金屬塑性加工的摩擦與潤滑.doc

第4章 金屬塑性加工的摩擦與潤滑
§4. 1 概述
金屬塑性加工中是在工具與工件相接觸的條件下進行的，這時必然產生阻止金屬流動的摩擦力。這種發生在工件和工具接觸面間，阻礙金屬流動的摩擦，稱外摩擦。由於摩擦的作用，工具產生磨損，工件被擦傷；金屬變形力、能增加造成金屬變形不均；嚴重時使工件出現裂紋，還要定期更換工具。因此，塑性加工中，須加以潤滑。
潤滑技術的開發能促進金屬塑性加工的發展。隨著壓力加工新技術新材料新工藝的出現，必將要求人們解決新的潤滑問題。
§4. 2 金屬塑性加工時摩擦的特點及作用
4. 2. 1 塑性成形時摩擦的特點
塑性成形中的摩擦與機械傳動中的摩擦相比，有下列特點：
（1）在高壓下產生的摩擦。塑性成形時接觸表面上的單位壓力很大，一般熱加工時面壓力為100~150MPa，冷加工時可高達500~2500MPa。但是，機器軸承中，接觸面壓通常只有20~50MPa，如此高的面壓使潤滑劑難以帶入或易從變形區擠出，使潤滑困難及潤滑方法特殊。
（2）較高溫度下的摩擦。塑性加工時介面溫度條件例惡劣。對於熱加工，根據金屬不同，溫度在數百度至一千多度之間，對於冷加工，則由於變形熱效應、表面摩擦熱，溫度可達到頗高的程度。高溫下的金屬材料，除了內部組織和性能變化外，金屬表面要發生氧化，給摩擦潤滑帶來很大影響。
（3）伴隨著塑性變形而產生的摩擦，在塑性變形過程中由於高壓下變形，會不斷增加新的接觸表面，使工具與金屬之間的接觸條件不斷改變。接觸面上各處的塑性流動情況不同，有的滑動，有的粘著，有的快，有的慢，因而在接觸面上各點的摩擦也不一樣。
（4）摩擦副（金屬與工具）的性質相差大，一般工具都硬且要求在使用時不產生塑性變形；而金屬不但比工具柔軟得多，且希望有較大的塑性變形。二者的性質與作用差異如此之大，因而使變形時摩擦情況也很特殊。
4. 2. 2 外摩擦在壓力加工中的作用
塑性加工中的外摩擦，大多數情況是有害的，但在某些情況下，亦可為我所用。
摩擦的不利方面：
（1）改變物體應力狀態，使變形力和能耗增加。以平錘鍛造圓柱體試樣為例（圖4-1），當無摩擦時，為單向壓應力狀態，即，而有摩擦時，則呈現三向應力狀態，即。為主變形力，為摩擦力引起的。若接觸面間摩擦越大，則越大，即靜水壓力愈大，所需變形力也隨之增大，從而消耗的變形功增加。一般情況下，摩擦的加大可使負荷增加30%。
圖4-1 塑壓時摩擦力對應力及變形分佈的影響
σ3
σ1
σ2
σ3
σy
σ3
σ2
σ1
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅲ
σ2
