材料成形摩擦學(xué)

1、6. 材料成形過程的潤滑材料成形過程的潤滑 概述 （1）潤滑的目的）潤滑的目的 潤滑劑形成的膜將彼此作相對運動的表面隔開潤滑劑形成的膜將彼此作相對運動的表面隔開,降低降低 剪切阻力，減少表面任何損傷。在金屬塑性成形中主剪切阻力，減少表面任何損傷。在金屬塑性成形中主 要提高工具的壽命，節(jié)省能源，保證產(chǎn)品的質(zhì)量。要提高工具的壽命，節(jié)省能源，保證產(chǎn)品的質(zhì)量。 （2）潤滑方式）潤滑方式 根據(jù)潤滑根據(jù)潤滑膜的厚度膜的厚度、二物體接觸表面、二物體接觸表面合成粗糙度合成粗糙度的的 高度（界面高度）分布，可分為不同的潤滑方式高度（界面高度）分布，可分為不同的潤滑方式. 現(xiàn)在普遍認為現(xiàn)在普遍認為19901992

2、年年 提出的提出的 Stribeek曲線代曲線代 表表了有潤滑劑了有潤滑劑粘度粘度、速度速度V、載荷、載荷F為函數(shù)的有潤滑為函數(shù)的有潤滑 運動表面的通用特性曲線。運動表面的通用特性曲線。 根據(jù)表面幾何根據(jù)表面幾何形貌、材料、運轉(zhuǎn)條件及表面分離距形貌、材料、運轉(zhuǎn)條件及表面分離距 離離h，可分三種主要潤滑狀態(tài)，如圖所示。，可分三種主要潤滑狀態(tài)，如圖所示。 三種潤滑方式三種潤滑方式 1.流體動壓潤滑流體動壓潤滑; .混合潤滑混合潤滑; .邊界潤滑邊界潤滑 流體潤滑流體潤滑 在適當(dāng)?shù)臈l件下，工具與工件表面間可由一定在適當(dāng)?shù)臈l件下，工具與工件表面間可由一定 厚度厚度(一般在一般在1.52 mm以上以上)

3、的潤滑油膜隔開，的潤滑油膜隔開， 依靠潤滑油的壓力來平衡外載荷依靠潤滑油的壓力來平衡外載荷，在潤滑油膜，在潤滑油膜 中的分子大部分不受金屬表面力場的作用，而中的分子大部分不受金屬表面力場的作用，而 可以自由地移動，這種狀態(tài)稱為可以自由地移動，這種狀態(tài)稱為流體潤滑流體潤滑。在。在 此種情況下，摩擦系數(shù)很小，通常為此種情況下，摩擦系數(shù)很小，通常為 0.001 0.008，依據(jù)流體潤滑油，依據(jù)流體潤滑油膜壓力形成的方式不同膜壓力形成的方式不同， 可將流體潤滑，可分二類：可將流體潤滑，可分二類： 流體動壓潤滑流體動壓潤滑 流體靜壓潤滑流體靜壓潤滑 流體動壓潤滑理論流體動壓潤滑理論 流體在外力作用下流動

4、時，由于本身分子流體在外力作用下流動時，由于本身分子 之間的之間的內(nèi)聚力內(nèi)聚力以及流體與固體壁面之間的以及流體與固體壁面之間的附著附著 力力，使，使各流層之間產(chǎn)生速度上的差異各流層之間產(chǎn)生速度上的差異，各流層，各流層 之間由于相對運動而產(chǎn)生的摩擦力稱為之間由于相對運動而產(chǎn)生的摩擦力稱為內(nèi)摩擦內(nèi)摩擦 力力。流體流動時產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的這種性質(zhì)，叫。流體流動時產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的這種性質(zhì)，叫 做流體的做流體的粘性粘性。只有在。只有在 流體流動時才會呈現(xiàn)粘流體流動時才會呈現(xiàn)粘 性，靜止不動的流體不性，靜止不動的流體不 呈現(xiàn)粘性呈現(xiàn)粘性 牛頓流體內(nèi)摩擦定律牛頓流體內(nèi)摩擦定律 根據(jù)牛頓的實驗，流體層間的根據(jù)牛頓的

