材料成形摩擦学

1、6. 材料成形过程的润滑材料成形过程的润滑 概述 （1）润滑的目的）润滑的目的 润滑剂形成的膜将彼此作相对运动的表面隔开润滑剂形成的膜将彼此作相对运动的表面隔开,降低降低剪切阻力，减少表面任何损伤。在金属塑性成形中主剪切阻力，减少表面任何损伤。在金属塑性成形中主要提高工具的寿命，节省能源，保证产品的质量。要提高工具的寿命，节省能源，保证产品的质量。 （2）润滑方式）润滑方式 根据润滑根据润滑膜的厚度膜的厚度、二物体接触表面、二物体接触表面合成粗糙度合成粗糙度的的高度（界面高度）分布，可分为不同的润滑方式高度（界面高度）分布，可分为不同的润滑方式. 现在普遍认为现在普遍认为19901992年年

2、提出的提出的 Stribeek曲线代曲线代表表了有润滑剂了有润滑剂粘度粘度、速度速度V、载荷、载荷F为函数的有润滑为函数的有润滑运动表面的通用特性曲线。运动表面的通用特性曲线。 根据表面几何根据表面几何形貌、材料、运转条件及表面分离距形貌、材料、运转条件及表面分离距离离h，可分三种主要润滑状态，如图所示。，可分三种主要润滑状态，如图所示。三种润滑方式三种润滑方式 1.流体动压润滑流体动压润滑; .混合润滑混合润滑; .边界润滑边界润滑 流体润滑流体润滑 在适当的条件下，工具与工件表面间可由一定在适当的条件下，工具与工件表面间可由一定厚度厚度(一般在一般在1.52 mm以上以上)的润滑油膜隔开，

3、的润滑油膜隔开，依靠润滑油的压力来平衡外载荷依靠润滑油的压力来平衡外载荷，在润滑油膜，在润滑油膜中的分子大部分不受金属表面力场的作用，而中的分子大部分不受金属表面力场的作用，而可以自由地移动，这种状态称为可以自由地移动，这种状态称为流体润滑流体润滑。在。在此种情况下，摩擦系数很小，通常为此种情况下，摩擦系数很小，通常为 0.0010.008，依据流体润滑油，依据流体润滑油膜压力形成的方式不同膜压力形成的方式不同，可将流体润滑，可分二类：可将流体润滑，可分二类： 流体动压润滑流体动压润滑 流体静压润滑流体静压润滑流体动压润滑理论流体动压润滑理论 流体在外力作用下流动时，由于本身分子流体在外力作用

4、下流动时，由于本身分子之间的之间的内聚力内聚力以及流体与固体壁面之间的以及流体与固体壁面之间的附着附着力力，使，使各流层之间产生速度上的差异各流层之间产生速度上的差异，各流层，各流层之间由于相对运动而产生的摩擦力称为之间由于相对运动而产生的摩擦力称为内摩擦内摩擦力力。流体流动时产生内摩擦力的这种性质，叫。流体流动时产生内摩擦力的这种性质，叫做流体的做流体的粘性粘性。只有在。只有在 流体流动时才会呈现粘流体流动时才会呈现粘 性，静止不动的流体不性，静止不动的流体不 呈现粘性呈现粘性牛顿流体内摩擦定律牛顿流体内摩擦定律 根据牛顿的实验，流体层间的根据牛顿的实验，流体层间的内摩擦力内摩擦力F与层间与

5、层间厚度厚度dz成反比成反比，同层间，同层间接触面积接触面积A和和相对运动速度相对运动速度dV成正成正比比，即：，即： FAdv/dz F/A=dv/dz 式中式中 流层间的剪应力；流层间的剪应力； dv/dz流速梯度；流速梯度； 比例常数，表征流体粘性的大小，称为粘度。比例常数，表征流体粘性的大小，称为粘度。 此式称为牛顿流体内摩擦定律，也就是此式称为牛顿流体内摩擦定律，也就是流体摩擦定律流体摩擦定律液体摩擦定律与固体摩擦定率的不同点液体摩擦定律与固体摩擦定率的不同点 流体的流体的内摩擦内摩擦正比于流层间的相对正比于流层间的相对速度速度，并随液体的并随液体的粘度粘度而改变，但而改变，但与正压

