使生产成本上升，这就严重影响到 厂家在国际市场上的竞争力。因此，研究板料成形过程的摩擦磨损，研究针对板料成形的润 滑方法，就具有很大的实际意义。事实上，研究板料成形的摩擦与润滑，获得一个好的润滑 方式，往往可以获得以下效果：1 降低板材与模具的磨损，可以提高工件表面质量，延长模 具寿命。2 在汽车覆盖件等大型板料的成形中，由于成形性能限制，往往采用多道次拉深， 如果能够提高润滑性能，提高板料拉延比，可以降低板料成形次数，这样既可以减少巨额的 模具成本，也可以减少材料和加工费用，具有极大的经济价值。 上海交通大学塑性成形工程系( 国家模具c a d 工程研究中心) ，在金属板料成形方面 作了大量的研究工作，对模具参数、工艺参数、材料参数等对板料成形性能的影响规律的研 究方面都取得了相当不错的成绩，并自行建立了一套先进的板料拉深智能测试系统，可以对 影响板料成形工艺的各种参数进行针对性的物理模拟和数值模拟。 在多年研究中，我们同很多板料成形润滑油的研制、生产和使用单位合作，对大量拉深 润滑油进行了物理模拟试验，发现在用不同直径的0 7 姗厚的s t l 4 钢板h 1 毛坯进行圆筒形 件拉深时，当凹模直径为由4 0 、单边间隙z 为1 3 t ，其他模具参数、工艺参数一定时，对绝 大多数润滑剂，零件均在毛坯直径达到由9 0 ，即拉深比为2 3 6 之前拉裂。这似乎已是常规润 滑油的极限。 生产实际中遇到的一些实际情况： 我们曾对上海某汽车零件厂进行调研。由于零件形状复杂，模具设计考虑不完美，该厂 用于拉深某一零件的模具在制成之后，如只用液体润滑剂拉深工件，则肯定拉破，在这种情 况下，该厂采用在毛坯表面覆盖塑料薄膜，再在塑料膜上涂油的复合润滑方式，零件才得以 上海交通大学硕士学位论文 第章绪论 成形成功。经测试，采用这种复合润滑方式时的极限拉延比比常规润滑提高5 以上。但这 种润滑方式较为烦琐，经济性不高，也无法应用于连续生产。然而，这却给我们带来一个思 路，能否研制一种新型润滑方法，使其具有多种润滑模式的优点。 现在，汽车行业对零件的表面质量要求越来越高，镀锌板将全部取代普通钢板用于覆盖 件中，这样，对摩擦润滑条件的要求就更加苛刻。 以上现状，要求我们更加深入的研究拉深件的摩擦润滑机理，并探寻理想的润滑方法和 润滑剂。 1 2 摩擦学的历史与发展趋势瞪1 摩擦学( t r i b o l o g y ) 一词是2 0 世纪6 0 年代中期由英国教育科学研究部发表的关于摩 擦学教育和研究报告( 常称为j o s t 报告) 中首先提出来的，其简要的定义是“关于摩擦过 程的科学”。此后，摩擦学作为- - n 独立的边缘学科才被人们接受。然而，有关摩擦学现象 的科学研究可以追溯到1 5 世纪l e o n a r d od av i n e e ( 1 4 5 2 年一1 5 1 9 年) 对于固体表面摩擦提出 的科学论断。 回顾摩擦学研究的发展，经历了几个不同的历史发展阶段和研究模式。早期的摩擦学研 究当以1 8 世纪a m o n t o n s 和c o u l o m b 等对滑动摩擦的研究为代表。他们在大量实验的基础 上归纳出摩擦力变化规律，据此建立了经典的摩擦公式。这一时期的特点是以实验为基础的 经验研究阶段。 1 9 世纪末，r e n o l d s 根据粘性流体力学揭示出滑动轴承中润滑膜的承载机理，提出描述 流体润滑膜力学特性的方程即r e n o l d s 方程，奠定了流体润滑的理论基础，从此开辟了基于 连续介质力学的研究模式。到了2 0 世纪2 0 年代以后，摩擦学的研究领域得到进一步扩展。 其间，h a r d y 揭示出依靠润滑油中的极性分子与金属表面之间的物理化学作用而形成吸附膜 的边界润滑状态。t o m l i n s o n 从分子运动角度分析了固体表面在滑动中的能量转换和摩擦起 因。特别是b o w d o n 和t a b o r 建立了以粘着效应为基础的摩擦磨损理论等等。这些研究工作 不仅扩展了摩擦学的研究范围，而且促使摩擦学发展成为涉及到力学、热物理、材料科学、 物理与化学等的边缘学科，从而开创了多学科综合研究的模式。 