（2）引起工件變形與應力分佈不均勻。塑性成形時，因接觸摩擦的作用使金屬質點的流動受到阻礙，此種阻力在接觸面的中部特別強，邊緣部分的作用較弱，這將引起金屬的不均勻變形。如圖4-1中平塑壓圓柱體試樣時，接觸面受摩擦影響大，遠離接觸面處受摩擦影響小，最後工件變為鼓形。此外，外摩擦使接觸面單位壓力分佈不均勻，由邊緣至中心壓力逐漸升高。變形和應力的不均勻，直接影響製品的性能，降低生產成品率。
（3）惡化工件表面品質，加速模具磨損，降低工具壽命。塑性成形時接觸面間的相對滑動加速工具磨損；因摩擦熱更增加工具磨損；變形與應力的不均勻亦會加速工具磨損。此外，金屬粘結工具的現象，不僅縮短了工具壽命，增加了生產成本，而且也降低製品的表面品質與尺寸精度。
摩擦的利用：
亦可利用摩擦變害為利。例如，用增大摩擦改善咬入條件，強化軋製過程；增大沖頭與板片間的摩擦，強化工藝，減少起皺和撕裂等造成的廢品。
近年來，在深入研究接觸摩擦規律，尋找有效潤滑劑和潤滑方法來減少摩擦有害影響的同時，積極開展了有效利用摩擦的研究。即通過強制改變和控制工具與變形金屬接觸滑移運動的特點，使摩擦應力能促進金屬的變形發展。作為例子，下面介紹一種有效利用摩擦的方法。
Conform連續擠壓法的基本原理如圖4-2所示。
當從擠壓型腔的入口端連續喂入擠壓坯料時，由於它的三面是向前運動的可動邊，在摩擦力的作用下，輪槽咬著坯料，並牽引著金屬向模孔移動，當夾持長度足夠長時，摩擦力的作用足以在模孔附近，產生高達1000N/mm2的擠壓應力，和高達400~500℃的溫度，使金屬從模孔流出。可見Conform連續擠壓原理上十分巧妙地利用擠壓輪槽壁與坯料之間的機械摩擦作為擠壓力。同時，由於摩擦熱和變形熱的共同作用，可使銅、鋁材擠壓前無需預熱，直接喂入冷坯（或粉末粒）而擠壓出熱態製品，這比常規擠壓節省3/4左右的熱電費用。此外因設置緊湊、輕型、占地小以及坯料適應性強，材料成材率高達90%以上。所以，目前廣泛用於生產中小型鋁及鋁合金管、棒、線、型材生產上。
§4. 3 塑性加工中摩擦的分類及機理
4. 3. 1 外摩擦的分類及機理
塑性成形時的摩擦根據其性質可分為幹摩擦、邊界摩擦和流體摩擦三種，分述如下：
1．幹摩擦
幹摩擦是指不存任何外來介質時金屬與工具的接觸表面之間的摩擦（圖4-3所示）。但在實際生產中，這種絕對理想的幹摩擦是不存在的。因為金屬塑性加工過程中，其表面多少存在氧化膜，或吸附一些氣體和灰塵等其他介質。但通常說的幹摩擦指的是不加潤滑劑的摩擦狀態。
2．流體摩擦
當金屬與工具表面之間的潤滑層較厚，摩擦副在相互運動中不直接接觸，完全由潤滑油膜隔開（圖4-3），摩擦發生在流體內部分子之間者稱為流體摩擦。它不同於幹摩擦，摩擦力的大小與接觸面的表面狀態無關，而是與流體的粘度、速度梯度等因素有關。因而流體摩擦的摩擦係數是很小的。塑性加工中接觸面上壓力和溫度較高，使潤滑劑常易擠出或被燒掉，所以流體摩擦只在有條件的情況下發生和作用。
堵頭
擠壓輪