6、力无与正压力无关关。这与固体的摩擦定率很不同，。这与固体的摩擦定率很不同，在固在固体摩擦体摩擦 (或干摩擦或干摩擦) 时，摩擦力与正压力时，摩擦力与正压力成正比成正比，而与运动的相对，而与运动的相对速度关系不大速度关系不大。应指出，符合上述线性速度分布的流体，应指出，符合上述线性速度分布的流体，粘度不为粘度不为0，称为，称为牛顿流体牛顿流体。显然，上述。显然，上述的液体摩擦定律只适合于牛顿流体。的液体摩擦定律只适合于牛顿流体。流体动压润滑理论的基本方程流体动压润滑理论的基本方程-雷诺方程雷诺方程 流体动压润滑是借助于粘性流体的动力学作用，由摩流体动压润滑是借助于粘性流体的动力学作用，由摩擦擦表

7、面的几何形状表面的几何形状以及以及相对运动相对运动产生产生润滑油膜压力润滑油膜压力。雷。雷诺方程作为流体动压润滑理论的基本方程，诺方程作为流体动压润滑理论的基本方程，它是压力分它是压力分布的微分方程布的微分方程,考虑了固体表面的考虑了固体表面的速度速度及及润滑膜的形状润滑膜的形状而而建立的建立的 ,从雷诺方程中，可得到流体动压润滑过程的实际从雷诺方程中，可得到流体动压润滑过程的实际图象、图象、承载能力承载能力及及摩擦阻力摩擦阻力的基本摩擦学关系式的基本摩擦学关系式,所以下所以下面对雷诺方程进行讨论。假设条件面对雷诺方程进行讨论。假设条件: 1)流体是牛顿流体流体是牛顿流体 2)流体是层流流体是

8、层流 3)流体粘附在摩擦面上流体粘附在摩擦面上 4)流体的惯性可忽略不计流体的惯性可忽略不计 5)流体重量可忽略不计流体重量可忽略不计 6)体积力略去不计体积力略去不计 7) 沿流体膜厚度方向，流体的压力为常数沿流体膜厚度方向，流体的压力为常数。雷诺方程意义：表达了流体动压润滑情况下，意义：表达了流体动压润滑情况下，油膜压力油膜压力x,Z两个两个方向方向上发生上发生变化变化以及以及流体流体沿沿x,y,z方向发生变化时，方向发生变化时，压力压力梯度梯度、流速流速、油膜厚度、润滑油粘度等参数之间的关系油膜厚度、润滑油粘度等参数之间的关系以图为例说明产生油膜压力的原因 油楔效应油楔效应 由流体膜形状

9、由流体膜形状 与表面相对速度与表面相对速度(V1-V2)引起的，引起的，它的压力大；它的压力大； 表面伸缩效应表面伸缩效应 要求要求x方向速度之和随方向速度之和随x方向位置而变化，它方向位置而变化，它所产生的压力极小，可不计；所产生的压力极小，可不计； 挤压效应挤压效应 由垂直于流体的相对运动引起的，油膜厚度不随由垂直于流体的相对运动引起的，油膜厚度不随时间变化时，所产生的效应可不计。时间变化时，所产生的效应可不计。一维雷诺方程 在轧制和拉拔变形过程中，由于摩擦表面具有逐渐在轧制和拉拔变形过程中，由于摩擦表面具有逐渐收敛的楔形间隙及较大的相对运动速度差，因而产生收敛的楔形间隙及较大的相对运动速

10、度差，因而产生较强烈的较强烈的油楔效应油楔效应，并出现流体动压润滑状态的可能，并出现流体动压润滑状态的可能性较大。但是，由于影响流体润滑状态形成的因素很性较大。但是，由于影响流体润滑状态形成的因素很多，也较繁杂，以致多，也较繁杂，以致金属加工成形过程中较难出现完金属加工成形过程中较难出现完全的流体动压润滑状态全的流体动压润滑状态。三维雷诺方程的应用非常烦三维雷诺方程的应用非常烦琐，需作些简化，琐，需作些简化，形成一维雷诺方程形成一维雷诺方程。 假设假设y向尺寸为无限宽，油液沿此方向无运动，无向尺寸为无限宽，油液沿此方向无运动，无倾向运动倾向运动qy=0，也就是压强沿，也就是压强沿y方向上保持常

11、量，即方向上保持常量，即流体动压强制润滑 应用流体动压润滑理论，增强拉拔时的润滑效果在拉拔膜入口处加管，增强油膜的压力，或者在两模间加高压油流体静压润滑理论 在机械中有一种液体在机械中有一种液体静压轴静压轴承承是用高压将润滑油送入轴承间是用高压将润滑油送入轴承间隙内，保持一层较厚的润滑油膜。隙内，保持一层较厚的润滑油膜。压力是由外加静压产生压力是由外加静压产生的，故这的，故这种润滑称为流体静压润滑种润滑称为流体静压润滑。 在金属材料成形中的在金属材料成形中的静液挤压静液挤压是属于利用液体静压作用而实现是属于利用液体静压作用而实现的，的，静压力是由外界加于静压力是由外界加于的，如的，如图。一是使

