第四章 金属塑性加工的摩擦与润滑 教学内容：本章讨论金属塑性加工时的摩擦的特点及作用，分析了塑性加工中摩擦的分类及机理，简述了摩擦系数及其影响因素，讲解了测定摩擦系数的方法和塑性加工的工艺润滑。 教学重点：塑性加工中摩擦的分类及机理，摩擦系数及其影响因素，测定摩擦系数的方法，塑性加工的工艺润滑。 教学难点：塑性加工中摩擦的分类及机理，影响摩擦系数的因素和测定摩擦系数的方法。 教学方法：课堂教学为主，结合多媒体教学。 教学要求：重点掌握塑性加工中摩擦的分类及机理，摩擦系数及其影响因素，测定摩擦系数的方法和塑性加工的工艺润滑。 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，即，而有摩擦时，则呈现三向应力状态，即。为主变形力，为摩擦力引起的。若接触面间摩擦越大，则越大，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，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。 ??  ?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）。 ?  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。 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： ???? 或?? ?????????????????????（4. 1） 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????????????????????????????????????? （4. 2） 根据塑性条件，在轴对称情况下，k=0.5，在平面变形条件下，k=0.577。式中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 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。 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，这不但增加了真实接触面积，而且使分子吸附作用增强，从而使摩擦系数随压力增加而增加，但增加到一定程度后趋于稳定，如图4-6所示。 ? ? ? 4. 4. 4? 变形温度 变形温度对摩擦系数的影响很复杂。因为温度变化时，材料的温度、硬度及接触面上的氧化质的性能都会发生变化，可能产生两个相反的结果：一方面随着温度的增加，可加剧表面的氧化而增加摩擦系数；另一方面，随着温度的提高，被变形金属的强度降低，单位压力也降低，这又导致摩擦系数的减小，所以，变形温度是影响摩擦系数变化因素中，最积极、最活泼的一个，很难一概而论。此外还可出现其他情况，如温度升高，润滑效果可能发生变化；温度高达某值后，表面氧化物可能熔化而从固相变为液相，致使摩擦系数降低。但是，根据大量实验资料与生产实际观察，认为开始时摩擦系数随温度升高而增加，达到最大值以后又随温度升高而降低，如图4-7与图4-8所示。这是因为温度较低时，金属的硬度大，氧化膜薄，摩擦系数小。随着温度升高，金属硬度降低，氧化膜增厚，表面吸附力，原子扩散能力加强；同时，高温使润滑剂性能变坏，所以，摩擦系数增大。当温度继续升高，由于氧化质软化和脱落，氧化质在接触表面间起润滑剂的作用，摩擦系数反而减小。 ???????? ??????? ? ? ? ? ? ? 图4-7? 温度对钢的摩擦系数的影响??????????? 图4-8 温度对铜的摩擦系数的影响 4. 4. 5? 变形速度 许多实验结果表明，随着变形速度增加，摩擦系数下降，例如用粗磨锤头压缩硬铝试验提出：400℃静压缩：动压缩时；在450℃时相应为0.38及0.22。实验也测得，当轧制速度由0增加到5m/s时，摩擦系数降低一半。 变形速度增加引起摩擦系数下降的原因，与摩擦状态有关。在干摩擦时，变形速度增加，表面凹凸不平部分来不及相互咬合，表现出摩擦系数的下降。在边界润滑条件下，由于变形速度增加，油膜厚度增大，导致摩擦系数下降，如图4-9所示。但是，变形速度与变形温度密切相关，并影响润滑剂的曳入效果。因此，实际生产中，随着条件的不同，变形速度对摩擦系数的影响也很复杂。有时会得到相反的结果。 4. 4. 6? 润滑剂 压力加工中采用润滑剂能起到防粘减摩以及减少工模具磨损的作用，而不同润滑剂所起的效果不同。因此，正确选用润滑剂，可显著降低摩擦系数。常用金属及合金在不同加工条件下的摩擦系数可查有关加工手册（或实际测量）。 4. 5? 