坯杆
Vm
由於工具表面的
不平而刨著的面積
粘著
被粘著層
刨著的面積
工件
工具
粘性液體潤滑
半微觀潤滑池
被工具弄平的
區域（接觸比R）
壓輪
槽封塊
擠壓靴
擠壓製品
擠壓模

圖4-2 Conform 連續擠壓原理圖 圖4-3 工具與工件介面的示意圖

3．邊界摩擦
這是一種介於幹摩擦與流體摩擦之間的摩擦狀態，稱為邊界摩擦（圖4-4）。
P

潤滑劑
模具
b
b
潤滑劑
邊界潤滑膜
氧化膜
L
L
S
材料

b
b

圖4-4 接觸面的放大模型圖
S—粘著部分 b—邊界摩擦部分 L—流體潤滑部分
在實際生產中，由於摩擦條件比較惡劣，理想的流體潤滑狀態較難實現。此外，在塑性加工中，無論是工具表面，還是坯料表面，都不可能是“潔淨”的表面，總是處於介質包圍之中，總是有一層敷膜吸附在表面上，這種敷膜可以是自然污染膜，油性吸附形成的金屬膜，物理吸附形成的邊界膜，潤滑劑形成的化學反應膜等。因此理想的幹摩擦不可能存在。實際上常常是上述三種摩擦共存的混合摩擦。它既可以是半幹摩擦又可以是半流體摩擦。半幹摩擦是邊界摩擦與幹摩擦的混合狀態。當接觸面間存在少量的潤滑劑或其他介質時，就會出現這種摩擦。半流體摩擦是流體摩擦與邊界摩擦的混合狀態。當接觸表面間有一層潤滑劑，在變形中個別部位會發生相互接觸的幹摩擦。
塑性加工時摩擦的性質是複雜的，目前尚未能徹底地揭露有關接觸摩擦的規律。關於摩擦產生的原因，即摩擦機理，有以下幾種說法：
1．表面凸凹學說
所有經過機械加工的表面並非絕對平坦光滑，都有不同程度的微觀凸起和凹入。當凹凸不平的兩個表面相互接觸時，一個表面的部分“凸峰”可能會陷入另一表面的凹坑 ，產生機械咬合。當這兩個相互接觸的表面在外力的作用下發生相對運動時，相互咬合的部分會被剪斷，此時摩擦力表現為這些凸峰被剪切時的變形阻力。根據這一觀點，相互接觸的表面越粗糙，相對運動時的摩擦力就越大。降低接觸表面的粗糙度，或塗抹潤滑劑以填補表面凹坑，都可以起到減少摩擦的作用。
2．分子吸附說
當兩個接觸表面非常光滑時，接觸摩擦力不但不降低，反而會提高，這一現象無法用機械咬合理論來解釋。分子吸附學說認為：摩擦產生的原因是由於接觸面上分子之間的相互吸引的結果。物體表面越光滑，實際接觸面積就越大，接觸面間的距離也就越小，分子吸引力就越強，因此，滑動摩擦力也就越大。
近代摩擦理論認為，摩擦力不僅來自接觸表面凹凸部分互相咬合產生的阻力，而且還來自真實接觸表面上原子、分子相互吸引作用產生的粘合力。對於流體摩擦來說，摩擦力則為潤滑劑層之間的流動阻力。
4. 3. 2 塑性加工時接觸表面摩擦力的計算
根據以上觀點，在計算金屬塑性加工時的摩擦力時，分下列三種情況考慮。
1．庫侖摩擦條件
這時不考慮接觸面上的粘合現象（即全滑動），認為摩擦符合庫侖定律。其內容如下：
（1）摩擦力與作用於摩擦表面的垂直壓力成正比例，與摩擦表面的大小無關；
（2）摩擦力與滑動速度的大小無關；
（3）靜摩擦係數大於動摩擦係數。
其數學運算式為：
或 （4. 1）
式中 F——摩擦力；
——外摩擦係數；
N——垂直於接觸面正壓力；
——接觸面上的正應力；
——接觸面上的摩擦切應力。
由於摩擦係數為常數（由實驗確定），故又稱常摩擦係數定律。對於像拉拔及其他潤滑效果較好的加工過程，此定律較適用。
2．最大摩擦條件
當接觸表面沒有相對滑動，完全處於粘合狀態時，單位摩擦力（）等於變形金屬流動時的臨界切應力k，即：
= k （4. 2）
根據塑性條件，在軸對稱情況下，k=0.5，在平面變形條件下，k=0.577。式中為該變形溫度或變形速度條件下材料的真實應力，在熱變形時，常採用最大摩擦力條件。
3．摩擦力不變條件
認為接觸面間的摩擦力，不隨正壓力大小而變。其單位摩擦力是常數，即常摩擦力定律，其運算式為：
=m·k （4. 3）
式中，m為摩擦因數。（0~1.0）
對照（4. 2）式與（4. 3）式，當m=1.0時，兩個摩擦條件是一致的。對於面壓較高的擠壓、變形量大的鐓粗、模鍛以及潤滑較困難的熱軋等變形過程中，由於金屬的剪切流動主要出現在次表層內，=s，故摩擦應力與相應條件下變形金屬的性能有關。