12、金属变形，另一方面图。一是使金属变形，另一方面在工具与坯料之间形成较厚的油在工具与坯料之间形成较厚的油膜起到润滑作用膜起到润滑作用润滑润滑“小池小池”的产生的产生 一般情况下，在工具与变形金属的接触界面上，通常一般情况下，在工具与变形金属的接触界面上，通常出现混合润滑状态，即一部分为出现混合润滑状态，即一部分为边界润滑区边界润滑区、一部分一部分为润滑为润滑“小池小池”区区，如图所示。，如图所示。 在金属材料成形过程中，应尽量减少在金属材料成形过程中，应尽量减少“润滑小池润滑小池”的产生，否则变形金属的的产生，否则变形金属的表面表面会变得更加会变得更加粗糙粗糙，为了，为了获得获得光滑的表面光滑的

13、表面就要使用就要使用粘度较小粘度较小的或者的或者润滑膜薄润滑膜薄的的润滑剂润滑剂。边界润滑机理边界润滑机理 物理吸附膜与金属表面的作用物理吸附膜与金属表面的作用 物理吸附膜又有极性分子的与非极性分子的物理吸物理吸附膜又有极性分子的与非极性分子的物理吸附膜附膜: 1) 非极性分子物理吸附膜非极性分子物理吸附膜 一般一般矿物油矿物油(机油机油.锭子油锭子油.气缸油等气缸油等)为为非极性非极性的烃类的烃类有机化合物有机化合物(通式通式为为CnH2n+2),当它们与金属表面接触时，当它们与金属表面接触时，由于本身没有永久偶极由于本身没有永久偶极,只在分子内部由于电子和原子只在分子内部由于电子和原子核的

14、不对称运动而出现核的不对称运动而出现瞬时偶极瞬时偶极，靠瞬时偶极产生的，靠瞬时偶极产生的色散力色散力,使矿物油的分子吸附在金属的表面，使矿物油的分子吸附在金属的表面，构成非极构成非极性分子边界润滑膜。性分子边界润滑膜。由于金属对润滑油本身的内聚力由于金属对润滑油本身的内聚力都很弱。图为非极性分子在金属表面的物理吸附的示都很弱。图为非极性分子在金属表面的物理吸附的示意图，意图，16烷烷C16H34虽然粘度很高，但边界润滑能虽然粘度很高，但边界润滑能力很差力很差。非极性分子在金属表面的物理吸附的示意非极性分子在金属表面的物理吸附的示意图，图，16烷烷C16H34 极性分子物理吸附膜 脂肪酸、脂肪酸

15、皂、动植物油以及高级醇类等属极脂肪酸、脂肪酸皂、动植物油以及高级醇类等属极性化合物，这类物质的分子内部，性化合物，这类物质的分子内部，一端为非极性的烃基一端为非极性的烃基R，另一端为极性基团另一端为极性基团COOH、OH，其通式如表其通式如表61所示。当极性分子与非极性分子靠近时所示。当极性分子与非极性分子靠近时除有除有色散力与诱导力色散力与诱导力。同时，诱导偶极又作用于极性分。同时，诱导偶极又作用于极性分子，使其偶极矩增大，从而进一步加强了它们间的吸引。子，使其偶极矩增大，从而进一步加强了它们间的吸引。当具有当具有永久偶极的分子与金属表面接触时永久偶极的分子与金属表面接触时，永久偶极带，永久

16、偶极带负电的一端吸引金属原子的原子核而排除其电子负电的一端吸引金属原子的原子核而排除其电子，使金，使金属原子的正负电荷中心不重合，从而产生诱导偶极，永属原子的正负电荷中心不重合，从而产生诱导偶极，永久偶极和诱导偶极互相吸引，于是极性分子的极性端与久偶极和诱导偶极互相吸引，于是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，金属表面吸附，非极性端朝外，定向地排列在金属表面，形成极性分子物理吸附膜。形成极性分子物理吸附膜。极性化合物（润滑剂）的通式极性分子在金属表面吸附层的结构 a金属表面；金属表面； c.e极性表面极性表面 b.d.f滑动面滑动面 0-代表分子的代表分子的极性

17、极性 极性分子在金属表面上的物理吸附极性分子在金属表面上的物理吸附 以以16醇醇C16H33OH为为例说明极性分子在金属例说明极性分子在金属表面的物理吸附膜，如表面的物理吸附膜，如图所示。图所示。由于极性基团由于极性基团存在，分子间内聚力的存在，分子间内聚力的增强增强，以及实际变形金，以及实际变形金属的属的高表面活性高表面活性，使这，使这种物理吸附膜的强度较种物理吸附膜的强度较低，高温下将发生破裂，低，高温下将发生破裂，因此物理吸附形成的边因此物理吸附形成的边界润滑膜，只适用于界润滑膜，只适用于常常温、低速、轻载条件下温、低速、轻载条件下所工艺润滑所工艺润滑。 化学吸附与金属表面的作用化学吸附