5、實驗，流體層間的內(nèi)摩擦力內(nèi)摩擦力F與層間與層間厚度厚度dz 成反比成反比，同層間，同層間接觸面積接觸面積A和和相對運動速度相對運動速度dV成正成正 比比，即：，即： FAdv/dz F/A=dv/dz 式中式中 流層間的剪應(yīng)力；流層間的剪應(yīng)力； dv/dz流速梯度；流速梯度； 比例常數(shù)，表征流體粘性的大小，稱為粘度。比例常數(shù)，表征流體粘性的大小，稱為粘度。 此式稱為牛頓流體內(nèi)摩擦定律，也就是此式稱為牛頓流體內(nèi)摩擦定律，也就是流體摩擦定律流體摩擦定律 液體摩擦定律與固體摩擦定率的不同點液體摩擦定律與固體摩擦定率的不同點 流體的流體的內(nèi)摩擦內(nèi)摩擦正比于流層間的相對正比于流層間的相對速度速度， 并隨

6、液體的并隨液體的粘度粘度而改變，但而改變，但與正壓力無與正壓力無 關(guān)關(guān)。這與固體的摩擦定率很不同，。這與固體的摩擦定率很不同，在固在固 體摩擦體摩擦 (或干摩擦或干摩擦) 時，摩擦力與正壓力時，摩擦力與正壓力 成正比成正比，而與運動的相對，而與運動的相對速度關(guān)系不大速度關(guān)系不大。 應(yīng)指出，符合上述線性速度分布的流體，應(yīng)指出，符合上述線性速度分布的流體， 粘度不為粘度不為0，稱為，稱為牛頓流體牛頓流體。顯然，上述。顯然，上述 的液體摩擦定律只適合于牛頓流體。的液體摩擦定律只適合于牛頓流體。 流體動壓潤滑理論的基本方程流體動壓潤滑理論的基本方程-雷諾方程雷諾方程 流體動壓潤滑是借助于粘性流體的動力

7、學(xué)作用，由摩流體動壓潤滑是借助于粘性流體的動力學(xué)作用，由摩 擦擦表面的幾何形狀表面的幾何形狀以及以及相對運動相對運動產(chǎn)生產(chǎn)生潤滑油膜壓力潤滑油膜壓力。雷。雷 諾方程作為流體動壓潤滑理論的基本方程，諾方程作為流體動壓潤滑理論的基本方程，它是壓力分它是壓力分 布的微分方程布的微分方程,考慮了固體表面的考慮了固體表面的速度速度及及潤滑膜的形狀潤滑膜的形狀而而 建立的建立的 ,從雷諾方程中，可得到流體動壓潤滑過程的實際從雷諾方程中，可得到流體動壓潤滑過程的實際 圖象、圖象、承載能力承載能力及及摩擦阻力摩擦阻力的基本摩擦學(xué)關(guān)系式的基本摩擦學(xué)關(guān)系式,所以下所以下 面對雷諾方程進行討論。假設(shè)條件面對雷諾方程

8、進行討論。假設(shè)條件: 1)流體是牛頓流體流體是牛頓流體 2)流體是層流流體是層流 3)流體粘附在摩擦面上流體粘附在摩擦面上 4)流體的慣性可忽略不計流體的慣性可忽略不計 5)流體重量可忽略不計流體重量可忽略不計 6)體積力略去不計體積力略去不計 7) 沿流體膜厚度方向，流體的壓力為常數(shù)沿流體膜厚度方向，流體的壓力為常數(shù)。 雷諾方程 意義：表達了流體動壓潤滑情況下，意義：表達了流體動壓潤滑情況下，油膜壓力油膜壓力x,Z兩個兩個 方向方向上發(fā)生上發(fā)生變化變化以及以及流體流體沿沿x,y,z方向發(fā)生變化時，方向發(fā)生變化時，壓力壓力 梯度梯度、流速流速、油膜厚度、潤滑油粘度等參數(shù)之間的關(guān)系油膜厚度、潤滑

9、油粘度等參數(shù)之間的關(guān)系 以圖為例說明產(chǎn)生油膜壓力的原因 油楔效應(yīng)油楔效應(yīng) 由流體膜形狀由流體膜形狀 與表面相對速度與表面相對速度(V1-V2)引起的，引起的， 它的壓力大；它的壓力大； 表面伸縮效應(yīng)表面伸縮效應(yīng) 要求要求x方向速度之和隨方向速度之和隨x方向位置而變化，它方向位置而變化，它 所產(chǎn)生的壓力極小，可不計；所產(chǎn)生的壓力極小，可不計； 擠壓效應(yīng)擠壓效應(yīng) 由垂直于流體的相對運動引起的，油膜厚度不隨由垂直于流體的相對運動引起的，油膜厚度不隨 時間變化時，所產(chǎn)生的效應(yīng)可不計。時間變化時，所產(chǎn)生的效應(yīng)可不計。 一維雷諾方程 在軋制和拉拔變形過程中，由于摩擦表面具有逐漸在軋制和拉拔變形過程中，由于