测定摩擦系数的方法 目前测定塑性加工中摩擦系数的方法中，大都是利用库仑定律，即求相应正应力下的摩擦力，然后求出摩擦系数。由于上述诸多因素的影响，加上接触面各处情况不一致，因此，只能确定平均值，下面对几种常用的方法作简要介绍。 4. 5. 1? 夹钳轧制法 这种方法的基本原理是利用纵轧时力的平衡条件来测定摩擦系数，此法如图4-10所示，实验时用钳子夹住板材的未轧入部分，钳子的另一端与测力仪相联，由该测力仪可测得轧辊打滑时的水平力T。  图4-10? 夹钳轧制法 ? 轧辊打滑时，板料试样在水平方向所受的力平衡条件，即： ?? ?????????????????????????（4. 4） ??????????????????????????? （4.5） 式中Pn可以由测定的轧辊垂直压力P求出， ?????????????????????????? （4. 6） 将（4. 6）式化简，则可写成： ?????????????????????????????? ?（4.7） 式中接触角可用几何关系算出 ? ???????????????????????????????????? （4.8） 由于P、T可测得，由式（4. 5）即求出摩擦系数，此法简单易做，也比较精确，可用来测定冷、热态下的摩擦系数。 4. 5. 2 ?楔形件压缩法 在倾斜的平锤头间塑压楔型试件，可根据试件变形情况以确定摩擦系数。 如图4-11所示，试件受塑压时，水平方向的尺寸要扩大。按照金属流动规律，接触表面金属质点要朝着流动阻力最小的方向流动，因此，在水平方向的中间，一定有一个金属质点朝两个方向流动的分界面——中立面，那么根据图示建立力的平衡方程时，可得出： ?????????????????????????? （4. 9） 设锤头倾角为，试件的宽度为b，平均单位压力为P，那么 ????????????????????????????? （4. 10） ???????????????????????????? （4. 11） ???????????????????????????? （4. 12） ???????????????????????????? （4. 13） 将这些数值代入（4. 9）式并化简后，得： ???????? ??????（4. 14） 当角很小时，?????  故????????????????? ????????????????????(4. 15) 由（4. 15）式得： ????????????????????????????? （4. 16） 当角已知，并在实验后能测出及的长度，即可按公式（4. 16）算出摩擦系数。 此法的实质可以认为与轧制过程及一般的平锤下镦粗相似，故可用来确定这两种过程中的摩擦系数。此法应用较方便，主要困难是在于较难准确的确定中立面的位置及精确的测定有关数据。 　 　 　 　 　 4. 5. 3? 圆环镦粗法 这是60年代提出的一种利用圆环镦粗时的变形来测定摩擦系数的方法。 该方法是把一定尺寸的圆环试样（如D∶d0∶H=20∶10∶7）放在平砧上镦粗。由于试样和砧面间接触摩擦系数的不同，圆环的内、外径在压缩过程中将有不同的变化。在任何摩擦情况下，外径总是增大的，而内径则随摩擦系数而变化，或增大或缩小。当摩擦系数很小时，变形后的圆环内外径都增大；当摩擦系数超过某一临界值时，在圆环中就会出现一个以Rn为半径的分流面。分流面以外的金属向外流动，分流面以内的金属向内流动。所以变形后的圆环其外径增大，内径缩小（图4-12）。  （a）?????????? ??????????????????????（b） 图4-12? 圆环镦粗时金属的流动 ? 用上限法或应力分析法可求出分流面半径Rn、摩擦系数和圆环尺寸的理论关系式。据此可绘制成如图4-13所示的理论校准曲线。欲测摩擦系数时，把试件做成图4-12所示的尺寸，在特定的条件下进行多次镦粗，每次应取很小的压下量，记下每次镦粗后圆环的高度H和内径d0，可利用图4-13理论校正曲线，查到欲测接触面间的摩擦系数。 此法较简单，不需测定压力，也不需制备许多压头和试件，即可测得摩擦系数。一般用于测定各种温度、速度条件下的摩擦系数，是目前较广泛应用的方法。但由于圆环试件在镦粗时会出现鼓形。环孔出现椭圆形等，引起测量上的误差，影响结果的精确性。 ? 4. 5. 4? 塑性加工常用摩擦系数 以下介绍在不同塑性加工条件下摩擦系数的一些数据，可供使用时参考。 （1）热锻时的摩擦系数，见表4-2。 （2）磷化处理后冷锻时的摩擦系数，见表4-3。 （3）拉深时的摩擦系数，见表4-4。 （4）热挤压时的摩擦系数? 钢热挤压（玻璃润滑）时，，其他金属热挤压摩擦系数，见表4-5。 ? 4. 6? 塑性加工的工艺润滑 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。