18、与金属表面的作用 极性分子与金属表面除能发生物极性分子与金属表面除能发生物理吸附外，在一定的条件下还可理吸附外，在一定的条件下还可通过化学作用，发生通过化学作用，发生化学吸附化学吸附。当金属表面有一层当金属表面有一层氧化薄膜氧化薄膜、并、并与脂肪酸等起与脂肪酸等起化学反应化学反应，生成，生成脂脂肪酸盐肪酸盐而比较牢固的吸引在金属而比较牢固的吸引在金属的表面时，可以起到边界润滑作的表面时，可以起到边界润滑作用。反应式：用。反应式： 2RCOOH+MeO=(RCOO)2Me+H2O 脂肪酸盐的熔点较原脂肪酸高脂肪酸盐的熔点较原脂肪酸高 ,耐热性好耐热性好,不易破裂不易破裂。 图表示图表示硬脂酸硬脂

19、酸C17H35COOH在钢坯表面化学吸附形成的单分在钢坯表面化学吸附形成的单分子层子层硬脂酸铁皂膜硬脂酸铁皂膜化学反应膜与金属表面的作用化学反应膜与金属表面的作用 在在润滑油中加入润滑油中加入某些某些极压添加极压添加剂剂，如氯化石蜡、硫化棉籽油，如氯化石蜡、硫化棉籽油或油酸、磷酸脂等。添加含或油酸、磷酸脂等。添加含S、P、Cl元素的添加剂在一定的温元素的添加剂在一定的温度下易产生化学反应形成化学度下易产生化学反应形成化学反应膜。反应膜。 例如，硫与铁反应生成硫化铁例如，硫与铁反应生成硫化铁无机盐膜，如图所示，其形成无机盐膜，如图所示，其形成温度为温度为175200。此时，从。此时，从添加剂中析

20、出活性硫原子，通添加剂中析出活性硫原子，通过铁失去电子，硫得到电子的过铁失去电子，硫得到电子的反应而形成硫化铁，即：反应而形成硫化铁，即： S2eS2- FeS Fe-2eFe2+ 边界润滑膜在不同温度下的摩擦系数边界润滑膜在不同温度下的摩擦系数 曲线曲线非极性基础油非极性基础油（矿物油）（矿物油） 曲线曲线在基础油中加在基础油中加入入脂肪酸添加剂脂肪酸添加剂（油性油性剂剂） 曲线曲线在基础油中加在基础油中加入入极压添加剂极压添加剂如氯化物、如氯化物、磷化物、氯化物等磷化物、氯化物等 曲线曲线若在基础油中若在基础油中同时加入同时加入油性添加剂和油性添加剂和极压添加剂极压添加剂边界润滑的机理边界

21、润滑的机理 当金属表面上形成当金属表面上形成几个分子厚几个分子厚的边界吸附膜时的边界吸附膜时，由于极性分，由于极性分子的极性基团与金属表面的牢子的极性基团与金属表面的牢固吸附，接触表面产生相对滑固吸附，接触表面产生相对滑动，将在动，将在边界膜内进行边界膜内进行a 极性分子的极性端与金属表面极性分子的极性端与金属表面c、e 极性分子的极性端结合的牢固极性分子的极性端结合的牢固b、d、f-非极性端结合的弱，易形非极性端结合的弱，易形成滑移面成滑移面abcde 润滑极限润滑极限 润滑极限是润滑失效的临界值，即润滑可能润滑极限是润滑失效的临界值，即润滑可能出现的出现的“极限极限”状态。状态。 由由Stribeck曲线可知，曲线向左端和向右端有曲线可知，曲线向左端和向右端有两种润滑极限状态：两种润滑极限状态： 1)向右端向右端 随着速度的增加随着速度的增加,流体的层流状态流体的层流状态可能转变为可能转变为紊流状态紊流状态。 2)向左端向左端 随着速度的降低随着速度的降低,各种非流体动压各种非流体动压润滑状态运转润滑状态运转,润滑剂膜最终将会破坏润滑剂膜最终将会破坏,并导并导致致“胶合胶合”或或“咬死咬死”形式的严重失效。形式的严重失效。油膜厚度的测定与计算油膜厚度的测定与计算 油膜厚度测定法：油膜厚度测定法： 称重法称重法 油滴法油滴法 计算法计算法 以轧制为例，轧制时流体动以轧制