金屬板料沖壓加工中的摩擦與潤滑研究

1、金屬板料沖壓加工中的摩擦與潤滑研究摘要討論了金屬板料與模具接觸表面上的“邊界摩擦”狀態(tài)，提出了應根據(jù)不同的材質、變形方式及程度等采用不同的潤滑劑配方，并闡述了潤滑劑各主要組分在沖壓加工中的作用。研究了廣泛應用于板料加工中的濕膜潤滑劑的成膜原理。介紹了自制的分別應用于不銹鋼薄板深、淺拉深成形的兩種水基潤滑劑。關鍵詞： 金屬板料沖壓加工邊界摩擦不銹鋼薄板拉深水基潤滑劑Study on Friction and Lubrication in Sheet Metal Forming ProcessesABSTRACTThe boundary friction status on the interfa

2、ce of sheet metal and die surface was discussed. The different lubricant recipes are used for different materials, deformation modes and deformation degrees. The main effect of commonly used lubricants on the sheet metal forming is given. The filming principles of the wet film lubricants widely used

3、 in sheet metal forming are studied. This paper also gives two kinds of water_based lubricants widely used in deep and shallow drawing processes of stainless steel sheet metals.Keywords: Sheet metalMetal formingBoundary frictionStainless steel sheet metal drawingWater_Based lubricant以最低的成本制造高質量的金屬板料

4、沖壓件，必須采用合理的工藝方案、先進的成形設備和模具結構。同時在沖壓成形中必要的潤滑措施也是提高產品質量、延長模具壽命、獲取經濟效益的一個重要方面。迄今為止，已對各種工藝方案、設備、模具等方面進行了大量的研究工作并取得了可喜的成果；然而對金屬板料在沖壓加工中的摩擦機理及潤滑劑組分的研究工作還沒有給予足夠的重視，從而制約了生產的發(fā)展。在塑性變形過程中，金屬板料與模具表面之間的摩擦，既不同于物理學中廣泛采用的干摩擦，即庫侖摩擦機理，又不同于機械傳動中的流體摩擦，而是通常處于二者之間的“邊界摩擦”狀態(tài)。這種摩擦狀態(tài)與板料及模具的材質、表面粗糙度、接觸應力、變形溫度、變形程度、所用潤滑劑的組分等諸多因

5、素有關，是一種很復雜的非均勻分布的摩擦狀態(tài)。近年來興起的計算機仿真模擬金屬塑性成形過程新技術，其邊界條件的假設，即板料與模具表面的摩擦狀態(tài)是影響模擬結果的一個重要因素，因而研究接觸面上的摩擦機理對提高模擬的仿真度也有很大意義。1板料成形中的“邊界摩擦”理論在工具顯微鏡下觀察，板料與模具表面是凸凹不平的，故模具與板料表面的接觸面積應分為名義、輪廓和實際接觸面積。名義接觸面積指的是接觸面外邊界所包圍的面積，即沖壓工藝計算中通常所采用的面積；輪廓接觸面積指的是波紋凸起受壓形成的斑點的面積，實際的接觸點就分布在這些斑點內；實際接觸面積指的是這些實際接觸點的面積之和。顯然，實際接觸面積比名義接觸面積、輪

6、廓接觸面積要小得多。在一般的機械零件相接觸時，輪廓接觸面積約為名義接觸面積的5%15%，而實際接觸面積只為名義接觸面積的0.01%0.1%1。在板料的沖壓加工過程中，由于接觸應力大(如拉深工藝中壓邊力約為2530 MPa)，實際接觸面積比例肯定要大得多，但究竟能占多大比例，目前尚未見到這方面的研究報道。因實際接觸面積小，故實際接觸面積上的壓應力遠大于按名義接觸面積所計算出的數(shù)值。在板料的拉深變形過程中，實際接觸面積上的壓應力可高達5002 500 MPa1。該點所受的高壓力，加上因板料的塑性變形產生的高溫(如奧氏體不銹鋼板拉深時局部溫度可達400 )，使該點處的金屬將會產生電子擴散及原子結合，

