塑性加工原理 第四章 塑性加工中的摩擦与润滑

#§4.6塑性加工的工艺润滑4.6.1工艺润滑的目的及润滑机理一、润滑的目的为减少或消除塑性加工中外摩擦的不利影响，往往在工模具与变形金属的接触界面上施加润滑剂，进行工艺润滑。其主要目的是：（1）降低金属变形时的能耗。当使用有效润滑剂时，可大大减少或消除工模具与变形金属的直接接触，使接触表面间的相对滑动剪切过程在润滑层内部进行，从而大大降低摩擦力及变形功耗。如轧制板带材时，采用适当的润滑剂可降低轧制压力10%〜15%；节约主电机电耗8%〜20%。拉拔铜线时，拉拔力可降低10%〜20%。（2）提高制品质量。由于外摩擦导致制品表面粘结、压入、划伤及尺寸超差等缺陷或废品。此外，还由于摩擦阻力对金属内外质点塑性流动阻碍作用的显著差异，致使各部分剪切变形程度（晶粒组织的破碎）明显不同。因此，采用有效的润滑方法，利用润滑剂的减摩防粘作用，有利于提高制品的表面和内在质量。（3）减少工模具磨损，延长工具使用寿命。润滑还能降低面压，隔热与冷却等作用，从而使工模具磨损减少，使用寿命延长。为达上述目的，应采用有效润滑剂及润滑方法。塑性加工时如何将润滑剂保持在高压下的工具与坯料之间？尤其是采用液体润滑剂时，几乎可能全部被挤出。液体润滑剂所以能被保持在接触面间，可认为是依靠静液压效果与流体力学效果。此外，还必须充分考虑工具及变形金属与润滑剂的吸附性质，以及工模具与变形金属之间的配对性质，才能达到有效润滑的目的。二、润滑机理（1）流体力学原理根据流体力学原理，当固体表面发生相对运动时，与其连接的液体层被带动，并以相同的速度运动，即液体与固体层之间不产生滑动。在拉拔、轧制情况下，坯料在进入工具入口的间隙，沿着坯料前进方向逐渐变窄。这时，存在于空隙中的润滑剂就会被拖带进去，沿前进方向压力逐渐增高，如图4-14所示。当润滑剂压力增加到工具与坯料间的接触压力时，润滑剂就进入接触面间。如果变形速度、润滑剂的粘度越大，工具与坯料的夹角越小，则润滑剂压力上升得越急剧，接触面间的润滑膜也越厚。此时，所发生的摩擦力在本质上是一种润滑剂分子间的吸引力，这种吸引力阻碍润滑剂质点之间的相互移动。这种阻碍称为相对流动阻力。对液体而言，粘性即意味着内摩擦。液体层与层之间的剪切抗力（液体的内摩擦力），由牛顿定理确定duT=nF（4.17）dy

du式中du式中dy垂直于运动方向的内剪切速度梯度；F剪切面积（即滑移表面的面积）。通常取沿液体厚度上的速度梯度为常数或取其平均值，这样du_AVdye因此，液体的单位摩擦力AV4.18)t二耳—4.18)e式中耳——动力粘度；国际单位为Pa・s,即帕•秒e——液层厚度。油的粘度与温度及压力有关。随温度的增加,粘度急剧下降,随压力的增加,油的粘度升高。分析表明，矿物油的粘度受压力影响比动植物油更为明显。载荷图4-14润滑剂的曳入图4-15工具图4-14润滑剂的曳入图4-15工具J金属粘结点吸附的极性分子单分子层吸附膜的润滑作用模型（2）吸附机制金属塑性加工用润滑剂从本质上可分为不含有表面活性物质（如各类矿物油）和含有表面活性物质（如动、植物油、添加剂等）两大类。这些润滑剂中的极性或非极性分子对金属表面都具有吸附能力，并且通过吸附作用在金属表面形成油膜。矿物油属非极性物质，当它与金属表面接触时，这种非极性分子与金属之间靠瞬时偶极而相互吸引，于是在金属表面形成第一层分子吸附膜（如图4-15）。而后由于分子间的吸引形成多层分子组成的润滑油膜，将金属与工具隔开，呈现为液体摩擦。然而，由于瞬时偶极的极性很弱，当承受较大压力和高温时，这种矿物油所形成的油膜将被破坏而挤走，故润滑效果差。可见，润滑剂能否很好地起润滑作用，取决于其能不能很好地保持在工具与金属接触表面之间，并形成一定厚度、均匀、完整的润滑层。