2 0 世纪8 0 年代末期在国际上兴起的纳米摩擦学研究，在一定意义上说是本学科发展的 必然趋势。摩擦学就其性质来说属于表面科学范畴，其研究对象是发生在摩擦表面和界面的 微观的动态行为与变化，而摩擦过程中材料表面所表现的宏观特性与其原子、分子结构密切 相关。纳米摩擦学研究提供了一种新的思维方法和研究模式，即从原子、分子角度揭示摩擦 磨损与润滑机理，建立材料微观结构与宏观特性之间的构性关系和定量准则，因此更加符合 摩擦学的研究规律。可以说，纳米摩擦学的出现标志着摩擦学的发展进入了一个新阶段。 美国著名摩擦学学者w i n e r 6 j 教授于1 9 8 9 年在欧洲摩擦学国际会议( e u r o t r i 8 9 ) 上所 作题为“摩擦学未来趋势”特邀报告中指出：摩擦学未来大有前途的发展是被称为微观的或 2 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论 原子尺度的摩擦学。在基于原子尺度上对于摩擦学系统中表面作用的新的思维方式。这种新 的表面观察技术和新的思维方式十分可能导致摩擦学的重大突破。英国机械工程师学会主席 d o w s o n 7 】教授在1 9 9 2 年第1 9 届l e e d s - l y o n 摩擦学国际研讨会主题报告中，总结8 0 年代以 来摩擦学发展的重大进展，即表面强化技术大幅度地提高了表面硬度；边界润滑理论研究得 到了深入发展，弹流润滑理论与实验研究促使润滑膜厚度由微米扩展到纳米量级；应用分子 动力学模拟分析固体与固体、润滑剂与固体之间的接触状况取得进展等等。基于上述研究进 展，人们已经确认亚微米薄膜具有良好的润滑作用，以及微米、亚微米表面涂层的高耐磨性 能。据此，他提出现代摩擦学研究趋势集中在表面间的相互作用，也就是以亚微米润滑膜和 微米表面涂层为对象的薄膜摩擦学( t h i nf i l mt r i b o l o g y ) 研究。 1 3国内外对板料成形中摩擦与润滑研究研究及应用现 状 摩擦与润滑理论发展到今天，目前关于机械传动中的摩擦、磨损与润滑方面已形成一些 比较公认的理论，如流体润滑理论、弹性流体动力润滑理论、边界润滑理论等等，但对塑性 加工中的摩擦与润滑的认识与研究要晚得多，而且由于问题更为复杂，理论上有所突破形成 一套比较成熟的塑性变形理论尚有困难。常用的方法，仍然是引用关于机械运动中的摩擦与 润滑的理论及研究方法，来深入探讨金属塑性加工中摩擦与润滑问题。金属压力加工是通过 工具把外力施加到变形金属上，利用其可塑性，使其尺寸形状改变。工具与变形金属表面构 成摩擦偶，它们之间或是由于机械的相对运动、或是由于变形金属的塑性流动，或是由于两 者同时作用而存在着相对的滑动。不可避免地存在着摩擦、磨损、以及润滑问题。然而，压 力加工中的摩擦和一般机械中的摩擦相比，其最大差异是，在产生摩擦的过程中，作为摩擦 偶之一的变形金属，在强大外力作用下连续地发生塑性变形，有“塑性摩擦”之称。其次， 摩擦条件更加恶劣，如高压、高温、甚至高速等，都使金属压力加工中的摩擦和润滑研究有 其特殊性。而且，近些年来，随着计算机数字模拟技术发展，许多国际著名的企业和组织m 1 训， 如美国的b o e i n g 、g m 、f o r d 、c h r y s l e r 、德国的大众、奔驰、日本理化所、大版大学、丰 田、三菱、日产、新日铁、日新制钢以及欧共体支持的b r i t e - - e u r a m 研究小组等都在板料 冲压成形有限元数字模拟中投入了大量的人力和物力，进行了多年的研究和开发，已形成了 一些通用或专用的软件，并相继进入了商品化和使用化的阶段，如p a m - - s t a m p 、m a r c 、 a b a q u s 、d y n a - 3 d 、o p t r i s 、f a s t f o r m 、d e f o r m 一3 d 等。但是，至今对塑性成形过程中的摩 擦和润滑的机理还认识不足，一般还要假设接触面的摩擦遵从库仑定理，认为摩擦力的大小 只与接触面上的法向载荷成正比，摩擦力的大小与接触面积无关，摩擦力的大小与接触面的 相对滑动速度无关。