10、摩擦表面具有逐漸 收斂的楔形間隙及較大的相對運動速度差，因而產(chǎn)生收斂的楔形間隙及較大的相對運動速度差，因而產(chǎn)生 較強烈的較強烈的油楔效應(yīng)油楔效應(yīng)，并出現(xiàn)流體動壓潤滑狀態(tài)的可能，并出現(xiàn)流體動壓潤滑狀態(tài)的可能 性較大。但是，由于影響流體潤滑狀態(tài)形成的因素很性較大。但是，由于影響流體潤滑狀態(tài)形成的因素很 多，也較繁雜，以致多，也較繁雜，以致金屬加工成形過程中較難出現(xiàn)完金屬加工成形過程中較難出現(xiàn)完 全的流體動壓潤滑狀態(tài)全的流體動壓潤滑狀態(tài)。三維雷諾方程的應(yīng)用非常煩三維雷諾方程的應(yīng)用非常煩 瑣，需作些簡化，瑣，需作些簡化，形成一維雷諾方程形成一維雷諾方程。 假設(shè)假設(shè)y向尺寸為無限寬，油液沿此方向無運動，

11、無向尺寸為無限寬，油液沿此方向無運動，無 傾向運動傾向運動qy=0，也就是壓強沿，也就是壓強沿y方向上保持常量，即方向上保持常量，即 流體動壓強制潤滑 應(yīng)用流體動壓潤滑理 論，增強拉拔時的潤 滑效果在拉拔膜入口 處加管，增強油膜的 壓力，或者在兩模間 加高壓油 流體靜壓潤滑理論 在機械中有一種液體在機械中有一種液體靜壓軸靜壓軸 承承是用高壓將潤滑油送入軸承間是用高壓將潤滑油送入軸承間 隙內(nèi)，保持一層較厚的潤滑油膜。隙內(nèi)，保持一層較厚的潤滑油膜。 壓力是由外加靜壓產(chǎn)生壓力是由外加靜壓產(chǎn)生的，故這的，故這 種潤滑稱為流體靜壓潤滑種潤滑稱為流體靜壓潤滑。 在金屬材料成形中的在金屬材料成形中的靜液擠壓

12、靜液擠壓 是屬于利用液體靜壓作用而實現(xiàn)是屬于利用液體靜壓作用而實現(xiàn) 的，的，靜壓力是由外界加于靜壓力是由外界加于的，如的，如 圖。一是使金屬變形，另一方面圖。一是使金屬變形，另一方面 在工具與坯料之間形成較厚的油在工具與坯料之間形成較厚的油 膜起到潤滑作用膜起到潤滑作用 潤滑潤滑“小池小池”的產(chǎn)生的產(chǎn)生 一般情況下，在工具與變形金屬的接觸界面上，通常一般情況下，在工具與變形金屬的接觸界面上，通常 出現(xiàn)混合潤滑狀態(tài)，即一部分為出現(xiàn)混合潤滑狀態(tài)，即一部分為邊界潤滑區(qū)邊界潤滑區(qū)、一部分一部分 為潤滑為潤滑“小池小池”區(qū)區(qū)，如圖所示。，如圖所示。 在金屬材料成形過程中，應(yīng)盡量減少在金屬材料成形過程中，

13、應(yīng)盡量減少“潤滑小池潤滑小池” 的產(chǎn)生，否則變形金屬的的產(chǎn)生，否則變形金屬的表面表面會變得更加會變得更加粗糙粗糙，為了，為了 獲得獲得光滑的表面光滑的表面就要使用就要使用粘度較小粘度較小的或者的或者潤滑膜薄潤滑膜薄的的 潤滑劑潤滑劑。 邊界潤滑機理邊界潤滑機理 物理吸附膜與金屬表面的作用物理吸附膜與金屬表面的作用 物理吸附膜又有極性分子的與非極性分子的物理吸物理吸附膜又有極性分子的與非極性分子的物理吸 附膜附膜: 1) 非極性分子物理吸附膜非極性分子物理吸附膜 一般一般礦物油礦物油(機油機油.錠子油錠子油.氣缸油等氣缸油等)為為非極性非極性的烴類的烴類 有機化合物有機化合物(通式通式為為CnH