而润滑层的厚度、完整性及局部破裂取决于润滑剂的粘度及其活性、作用的正压力、接触面的粗糙度以及加工方法的特征等。所谓润滑剂的活性，就是润滑剂中的极性分子在摩擦表面形成结实的保护层的能力。它决定润滑剂的润滑性能及与摩擦物体之间吸引力的大小。当润滑剂中有极性的物质存在时，会减少纯溶剂的表面张力，而加强金属（工具与变形物体）与润滑剂分子间的吸附力。一般动植物油脂及含有油性添加剂的矿物油，当它与金属表面接触时，润滑油中的极性基因与金属表面产生物理吸附，从而在变形区内形成油膜。而当润滑剂中含有硫、磷、氯等活性元素时，这些极性物质还能与金属表面起化学反应（化学吸附）形成化学吸附膜，牢牢地附在金属与工具表面上，起良好润滑作用。如硬脂酸与金属表面的氧化膜（只需极薄的氧化膜）发生化学反应，生成脂肪酸盐：2RCOOH+MeO=(RCOO)22RCOOH+MeO=(RCOO)2Me+H2O4.19)./I|—C-liH-C-H图./I|—C-liH-C-H图4-16在铁表面上硬脂酸组成的边界润滑膜如图4-16所示，金属氧化膜通过化学吸附作用，在表面上生成一种摩擦应力很小的金属脂肪酸皂。所谓润滑剂的粘度，是指润滑剂本身粘、稠的程度。它是衡量润滑油流动阻力的参数，在金属塑性加工过程中润滑油的粘度影响很大，粘度过小，即过分稀薄的润滑油，易从变形区挤出，起不到良好的润滑作用；粘度过大，即过分稠厚的润滑油，往往剪切阻力较大，形成的油膜过厚，不能获得光洁的制品表面，也不能达到良好润滑之目的。同时，粘度增加使润滑剂进入困难，如拉拔中，多使用较稀的润滑剂（个别金属除外），或把金属或工具全部浸入液体润滑剂的槽中。因此，在实际生产中如何根据工艺条件以及产品质量要求选择适当粘度的润滑油是十分重要的。三、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。2．常用的润滑剂在金属加工中使用的润滑剂，按其形态可分为：液体润滑剂、固体润滑剂、液-固润滑剂以及熔体润剂。其中，液体润滑剂使用最广，通常可分为纯碎型油（矿物油或动植物油）和水溶型两类。（1）液体润滑剂包括矿物油、动植物油、乳液等。矿物油系指机油、汽缸油、锭子油、齿轮油等。矿物油的分子组成中只含有碳、氢两种元素，由非极性的烃类组成，当它与金属接触时，只发生非极性分子与金属表面的物理吸附作用，不发生任何化学反应，润滑性能较差，在压力加工中较少直接用作润滑剂。通常只作为配制润滑剂的基础油，再加上各种添加剂，或是与固体润滑剂混合，构成液-固混合润滑剂。动植物油有牛油、猪油、豆油、蓖麻油、棉子油、棕榈油等。动植物油脂内所含的脂肪酸主要有硬脂酸（C17H35COOH）.棕榈酸（软脂酸C15H31COOH）及油酸（c17h33cooh）这三种。它们都含有极性根（如COOH,COONa）,属于极性物质。这些有机化合物的分子中，一端为非极性的烃基；另一端则为极性基，能在金属表面上作定向排列而形成润油膜。这就使润滑剂在金属上的吸附力加强,故在塑性加工中不易被挤掉。乳液是一种可溶性矿物油与水均匀混合的两相系。在一般情况下,油和水难以混合,为使油能以微小液珠悬浮于水中,构成稳定乳状液,必须添加乳化剂,使油水间产生乳化作用。另外,为提高乳液中矿物油的润滑性,也需添加油性添加剂。乳化剂是由亲油性基团和亲水性基团组成的化合物（如图4-17）。它用于形成O/W型乳液时,由于这两个基端的存在,能使油水相连,不易分离,如经搅拌之后,可使油呈小球状弥散分布在水中,构成O/W型乳液,通常使用的乳化剂为钠皂,钾皂和铵皂。目前,在铜铝及其合金的轧制过程中,大都使用油酸-三乙醇胺系乳液。其组分大致为：机油或变压器油80%~85%、油酸10%~15%及三乙醇胺5%左右。先制成乳膏（剂）,然后加90%~97%水搅拌成乳液。