在實際金屬塑性加工過程中，接觸面上的摩擦規律，除與接觸表面的狀態（粗糙度、潤滑劑）、材料的性質與變形條件等有關外，還與變形區幾何因數密切相關。在某些條件下同一接觸面上存在常摩擦係數區與常摩擦力區的混合摩擦狀態。這時求解變形力、能有關方程的邊界條件是十分重要的。
§4. 4 摩擦係數及其影響因素
摩擦係數隨金屬性質、工藝條件、表面狀態、單位壓力及所採用潤滑劑的種類與性能等而不同。其主要影響因素有：
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1000℃
1100℃
1200℃
900℃
800℃
700℃
含碳量%C
圖4-5 鋼中碳含量對摩擦係數的影響
4. 4. 1 金屬的種類和化學成分
摩擦係數隨著不同的金屬、不同的化學成分而異。由於金屬表面的硬度、強度、吸附性、擴散能力、導熱性、氧化速度、氧化膜的性質以及金屬間的相互結合力等都與化學成分有關，因此不同種類的金屬，摩擦係數不同。例如，用光潔的鋼壓頭在常溫下對不同材料進行壓縮時測得摩擦係數：軟鋼為0. 17；鋁為0.18；黃銅為0.10，電解銅為0.17，既使同種材料，化學成分變化時，摩擦係數也不同。如鋼中的碳含量增加時，摩擦係數會減小（圖4-5所示）。一般說，隨著合金元素的增加，摩擦係數下降。
粘附性較強的金屬通常具有較大的摩擦係數，如鉛、鋁、鋅等。材料的硬度、強度越高，摩擦係數就越小。因而凡是能提高材料硬度、強度的化學成分都可使摩擦係數減小。
4. 4. 2 工具材料及其表面狀態
工具選用鑄鐵材料時的摩擦係數，比選用鋼時摩擦係數可低15%~20%，而淬火鋼的摩擦係數與鑄鐵的摩擦係數相近。硬質合金軋輥的摩擦係數較合金鋼軋輥摩擦係數可降低10%~20%，而金屬陶瓷軋輥的摩擦係數比硬質合金輥也同樣可降低10~20%。
工具的表面狀態視工具表面的精度及機加工方法的不同，摩擦係數可能在0.05~0.5範圍內變化。一般來說，工具表面光潔度越高，摩擦係數越小。但如果兩個接觸面光潔度都非常高，由於分子吸附作用增強，反使摩擦係數增大。
工具表面加工刀痕常導致摩擦係數的異向性。例如，垂直刀痕方向的摩擦係數有時要比沿刀痕方向高於20%。至於坯料表面的粗糙度對摩擦係數的影響，一般認為只有初次（第一道次）加工時才起明顯作用，隨著變形的進行，金屬表面已成為工具表面的印痕，故以後的摩擦情況只與工具表面狀態相關。
4. 4. 3 接觸面上的單位壓力
0.13
0.12
0.11
0.10
0.09
0.08
0.07
0.06
0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
0
200
600
1000
1400
1800
2200
N/mm2
摩擦係數μ
0.14
圖4-6 正壓力對摩擦係數的影響
單位壓力較小時，表面分子吸附作用不明顯，摩擦係數與正壓力無關，摩擦係數可認為是常數。當單位壓力增加到一定數值後，潤滑劑被擠掉或表面膜破壞，這不但增加了真實接觸面積，而且使分子吸附作用增強，從而使摩擦係數隨壓力增加而增加，但增加到一定程度後趨於穩定，如圖4-6所示。
4. 4. 4 變形溫度
變形溫度對摩擦係數的影響很複雜。因為溫度變化時，材料的溫度、硬度及接觸面上的氧化質的性能都會發生變化，可能產生兩個相反的結果：一方面隨著溫度的增加，可加劇表面的氧化而增加摩擦係數；另一方面，隨著溫度的提高，被變形金屬的強度降低，單位壓力也降低，這又導致摩擦係數的減小，所以，變形溫度是影響摩擦係數變化因素中，最積極、最活潑的一個，很難一概而論。此外還可出現其他情況，如溫度升高，潤滑效果可能發生變化；溫度高達某值後，表面氧化物可能熔化而從固相變為液相，致使摩擦係數降低。但是，根據大量實驗資料與生產實際觀察，認為開始時摩擦係數隨溫度升高而增加，達到最大值以後又隨溫度升高而降低，如圖4-7與圖4-8所示。這是因為溫度較低時，金屬的硬度大，氧化膜薄，摩擦係數小。隨著溫度升高，金屬硬度降低，氧化膜增厚，表面吸附力，原子擴散能力加強；同時，高溫使潤滑劑性能變壞，所以，摩擦係數增大。當溫度繼續升高，由於氧化質軟化和脫落，氧化質在接觸表面間起潤滑劑的作用，摩擦係數反而減小。
0.4
0.2
μ
0
400
600
800
℃