7、使板料與模具在該點產生所謂的“冷焊”現(xiàn)象。當板料與模具表面產生冷焊后再次滑動時，冷焊結合點處強度較低的板料顆粒將被撕離母體，部分顆粒就留在強度較高的模具表面上，形成“粘接瘤”。因此，金屬塑性成形的過程實際上就是一個不斷“粘接撕裂”的過程，此類摩擦稱為“犁溝摩擦”。模具表面上形成的“粘接瘤”將會劃傷工件表面，加大摩擦，加劇模具磨損，降低模具的使用壽命和工件的表面質量。在板料的沖壓加工中，通常在板料或模具表面上涂覆各種潤滑劑，以隔離板料和模具，同時對模具起到一定的冷卻作用。但在凸起處由于接觸壓力大，潤滑劑膜易被擠出而遭到破壞，導致金屬直接接觸。同時，在板料的塑性變形過程中，新生金屬表面也處于直接的

8、接觸狀態(tài)。故理想的潤滑劑應有一定的粘度，對金屬表面有較強的吸附性，同時又能迅速地匯集到新生表面處進行潤滑保護。板料成形中實際接觸面積的大小取決于垂直壓力、變形金屬的材質以及變形程度的大小，亦取決于所采用的潤滑劑的組分及各組分的比例。2常用潤滑劑及其分類根據(jù)上述板料沖壓加工中的摩擦特點，對所用潤滑劑的要求是：(1)在接觸壓應力比較大的狀態(tài)下，潤滑劑膜不被破壞，不被擠出，從而能有效地將板料與模具表面分開，使滑動主要在潤滑劑膜內進行；(2)對于有較多新生金屬面的變形工藝，潤滑劑應能及時滲入，以保護新生金屬面；(3)對于變形程度大、熱量不易散失的材料，潤滑劑應對模具和板料起到冷卻、降溫的作用，如水基潤

9、滑劑；(4)潤滑劑不污染、腐蝕板料及模具，對人無毒害作用；(5)潤滑劑材料來源廣，價格便宜；(6)潤滑劑應易于涂覆和清洗，操作方便。當然，對于上述要求通常難以全部滿足，實際應用時只能抓主要矛盾，如對于變形程度大的拉深件，應重點考慮潤滑劑的粘附性而不考慮其是否涂覆和清洗方便；而對于變形程度小的工件則主要考慮便于涂覆和清洗。目前，在板料的沖壓加工中，常用潤滑劑主要可分為兩大類型：(1)干膜潤滑劑。主要有清漆、石蠟、金屬皂粉、高分子聚合物、塑料薄膜以及各種金屬鍍層等。(2)濕膜潤滑劑。分為水基潤滑劑和油基潤滑劑兩類。主要以水和各種油為基液，再添加各種活性劑、消泡劑、防銹劑、極壓劑以及機械隔離劑等組分

10、。干膜潤滑劑能很好地起到隔離原金屬表面的作用，但涂覆和成形后的去除很困難。同時該潤滑劑不能冷卻板料和模具，故其應用受到一定的限制。濕膜潤滑劑在板料成形中應用最為廣泛。一般來講油基潤滑劑粘度大，在高壓下油膜不易被擠出，潤滑性能良好，但對模具及板料的冷卻、降溫效果差，且成本較高，除油清洗也較為困難。而水基潤滑劑性能則與之相反。正如水基潤滑劑不能只用水一樣，油基潤滑劑也是以某種動物油或植物油、礦物油為基體，根據(jù)具體的應用場合，再添加一些必要的化學成分，才能獲得最佳的潤滑效果。目前國內的不少生產廠家只是使用一種潤滑油(如機油、蓖麻油、錠子油、豬油等)組織生產，雖然也生產出了合格產品，但由于模具的使用壽