其中，水起冷却作用，机油或变压器油为润滑基础油，油酸C/33COOH］既作油性剂以提高矿物油的润滑性能，同时又与三乙醇胺［N（CH2CH2OH）3］起反应形成胺皂，起乳化剂作用。乳液主要用于带材冷轧、高速拉丝、深拉延等过程。图4-17硬脂酸钠乳化剂作用机理示意图（2）固体润滑剂，包括石墨、二硫化钼、肥皂等。由于金属塑性加工中的摩擦本质是表层金属的剪切流动过程，因此从理论上讲，凡剪切强度比被加工金属流动剪切强度小的固体物质都可作为塑性加工中的固体润滑剂，如冷锻钢坯端面放的紫铜薄片；铝合金热轧时包纯铝薄片；拉拔高强度丝时表面镀铜；以及拉拔中使用的石蜡、蜂蜡、脂肪酸皂粉等均属固体润滑剂。然而，使用最多的还是石墨和二硫化钼。石墨:石墨属于六方晶系，具有多层鳞状结构，有油脂感。同一层的原子间距为1.2°结合力强，而层与层之间的间距为3.35A，结合力弱。当晶格受到切应力的作用时，应容易产生层间的滑移。所以用石墨作为润滑剂，金属与工具的接触面间所表现的摩擦实质上是石墨层与层之间的内摩擦。而且，这种内摩擦力比金属与工具直接接触时的摩擦力要小得多，从而起到润滑作用。石墨具有良好的导热性和热稳定性，其摩擦系数随正压力的增加而有所增大，但与相对滑动速度几乎没有关系。此外，石墨吸附气体后，摩擦系数会减小，因而在真空条件下的润滑性能不如空气中好。石墨的摩擦系数一般在0.05~0.19的范围内。二硫化钼:二硫化钼也属于六方晶系结构，其润滑原理与石墨相同。但它在真空中的摩擦系数比在大气中小，所以更适合作为真空中的润滑剂。二硫化钼的摩擦系数一般为0.12~0.15。在大气中，石墨温度超过500°C开始氧化，二硫化钼则在350°C时氧化，为了防止石墨、二硫化钼氧化，常在石墨、二硫化钼中加入三氧化二硼，以提高使用温度。石墨、二硫化钼是目前塑性加工中常用的高温固体润滑剂，使用时可制成水剂或油剂。肥皂类:常用的肥皂和蜡类润滑剂有:硬脂肪酸钠、硬脂肪酸锌以及一般肥皂等。硬脂酸锌用于冷挤压铝、铝合金；硬脂酸钠用来拉拔有色金属等加工的润滑剂，也用于钢坯磷化处理后的皂化处理工序。用于金属塑性加工的固体润滑剂，除上述三种外，其他还有重金属硫化物、特种氧化物、某些矿物（如云母、滑石）和塑料（如聚四氟乙烯）等。固体润滑剂的使用状态可以是粉末状的，但多数是制成糊状剂或悬浮液。此外，目前新型的固体润滑剂还有氮化硼（BN）和二硒化铌（NbSe2）等。氮化硼的晶体结构与石墨相似，有“白石墨”之称。它不仅绝缘性能好，使用温度高（可高达900C），而且在一般温度下，氮化硼不与任何金属起反应，也几乎不受一切化学药品的浸蚀，BN可认为是目前唯一的高温润滑材料。（3）液-固型润滑剂它是把固体润滑粉末悬浮在润滑油或工作油中，构成固-液两相分散系的悬浮液。如拉钨、钼丝时，采用的石墨乳液及热挤压时，所采用的二硫化钼（或石墨）油剂（或水剂），均属此类润滑剂。它是把纯度较高，粒度小于2〜6“m的二硫化钼（或石墨）细粉加入油（或水）中，其重量约占25%~30%，使用时再按实际需要用润滑油（或水）稀释，一般浓度控制在3%以内。为减少固体润滑粉末的沉淀，可加入少量表面活性物质，以减少液-固界面的张力，提高它们之间的润滑性，从而起到分散剂的作用。（4）熔体润滑剂这是出现较晚的一种润滑剂。在加工某些高温强度大，工具表面粘着性强，而且易于受空气中氧、氮等气体污染的钨、钼、钽、铌、钛、锆等金属及合金在热加工（热锻及挤压）时，常采用玻璃、沥青或石蜡等作润滑剂。其实质是，当玻璃与高温坯料接触时，它可以在工具与坯料接触面间熔成液体薄膜，达到隔开两接触表面的目的。所以玻璃既是固