0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
200
400
600
800
℃

圖4-7 溫度對鋼的摩擦係數的影響 圖4-8 溫度對銅的摩擦係數的影響

表4-1給出了不同金屬變形時摩擦係數與溫度的關係。

表4-1 不同金屬變形時摩擦係數與溫度的關係
金屬

(%)
溫 度 （℃）
20
200
250
300
350
400
450
500
550
600
650
700
750
800
850
900
950
鋁
30
0.15
0.25
0.28
0.31
0.34
0.37
0.39
0.42
0.45
0.48
—
—
—
—
—
—
—
黃銅：

95/5
30
0.27
0.35
0.40
—
—
—
—
—
0.44
—
—
—
—
—
0.40
0.33
0.24
90/10
30
0.22
0.28
0.37
—
—
—
0.40
—
—
—
—
0.44
0.48
0.52
0.56
0.47
0.40
85/15
30
0.21
0.32
0.39
0.42
—
—
0.44
—
—
0.48
0.52
0.55
—
—
0.57
—
—
80/20
30
0.19
0.32
0.42
—
—
0.48
0.48
—
—
0.50
0.53
0.55
—
—
0.57
—
—
70/30
30
0.17
0.28
—
—
—
0.40
—
—
—
0.42
0.48
0.53
0.55
—
0.57
—
—
60/40
30
0.18
0.40
—
—
—
0.42
—
—
—
0.48
0.53
0.55
—
0.57
—
—
—
銅
50
0.30
0.37
0.40
—
—
—
0.42
—
—
—
—
0.39
0.34
0.30
0.26
0.22
0.20
鉛
50
0.20
0.28
0.38
0.54
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
鎂
50
—
0.39
0.42
0.47
0.52
0.57
0.52
0.46
0.37
—
—
—
—
—
—
—
—
鎳
50
0.5
0.32
0.33
0.34
0.36
0.37
0.38
0.39
0.40
0.41
0.42
0.43
0.44
0.44
0.45
0.45
0.46
軟鋼
50
0.16
0.21
—
—
0.29
—
—
0.32
0.39
0.45
0.54
—
0.54
0.54
0.49
0.46
0.41
不銹鋼
50
0.32
—
—
—
—
0.42
—
—
—
—
0.44
0.48
0.54
0.54
—
0.57
—
鋅
50
0.23
0.32
0.53
—
0.57
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
鈦
50
—
—
—
—
—
—
—
—
—
0.57
—
—
—
—
—
—
—
鈦①
50
—
—
—
0.18
—
0.19
—
—
0.20
0.21
0.22
0.23
0.25
0.28
0.34
0.48
0.57
鈦②
50
—
—
—
—
0.15
—
—
—
—
—
—
0.18
0.20
0.26
0.37
0.52
0.57
注：①石墨潤滑劑； ②二硫化鉬潤滑劑