14、2n+2),當(dāng)它們與金屬表面接觸時，當(dāng)它們與金屬表面接觸時， 由于本身沒有永久偶極由于本身沒有永久偶極,只在分子內(nèi)部由于電子和原子只在分子內(nèi)部由于電子和原子 核的不對稱運動而出現(xiàn)核的不對稱運動而出現(xiàn)瞬時偶極瞬時偶極，靠瞬時偶極產(chǎn)生的，靠瞬時偶極產(chǎn)生的 色散力色散力,使礦物油的分子吸附在金屬的表面，使礦物油的分子吸附在金屬的表面，構(gòu)成非極構(gòu)成非極 性分子邊界潤滑膜。性分子邊界潤滑膜。由于金屬對潤滑油本身的內(nèi)聚力由于金屬對潤滑油本身的內(nèi)聚力 都很弱。圖為非極性分子在金屬表面的物理吸附的示都很弱。圖為非極性分子在金屬表面的物理吸附的示 意圖，意圖，16烷烷C16H34雖然粘度很高，但邊界潤滑能雖然粘

15、度很高，但邊界潤滑能 力很差力很差。 非極性分子在金屬表面的物理吸附的示意非極性分子在金屬表面的物理吸附的示意 圖，圖，16烷烷C16H34 極性分子物理吸附膜 脂肪酸、脂肪酸皂、動植物油以及高級醇類等屬極脂肪酸、脂肪酸皂、動植物油以及高級醇類等屬極 性化合物，這類物質(zhì)的分子內(nèi)部，性化合物，這類物質(zhì)的分子內(nèi)部，一端為非極性的烴基一端為非極性的烴基 R，另一端為極性基團另一端為極性基團COOH、OH， 其通式如表其通式如表61所示。當(dāng)極性分子與非極性分子靠近時所示。當(dāng)極性分子與非極性分子靠近時 除有除有色散力與誘導(dǎo)力色散力與誘導(dǎo)力。同時，誘導(dǎo)偶極又作用于極性分。同時，誘導(dǎo)偶極又作用于極性分 子，

16、使其偶極矩增大，從而進一步加強了它們間的吸引。子，使其偶極矩增大，從而進一步加強了它們間的吸引。 當(dāng)具有當(dāng)具有永久偶極的分子與金屬表面接觸時永久偶極的分子與金屬表面接觸時，永久偶極帶，永久偶極帶 負電的一端吸引金屬原子的原子核而排除其電子負電的一端吸引金屬原子的原子核而排除其電子，使金，使金 屬原子的正負電荷中心不重合，從而產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極，永屬原子的正負電荷中心不重合，從而產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極，永 久偶極和誘導(dǎo)偶極互相吸引，于是極性分子的極性端與久偶極和誘導(dǎo)偶極互相吸引，于是極性分子的極性端與 金屬表面吸附，非極性端朝外，定向地排列在金屬表面，金屬表面吸附，非極性端朝外，定向地排列在金屬表面， 形成極性

17、分子物理吸附膜。形成極性分子物理吸附膜。 極性化合物（潤滑劑）的通式 極性分子在金屬表面吸附層的結(jié)構(gòu) a金屬表面；金屬表面； c.e極性表面極性表面 b.d.f滑動面滑動面 0-代表分子的代表分子的 極性極性 極性分子在金屬表面上的物理吸附極性分子在金屬表面上的物理吸附 以以16醇醇C16H33OH為為 例說明極性分子在金屬例說明極性分子在金屬 表面的物理吸附膜，如表面的物理吸附膜，如 圖所示。圖所示。由于極性基團由于極性基團 存在，分子間內(nèi)聚力的存在，分子間內(nèi)聚力的 增強增強，以及實際變形金，以及實際變形金 屬的屬的高表面活性高表面活性，使這，使這 種物理吸附膜的強度較種物理吸附膜的強度較

18、低，高溫下將發(fā)生破裂，低，高溫下將發(fā)生破裂， 因此物理吸附形成的邊因此物理吸附形成的邊 界潤滑膜，只適用于界潤滑膜，只適用于常常 溫、低速、輕載條件下溫、低速、輕載條件下 所工藝潤滑所工藝潤滑。 化學(xué)吸附與金屬表面的作用化學(xué)吸附與金屬表面的作用 極性分子與金屬表面除能發(fā)生物極性分子與金屬表面除能發(fā)生物 理吸附外，在一定的條件下還可理吸附外，在一定的條件下還可 通過化學(xué)作用，發(fā)生通過化學(xué)作用，發(fā)生化學(xué)吸附化學(xué)吸附。 當(dāng)金屬表面有一層當(dāng)金屬表面有一層氧化薄膜氧化薄膜、并、并 與脂肪酸等起與脂肪酸等起化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)，生成，生成脂脂 肪酸鹽肪酸鹽而比較牢固的吸引在金屬而比較牢固的吸引在金屬 的表面時

