第4章 金属塑性加工的摩擦与润滑汇总

第4章金属塑性加工的摩擦与润滑

§4. 1 概述

塑性加工中绝大多数工序是在工具与变形金属相接触的条件下进行的，这时金属沿工具表面滑动，工具必然要产生阻止金属流动的摩擦力，即两个物体界面间的切向阻力。这种发生在金属和工具相接触表面之间的，阻碍金属自由流动的摩擦，称外摩擦。如轧制时，轧件与轧辊间的摩擦；锻造时，锻件与锻模间的摩擦等等。由于摩擦的作用，工（模）具产生磨损，工件表面被划伤，这既缩短了工具寿命，又影响产品表面质量；另一方面，摩擦的存在，使金属变形力、能增加，并引起金属变形不均，严重时使产品出现裂纹，影响生产的正常进行。因此，在金属塑性加工中，必须在工模具与坯料之间加入润滑物质，以减少摩擦，防止粘结，这就是润滑。

润滑和塑性变形有着密切关系，润滑技术的开发能促进金属塑性加工的发展。随着新材料新工艺的出现，必将要求人们解决新的润滑问题，以适应塑性加工技术的不断进步。

§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

塑性成形中的外摩擦，大多数情况是有害的，应设法减小，但在某些情况下，外摩擦有利于加工过程。

外摩擦对金属加工过程的不利影响：

（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s σσ=3，而有摩擦时，则呈现三向应力状态，即

13σβσσ+=s 。3σ为主变形力，1σ为摩擦力引起的。若接触面间摩擦越大，则1σ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。

塑性加工中摩擦有效性的利用：

前面叙述了摩擦对加工成形过程带来的一些有害影响。然而在实际生产中，摩擦也可直接加以利用，并设法变害为利，这就是生产中有效利用外摩擦的问题。例如，用增大摩擦的方法改变咬入条件，强化轧制过程；在冲压生产中增大冲头与板片间的摩擦，可以强化生产工艺，减少由于起皱和撕裂等造成的废品；开式模锻时可利用飞边阻力来保证金属充满模膛，类似例子在实际生产中是很多的。

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/mm 2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。

σ2

图4-1 塑压时摩擦力对应力及变形分布的影响

σ3

σ1 σ2 σ3 σy σ3 σ2 σ1 Ⅰ

Ⅱ Ⅲ Ⅲ

§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。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，两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的摩擦称为流体摩擦。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，所以流体摩擦只发生在有限情况下。

图4-2 Conform 连续挤压原理图 图4-3 工具与工件界面的示意图

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）。

图4-4 接触面的放大模型图

S —粘着部分 b —边界摩擦部分 L —流体润滑部分

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

挤压轮

堵头

挤压模

挤压制品

挤压靴

槽封块

压轮

坯杆

被工具弄平的

区域（接触比R ）

半微观润滑池 粘性液体润滑

工具T τ 工件

被粘着层

刨着的面积

粘着

由于工具表面的

不平而刨着的面积

V m

边界润滑膜

润滑剂 b

b

模具

P

润滑剂

b

b τ

材料

S

L b τ

L

氧化膜

b τ