11、命低，板料的一次成形能力差，制品的質量不好，潤滑劑成本高，涂覆清洗困難，增加了制品的生產成本。因為濕膜潤滑劑使用廣泛，故本文重點介紹濕膜潤滑劑的成膜潤滑原理及其潤滑特性。3濕膜潤滑劑的成膜原理潤滑劑涂覆在金屬表面上形成極薄的潤滑劑膜，通常有物理吸附和化學吸附兩種吸附作用。物理吸附是指潤滑劑中的某些組分與金屬材料中的原子相互吸引而產生的吸附現(xiàn)象。物理吸附又分為非極性分子吸附和極性分子吸附。一般的礦物油，如機油、錠子油、汽缸油等，均為非極性的烴類有機化合物(CnH2n+1)，當它們與金屬表面接觸時，由于本身沒有永久偶極，只是依靠分子內部電子與原子核發(fā)生不對稱運動而產生的瞬時偶性與金屬原子相吸引，從

12、而粘附到金屬表面上形成潤滑油膜，如圖1(a)所示。這種吸附膜對金屬表面的吸附力及其本身分子間內聚力都很弱，故膜的強度很低，潤滑性能差。在金屬板料成形工藝中使用的另一類潤滑劑，如脂肪酸、脂肪酸鈉皂、醇類(R-O-H)等，是含有氧元素的極性有機化合物。在它們內部，一端為非極性的烴基，另一端則為極性基。這種具有永久偶極的分子與金屬表面接觸時，永久偶極帶負電一端與金屬原子相吸引，而排斥其電子，從而使金屬原子正負電荷中心不重合而形成誘導偶極。永久偶極與誘導偶極相互吸引，從而使極性有機化合物分子的極性端與金屬表面相吸引，而使非極性端向外排列在金屬表面上，如圖1(b)所示。這種物理吸附膜的強度和潤滑性能大大

13、高于非極性分子的物理吸附膜。(a)非極性吸附膜(b)極性吸附膜圖1物理吸附膜示意圖Fig.1Schematic diagram of physical adhesive sorption film極性化合物在一定的條件下還可以與金屬發(fā)生化學反應，出現(xiàn)化學吸附。在化學吸附過程中，將產生電子的轉移、原子的重新排列、化學鍵破壞與重新形成等現(xiàn)象?；瘜W吸附有明顯的選擇性，即某種極性物質只對某些金屬產生化學吸附作用。物理吸附一般沒有選擇性?；瘜W吸附與在金屬表面上發(fā)生的化學反應類似，只是此類吸附的作用力是化學鍵，故只能是單分子吸附。試驗表明，當金屬表面上存有氧化膜，此氧化膜能與脂肪酸等極性物質起反應生成脂肪

14、酸皂等物質時，潤滑膜與金屬表面接合牢固，并能產生良好的潤滑效果。脂肪酸與金屬氧化物的化學反應代表式為：2RCOOH+MeO=(RCOO)2Me+H2O (1)由于脂肪酸皂(鹽)，即上式中的(RCOO)2Me的熔點高于原脂肪酸，故其解析溫度高，即該潤滑劑膜耐熱性好。圖2所示為硬脂肪酸(C17H35COOH)在鐵表面上產生化學吸附形成的單分子層硬脂酸鐵皂膜。這種潤滑劑膜在金屬表面上附著力大，加之化學反應不可逆，從而使邊界潤滑能力大為提高。圖2鐵表面上的單分子硬脂酸鐵皂膜Fig.2Mono_molecular resinate iron soap film on the iron surface由于