这种过于简单的假定，并不真实地反映了塑性成形中的摩擦边界条件， 是板料有限元模拟分析的结果与实际相差较大的原因之一。拉深成形是板料加工基本成形工 3 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 序中晟复杂的成形过程之一，至今人们对拉深过程中的摩擦及润滑现象的认识还十分有限。 拉深时，毛坯突缘与凹模边缘之间、毛坯突缘与压边圈之间、毛坯与凹模园角之间、毛坯与 凸模凹模的侧壁，凸模圆角与板料之间都发生摩擦作用，润滑剂的工作条件相当复杂。 研究拉深成形过程中的摩擦和润滑规律，开展“塑性摩擦学”的研究，不仅对金属塑性 变形过程中的应力一应变分析及不均匀变形等压力加工理论的发展，而且能合理地选择润滑 剂，优化冲压工艺参数，合理选择模具结构参数，降低拉深力，提高极限拉深比，减少成形 模具的磨损、延长模具寿命，保证金属制品的表面与内部质量，以及反映到最终的经济效益 都有非常重大大影响。同时，为有限元模拟板料成形过程提供正确的边界条件。总之，研究 拉深过程中的摩擦与润滑的规律，开展“塑性摩擦学”的研究无疑具有十分重要的意义。 塑性摩擦及润滑规律的研究在国内只是近几年的事，在国外研究的时间也不长。拉深过 程中的摩擦机理的解释，如同其他塑性成形过程一样，还没有一种为行业所普遍接受的观点。 对拉深成形时的润滑机理的研究，仍然借用了传统的有关弹性体的润滑理论来解析，很难得 出令人信服的结论。至今，国内外的学者们仍以摩擦学中的基本理论来解析拉深成形中的摩 擦，这些基本理论包括：机械( 几何) 摩擦理论、分子吸附理论、粘着摩擦理论、分子一机 械摩擦理论等。 一般认为意大利学者l e o n a r d ad ov i n c i ( 1 4 5 2 1 5 1 9 ) 是第一个提出摩擦基本概念，他的 著名摩擦力与正压力成正比的假说，启发了法国工程师a m o n t o n s ( 1 6 6 3 1 7 0 5 ) 进行试验，发 现摩擦力与滑动接触面积无关。c o u l o m h ( 1 7 3 6 1 s 0 6 ) 进行了仔细的试验，并发展了 a m o n t o n s 的工作。瑞士物理学家e u l e r ( 1 7 0 7 ) 提出了由于接触表面成锯齿状而产生摩擦的假 说。由这些初期研究得出了经典摩擦理论定律： ( 1 ) 摩擦力与载荷成正比：f _ i tn( 卜1 ) ( 2 ) 摩擦系数与表面接触面积无关： ( 3 )摩擦系数与滑动速度无关： ( 4 )静摩擦系数大于动摩擦系数。 这些经典的定律在很多情况下是不正确的，如( 1 ) 中的摩擦系数已被证明不应被看作 是材料的一种固有属性，更不应把它看作是定值；( 2 ) 对金属尚能成立，不适用于弹性及粘 弹性材料；( 3 ) 已被证明对任何材料都不适用；( 4 ) 已被证明对任何粘弹性材料都不适用， 粘弹性材料究竟是否具有静摩擦系数目前仍在争论之中。由此，经典摩擦理论并不能解释拉 深成形中的摩擦现象。 随着人们对摩擦过程研究的深入，逐渐注意到界面上分子间的作用力对构成摩擦力的重 要作用。十七世纪，英国物理学家得萨古利厄斯( j t d e s a g u l i e r s ) 在实践中发现。当用两 个铅球，并把每个铅球切掉一部分，用力把两部分切面相互压紧，同时稍作扭转，则两个铅 球便粘合在一起，要用很大的力才能把它分开。根据这一现象，它认为固体间产生摩擦的真 正原因，是在于摩擦表面的分子吸引力作用，即第一次提出了产生摩擦力主要原因是两物体 4 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 的摩擦面间存在着分子力，以后陆续有j a e n i n g 、w b h a r d y 、g a t o m l i n s o n 和原苏联科 学家捷尔亚金等人运用和发展了摩擦分子理论，并用数学公式加以表示，认为当接触面光滑 到一定程度时，接触面越光滑，摩擦力就越大，这就是后来称为微观的“分子吸附学说”。 