体润滑剂，又是熔体润滑剂。玻璃润滑剂有以下特点：玻璃包围在坯料表面，坯料与模具不直接图4-18热挤压时的玻璃润滑（1）玻璃包围在坯料表面，坯料与模具不直接图4-18热挤压时的玻璃润滑（2）玻璃的使用温度范围很广，从450〜2200°C的工作温度范围都可选用，玻璃的粘度随温度上升而减小，且成分不同，粘度-温度特性不同，因此可根据加工的温度和所需的粘度，选用合适的玻璃成分（见表4-6）。（3）玻璃的化学稳定性好，和金属不起化学反应。使用时可以粉末状、网状、丝状及玻璃布等型式单独使用，也可与其他润滑剂混合使用（见图4-18）。玻璃润滑剂的特点是：被加工后的零件表面上会附上一层玻璃，不易清除。表4-6几种玻璃的成分及其使用温度玻璃主要组成成分（％）适用温度（C）10BO、82PoO、5SiO「3A1Q23223530~87035SiO「7.2KQ、56PbO22870~109063SiO「7.6NaQ、6KQ、21PbO2221090~143070SiO「28BO.1.2PbO2231260~173057SiO2、5.6CaO、12MgO、4B2O3、2Al2O3165081SiO「4NaQ、13BO、2A1Oo2223231540~210096SiO「2.9BO.2231930~204096SiO22210温度T图4-19各种润滑剂的效果I温度T图4-19各种润滑剂的效果I矿物油；II—脂肪酸；III—极压剂；IV—极压剂加脂肪酸4321•••♦oooO摩擦系数卩为了提高润滑油的润滑、耐磨、防腐等性能，需在润滑油中加入少量的活性物质，这些活性物质总称添加剂。润滑油中的添加剂，一般应易溶于机油，热稳定性要好，且应具有良好的物理化学性能常用的添加剂有油性剂、极压剂、抗磨剂和防锈剂等。极压剂是一种含硫、磷、氯的有机化合物如氯化石蜡、硫化稀烃等。在高温、高压下，极压剂分解。分解后的产物与金属表面起化学反应，生成熔点低，吸附性强的氯化铁、硫化铁薄膜。由于这些薄膜的熔点低，易熔化，且具有层状结构，因此在较高压力下仍然起润滑作用（见图4-19）。采用氯化石蜡的缺点是对金属表面有腐蚀作用。

油性剂是指天然酯、醇、脂肪酸等物质。这些物质都含有羧（COOH）类活性基。活性基通过与金属表面的吸附作用，在金属表面形成润滑膜，起润滑和减磨作用。抗磨剂常用的有硫化棉子油、硫化鲸鱼油等，这些硫化物可以在S-S键处分出自由基，然后自由基与金属表面起化学反应，生成抗腐蚀、减磨损的润滑油膜。起到抗腐、减磨作用。防锈剂常用的有石油磺酸钡。当加入润滑油后，在金属表面形成吸附膜，起隔水、防锈的作用。在石墨和二硫化钼中常用三氯化二硼作为添加剂来提高抗氧化性和使用温度。塑性加工中常用的添加剂见表4-7，润滑剂中加入适当的添加剂后，摩擦系数降低，金属粘模现象减少，变形程度提高，并可使产品表面质量得到改善，因此目前广泛采用有添加剂的润滑油。表4-7润滑油中常用的添加剂及其添加量种类作用化合物名称添加量1•油性剂形成油膜，减少摩擦长链脂肪酸、油酸0.1〜1%2.极压剂防止接触表面粘合有机硫化物、氯化物5〜10%3•抗磨剂形成保护膜，防止磨损磷酸酯5~10%4•防锈剂防止润滑油生锈羧酸、酒精0.1〜1%5•乳化剂使油乳化、稳定乳液硫酸、磷酸酯~3%6.流动点下降剂防止低温时油中石蜡固化氯化石蜡0.1〜1%7•粘度剂提高润滑油粘度聚甲基丙烯酸等聚合物2~10%五、润滑方法的改进为了减小塑性成形时的摩擦和磨损，除了不断改进润滑剂的性能和研制新的润滑剂凹模套管沁踊恋-润滑剂毛坯凹模套管沁踊恋-润滑剂毛坯图4-20强制润滑拉拔示意图1．流体润滑流体润滑常用于线材拉拔（如图4-20），在模具入口处加一个套管。套管与坯料间具有很小间隙。当坯料从套管中高速通过时，就把润滑剂带入模孔内。在模孔入口处，由于间隙变小，润滑油产生高压。当压力高到一定数值时，在坯料与模具之间就产生和保持流体润滑膜，起良好润滑作用。在反挤压时，将凹模和坯料作成如图4-21所示的形状，在反挤压过程中，润滑剂能够持久稳定地起到隔离冲头与毛坯