15、化學吸附具有明顯的選擇性，故應根據(jù)板料的材質、變形條件選擇適當?shù)奶砑觿┎拍塬@得令人滿意的化學吸附潤滑劑膜。在成形過程中接觸壓力大到一定程度后，上述的物理及化學吸附膜都可能遭到破壞。這時在潤滑劑中應添加極壓劑組分。極壓劑的作用是高壓和高溫狀態(tài)下在金屬表面上形成一層薄的化合物保護膜，此膜多設計為多孔的化合物。此膜可以起到保護金屬表面、降低摩擦系數(shù)的作用，同時還能利用多孔結構吸附潤滑劑。此膜雖然薄但比化學吸附膜要厚得多，而且穩(wěn)定得多，類似于涂覆在金屬表面上的一層干膜潤滑劑?；瑒幽Σ猎诖四ね饣蚰冗M行。當然此膜的摩擦系數(shù)、抗剪強度要低于基體材料才行，這可以根據(jù)材質和變形條件選擇適當?shù)臉O壓劑實現(xiàn)。極壓劑

16、與金屬發(fā)生化學反應生成薄膜通常需要一定的溫度，如硫系極壓劑與鐵反應生成硫化鐵無機鹽膜，其成膜溫度約為175200?。常用的極壓劑物質主要有：氯化物(如氯化石蠟等)、硫化物(如硫化大頭鯨油等)、磷化物(如磷酸三甲酚等)以及碘化物(如碘化苯甲基等)。為了提高潤滑劑的潤滑效果，通常還要增添一些機械隔離劑(可將滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，如添加石墨、二硫化鉬等)、乳化劑(如油酸、OP等)、防銹劑以及消泡劑等。4不銹鋼拉深工藝潤滑劑研究不銹鋼以其精美光亮的外表以及抗氧化、抗腐蝕、耐高溫的特性日益受到人們的喜愛，其產量增長速度很快。然而對其成形工藝、潤滑措施的研究卻還不夠深入和系統(tǒng)。因不銹鋼屈服強度s高，硬化指

17、數(shù)n大，熱傳導性能差，故在其拉深成形時具有下述特點：拉深力及壓邊力大、板料及模具局部溫度高(局部可達400 以上)、模具上易產生“粘接瘤”、工件表面易劃傷和拉裂等。對于拉深變形程度大、成形困難的不銹鋼拉深件，如不銹鋼廚房用洗滌盆，生產中用貼聚四氟乙烯薄膜或噴涂一層含磷酸鹽的清漆，再涂潤滑劑的方式進行成形加工。該薄膜相當于一層干膜潤滑劑，這種潤滑方式可以有效地將變形不銹鋼板與模具表面隔離開，潤滑效果良好，不會產生“粘接瘤”，模具使用壽命高，但生產準備工作麻煩，生產效率低。國外大批量生產此類拉深件，采用在生產流水線上自動噴涂高分子溶液、自動干燥、再噴或不噴潤滑劑的方式進行生產。亦有直接采用帶塑料薄

18、膜的不銹鋼板進行生產的，此類薄膜稱為“可剝藍膜”。采用上述潤滑方式成本高，非特殊要求還是應采用濕膜潤滑劑組織生產。濕膜潤滑劑成膜的厚度h與潤滑劑的粘度v、初始厚度h0、接觸壓力(對于拉深工藝系指壓邊力)Q有關。D.F.Moore對成膜厚度進行研究后給出下列關系式： (2)式中：D0，d坯料原始直徑和瞬時測點直徑；S加壓時間。從上式可見，潤滑劑的粘度和初始厚度要認真考慮，其余幾個參數(shù)主要由成形工件的尺寸及成形工藝確定。為達到提高潤滑劑粘度的目的，一些工廠在不銹鋼板上直接涂覆氯化石蠟。該材料是一種極壓劑材料，當溫度達到120 以上時進行分解，并能與金屬板料發(fā)生化學反應，生成一層極薄的金屬保護膜。但氯化石蠟粘度太大，常溫下難以涂覆，且制品清洗工作也很困難。潤滑劑亦不能對板料和模具表面起到冷卻和降溫作用。為解決上述清洗和涂覆問題，經反復試驗，研制出一種水基不銹鋼潤滑劑。該潤