但是正如1 9 3 4 年英国b e a r e 和b o w d e n 所证实的：“摩擦的大小并不是金属表面第一层分子 的效应，而是一个非常复杂的不能用一个简单的数学公式处理的物理过程。” 英国v s a m u e l ( 1 7 4 7 一1 8 2 1 ) 和l e s l i e ( 1 7 6 6 1 8 3 2 ) 最先提出接触面的粘着对摩擦的影响， 1 9 3 8 年h a r d y 的学生e p b o w d e n 与另一位研究者d t a b o r 对固体摩擦进行深入研究，提出 了著名的摩擦粘着理论，观点如下：接触面上某点由于高压产生塑性变形而粘着( 俗称冷焊) ， 其剪断力就是摩擦力。如果两接触面软硬不一，则硬表面的凸体顶端将在较软的表面上刻槽 产生犁沟，这种犁沟力也是摩擦力。 1 9 3 4 1 9 3 5 年，出现了一批讨论粘着摩擦理论的研究论文，发展了b o w d e n 的简单粘 着摩擦理论。主要观点如下：空气中金属表面有自然污染膜，他的摩擦现象要用有自然污染 膜时金属表面的粘着理论解释；此外，接触面滑动时，实际接触面积的增大是由于法向载荷 和切向载荷联合作用的效果，切应力对接触面积也有影响，通过数学推导，可以得出粘着摩 擦理论的数学表达式n 2 j 朋： 2 2 掣= 南 n z ， 其中：f ，为污染膜剪切强度，盯。为法向载荷产生的压应力，c 为小于l 的常数， 口为切应力对真实接触面的影响系数，a ，为真实接触面积。 原苏联克拉戈里斯基从1 9 3 9 年开始对固体摩擦进行研究，于1 9 4 9 年明确提出了分子一 机械摩擦理论。该理论认为，摩擦是一个混合过程，它既要克服分子间相互作用力，又要克 服机械变形阻力，发生在接触部分总的阻力即为摩擦力。 粘着理论和分子一机械理论并称为现代摩擦理论，对于金属与金属之间许多摩擦现象， 两种理论都比较好的给予了解释，与实践结果相比差距不大。 但是，以上各种干摩擦理论并不能圆满地解释塑性加工过程中的复杂摩擦及润滑现象。 近几年来国内外许多塑性成形专家和学者以干摩擦理论为基础，结合弹性体润滑理论包括流 体润滑理论、弹性流体静力润滑理论、弹性流体动力润滑理论以及边界润滑理论和薄膜润滑 理论，来研究塑性加工中的摩擦及润滑规律。从以下列举的几种典型成形工艺摩擦与润滑的 研究方法的某些侧面，概括的了解整个塑性成形摩擦与润滑研究的发展概况。 锻造、挤压方面：各国学者大多采用弹性流体动力润滑理论对锻挤过程的摩擦与润滑的 机理进行解析。提出了各种摩擦系数的数学表达式以及有关润滑薄膜厚度强度等的数学模 型。工业发达国家率先开发了各种润滑剂产品系列，如原西德a c h s o n 公司的d e l t a 润滑剂， 广泛用于轿车连杆及曲轴热精锻生产线；英国、美国和日本等试验证明了有机高聚物的润滑 效果和磷皂化效果相同，我国最近完成的攻关成果m j - 8 8 4 冷挤压新型润滑剂，成功地取代 5 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论 磷皂化工艺，满足了黑色金属冷成形的工业生产对润滑的苛刻要求。 板料成形方面：在冷冲压工艺中，拉深占据着很重要的地位，特别是汽车覆盖件的冲压 成形在汽车生产中有着举足轻重的地位。美国a k h o s h 用半球形凸模拉深钢板来研究摩擦 状态变化规律，日本学者吉井康一等研究不同润滑剂对成形极限的影响，芬兰的 j o k u m p u l a i n e n 等研究温度对拉深摩擦的影响，日本铃木敏雄等研究了拉深速度与深度对 摩擦的影响。我国山东工业大学赵振铎n 钆蜡1 等人对不锈钢板拉深工艺中的润滑和摩擦做了 试验研究。世界工业发达国家开发了系列冲压润滑剂，如原西德的z e l r e ng m e l i n 公司的 m u l t i d r a w , m e t a i l g e s e l ls c h a f ta g 公司的b o n d e r l u b e ，f u c h s 公司的r a t a k ，美国的c i n c i n n a t i m i l a c r o n 的n e o v a lo i lr u b i ng 8 等。