19、，可以起到邊界潤滑作的表面時，可以起到邊界潤滑作 用。反應(yīng)式：用。反應(yīng)式： 2RCOOH+MeO=(RCOO)2Me+ H2O 脂肪酸鹽的熔點較原脂肪酸高脂肪酸鹽的熔點較原脂肪酸高 , 耐熱性好耐熱性好,不易破裂不易破裂。 圖表示圖表示硬脂酸硬脂酸C17H35COOH 在鋼坯表面化學(xué)吸附形成的單分在鋼坯表面化學(xué)吸附形成的單分 子層子層硬脂酸鐵皂膜硬脂酸鐵皂膜 化學(xué)反應(yīng)膜與金屬表面的作用化學(xué)反應(yīng)膜與金屬表面的作用 在在潤滑油中加入潤滑油中加入某些某些極壓添加極壓添加 劑劑，如氯化石蠟、硫化棉籽油，如氯化石蠟、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元素的添加劑在

20、一定的溫元素的添加劑在一定的溫 度下易產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)形成化學(xué)度下易產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)形成化學(xué) 反應(yīng)膜。反應(yīng)膜。 例如，硫與鐵反應(yīng)生成硫化鐵例如，硫與鐵反應(yīng)生成硫化鐵 無機鹽膜，如圖所示，其形成無機鹽膜，如圖所示，其形成 溫度為溫度為175200。此時，從。此時，從 添加劑中析出活性硫原子，通添加劑中析出活性硫原子，通 過鐵失去電子，硫得到電子的過鐵失去電子，硫得到電子的 反應(yīng)而形成硫化鐵，即：反應(yīng)而形成硫化鐵，即： S 2eS2- FeS Fe-2eFe2+ 邊界潤滑膜在不同溫度下的摩擦系數(shù)邊界潤滑膜在不同溫度下的摩擦系數(shù) 曲線曲線非極性基礎(chǔ)油非極性基礎(chǔ)油 （礦物油）（礦物油） 曲線曲線在基礎(chǔ)油中加在

21、基礎(chǔ)油中加 入入脂肪酸添加劑脂肪酸添加劑（油性油性 劑劑） 曲線曲線在基礎(chǔ)油中加在基礎(chǔ)油中加 入入極壓添加劑極壓添加劑如氯化物、如氯化物、 磷化物、氯化物等磷化物、氯化物等 曲線曲線若在基礎(chǔ)油中若在基礎(chǔ)油中 同時加入同時加入油性添加劑和油性添加劑和 極壓添加劑極壓添加劑 邊界潤滑的機理邊界潤滑的機理 當(dāng)金屬表面上形成當(dāng)金屬表面上形成幾個分子厚幾個分子厚 的邊界吸附膜時的邊界吸附膜時，由于極性分，由于極性分 子的極性基團與金屬表面的牢子的極性基團與金屬表面的牢 固吸附，接觸表面產(chǎn)生相對滑固吸附，接觸表面產(chǎn)生相對滑 動，將在動，將在邊界膜內(nèi)進行邊界膜內(nèi)進行 a 極性分子的極性端與金屬表面極性分子的

22、極性端與金屬表面 c、e 極性分子的極性端結(jié)合的牢固極性分子的極性端結(jié)合的牢固 b、d、f-非極性端結(jié)合的弱，易形非極性端結(jié)合的弱，易形 成滑移面成滑移面 a b c d e 潤滑極限潤滑極限 潤滑極限是潤滑失效的臨界值，即潤滑可能潤滑極限是潤滑失效的臨界值，即潤滑可能 出現(xiàn)的出現(xiàn)的“極限極限”狀態(tài)。狀態(tài)。 由由Stribeck曲線可知，曲線向左端和向右端有曲線可知，曲線向左端和向右端有 兩種潤滑極限狀態(tài)：兩種潤滑極限狀態(tài)： 1)向右端向右端 隨著速度的增加隨著速度的增加,流體的層流狀態(tài)流體的層流狀態(tài) 可能轉(zhuǎn)變?yōu)榭赡苻D(zhuǎn)變?yōu)槲闪鳡顟B(tài)紊流狀態(tài)。 2)向左端向左端 隨著速度的降低隨著速度的降低,各種非流體動壓各種非流體動壓 潤滑狀態(tài)運轉(zhuǎn)潤滑狀態(tài)運轉(zhuǎn),潤滑劑膜最終將會破壞潤滑劑膜最終將會破壞,并導(dǎo)并導(dǎo) 致致“膠合膠合”或或“咬死咬死”形式的嚴重失效。形式的嚴重失效。 油膜厚度的測定與計算油膜厚度的測定與計算 油膜厚度測定法：油膜厚度測定法： 稱重法稱重法 油滴法油滴法 計算法計算法 以軋制為例，軋制時流體動以軋制為例，軋制時流體