我国攻关成果之一的b c 一1 就是不锈钢冲压拉深水基 润滑剂，已广泛用于生产，收到了良好的经济和社会效益；又如上海商品石油应用研究所开 展了轿车用拉延油的研制工作，研制成功了国产轿车车身用拉延油，经实际应用证明，其各 项性能已达到德国万能拉延油的水平，已在上海大众汽车有限公司正式投入使用。 关于塑性成形加工润滑和摩擦机理研究和测试技术，美、英、日、原苏联、原西德都做 过许多工作引。如，原西德的斯图加特大学压力成形工艺研究所对冷成形加工润滑材料的检 验法进行了切实的研究和应用，对于拉延大型不规则板料件所用润滑材料性能评定进行了详 细的研究，对冷和温成形加工模具磨损的放射同位素测量进行了研究等：德国d a r m s t a d t 工 程大学的生产工艺和成形机械研究所最近把厚板材拉深、铝板的成形加工、板材的高速剪切 以及板材成形就加工的摩擦学列于自己的重点研究课题。该所的领导和教授d i e t e r s c h m o e c k e l 先生近年来采用自己设计的试验装置，研究了润滑材料量和质对摩擦系数的影 响，结果表明，随着润滑材料量的增加，摩擦系数下降，当达到饱和状态时，摩擦状况不会 再改善。其他国家学者也都有类似的研究。日本大同化学工业大学的平井龟雄对塑性加工润 滑剂的研究以及神户制钢所的松下富村对拉拔加工的摩擦润滑技术等的研究工作都有新的 成果。我国许多高等院校和研究单位如清华大学摩擦学实验室、中南工大、哈工大等也做了 许多有益的探索。 1 g 纳米科技的兴起给拉深成形摩擦与润滑研究带来新思 路 一，纳米科技及纳米摩擦学简述 常规摩擦与润滑研究难有进展，而近年来蓬勃发展的纳米科技却为拉深成形摩擦与润滑 带来新思路和新方法，从而使我们发现了希望。 纳米科技是研究尺寸在1 l o o n m 之间的物质组成的体系的运动规律和互作用以及可能 的实际应用中的技术问题的科学技术。当小粒子尺寸进入纳米量级时，将具有一些与常态下 不同的物理效应。如：( 1 ) 电子能级的不连续性；( 2 ) 量子尺寸效应；( 3 ) d x 尺寸效应；( 4 ) 表面效 6 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论 应；( 5 ) 宏观量子隧道效应；( 6 ) 库仑堵塞与量子遂穿效应；( 7 ) 介电限域效应等。这些基本物理 效应和其相应理论，除了适合纳米微粒外，同时也适合团簇和亚微米超微粒子n r 2 7 1 。 而纳米摩擦学是纳米科技的一个重要组成部分，其重要性如1 2 节所述，代表了现代摩 擦学的发展方向。 二、纳米摩擦学与宏观摩擦学的比较及其发展重要意义 纳米摩擦学在学科基础、研究方法、实验测试设备和理论分析手段等方面都与宏观摩擦 学研究有很大区别。宏观摩擦学通常根据材料表面的体相性质在摩擦界面上的反应来表征起 摩擦磨损行为，并应用连续介质力学包括断裂和疲劳理论作为分析的基础。而纳米摩擦学则 是由原子、分子结构出发，考察纳米尺度的表面和界面分子层摩擦学行为，其理论基础是表 面物理和表面化学，采用的理论分析手段主要是计算机分子动力学模拟，实验测试仪器是各 类扫描探针显微镜以及专门的微型实验装置幅1 。 纳米摩擦学的发展有着重要的理论和实际意义。首先，纳米摩擦学是在新的学科基础上 采用新的研究方法，比传统研究更加符合摩擦学现象的规律，对于完善摩擦学理论与应用具 有重要作用。其次，纳米摩擦学研究还包含在纳米尺度上对摩擦表面改性和排布原子，发展 表面和界面原子工程。另外，纳米厚度的润滑膜的性能也不同于粘性流体膜和吸附边界膜。 通过表面涂层或超薄膜润滑形成低减切阻力和高承载能力的摩擦界面层，藉以构造出性能优 异的摩擦学系统。 三、板料成形摩擦与润滑中微纳米技术应用研究方向 微纳米技术的发展为板料成形摩擦与润滑的研究带来了新思路，具体可从以下三个方面 入手： 1 ) 对模具表面进行纳米化强化处理，增强其抗磨减摩能力，并提高模具寿命。方法包 括在模具表面镀以纳米强化膜、用热处理方法使模具表面晶粒细化甚至可以在模具表面生成 微小孔隙组织，使其可将润滑剂吸附于其