4. 4. 5 變形速度
許多實驗結果表明，隨著變形速度增加，摩擦係數下降，例如用粗磨錘頭壓縮硬鋁試驗提出：400℃靜壓縮：動壓縮時；在450℃時相應為0.38及0.22。實驗也測得，當軋製速度由0增加到5m/s時，摩擦係數降低一半。
變形速度增加引起摩擦係數下降的原因，與摩擦狀態有關。在幹摩擦時，變形速度增加，表面凹凸不平部分來不及相互咬合，表現出摩擦係數的下降。在邊界潤滑條件下，由於變形速度增加，油膜厚度增大，導致摩擦係數下降，如圖4-9所示。但是，變形速度與變形溫度密切相關，並影響潤滑劑的曳入效果。因此，實際生產中，隨著條件的不同，變形速度對摩擦係數的影響也很複雜。有時會得到相反的結果。
4. 4. 6 潤滑劑
壓力加工中採用潤滑劑能起到防粘減摩以及減少工模具磨損的作用，而不同潤滑劑所起的效果不同。因此，正確選用潤滑劑，可顯著降低摩擦係數。常用金屬及合金在不同加工條件下的摩擦係數可查有關加工手冊（或實際測量）。
0.20
0.15
0.10
0.05
0
500
1000
軋製速度v, m/min
圖4-9 軋製速度對摩擦係數的影響
1—壓下率60%，潤滑油中無添加劑；
2—壓下率60%，潤滑油中加入酒精；
3—壓下率25%，潤滑油中加入酒精
§4. 5 測定摩擦係數的方法
目前測定塑性加工中摩擦係數的方法中，大都是利用庫侖定律，即求相應正應力下的摩擦力，然後求出摩擦係數。由於上述諸多因素的影響，加上接觸面各處情況不一致，因此，只能確定平均值，下面對幾種常用的方法作簡要介紹。
4. 5. 1 夾鉗軋製法
這種方法的基本原理是利用縱軋時力的平衡條件來測定摩擦係數，此法如圖4-10所示，實驗時用鉗子夾住板材的未軋入部分，鉗子的另一端與測力儀相聯，由該測力儀可測得軋輥打滑時的水準力T。

圖4-10 夾鉗軋製法

軋輥打滑時，板料試樣在水準方向所受的力平衡條件，即：
（4. 4）
（4.5）
式中Pn可以由測定的軋輥垂直壓力P求出，
（4. 6）
將（4. 6）式化簡，則可寫成：
（4.7）
式中接觸角可用幾何關係算出

（4.8）
由於P、T可測得，由式（4. 5）即求出摩擦係數，此法簡單易做，也比較精確，可用來測定冷、熱態下的摩擦係數。
4. 5. 2 楔形件壓縮法
在傾斜的平錘頭間塑壓楔型試件，可根據試件變形情況以確定摩擦係數。
如圖4-11所示，試件受塑壓時，水準方向的尺寸要擴大。按照金屬流動規律，接觸表面金屬質點要朝著流動阻力最小的方向流動，因此，在水準方向的中間，一定有一個金屬質點朝兩個方向流動的分介面——中立面，那麼根據圖示建立力的平衡方程時，可得出：
（4. 9）
設錘頭傾角為，試件的寬度為b，平均單位壓力為P，那麼
（4. 10）
（4. 11）
（4. 12）
（4. 13）
將這些數值代入（4. 9）式並化簡後，得：
（4. 14）
當角很小時，
故 (4. 15)
由（4. 15）式得：
（4. 16）
圖4-11 斜錘間塑壓楔形件
當角已知，並在實驗後能測出及的長度，即可按公式（4. 16）算出摩擦係數。
此法的實質可以認為與軋製過程及一般的平錘下鐓粗相似，故可用來確定這兩種過程中的摩擦係數。此法應用較方便，主要困難是在於較難準確的確定中立面的位置及精確的測定有關資料。
4. 5. 3 圓環鐓粗法
這是60年代提出的一種利用圓環鐓粗時的變形來測定摩擦係數的方法。
該方法是把一定尺寸的圓環試樣（如D∶d0∶H=20∶10∶7）放在平砧上鐓粗。由於試樣和砧面間接觸摩擦係數的不同，圓環的內、外徑在壓縮過程中將有不同的變化。在任何摩擦情況下，外徑總是增大的，而內徑則隨摩擦係數而變化，或增大或縮小。當摩擦係數很小時，變形後的圓環內外徑都增大；當摩擦係數超過某一臨界值時，在圓環中就會出現一個以Rn為半徑的分流面。分流面以外的金屬向外流動，分流面以內的金屬向內流動。所以變形後的圓環其外徑增大，內徑縮小（圖4-12）。

（a） （b）
圖4-12 圓環鐓粗時金屬的流動

用上限法或應力分析法可求出分流面半徑Rn、摩擦係數和圓環尺寸的理論關係式。據此可繪製成如圖4-13所示的理論校準曲線。欲測摩擦係數時，把試件做成圖4-12所示的尺寸，在特定的條件下進行多次鐓粗，每次應取很小的壓下量，記下每次鐓粗後圓環的高度H和內徑d0，可利用圖4-13理論校正曲線，查到欲測接觸面間的摩擦係數。
材料 潤滑劑
15鋼 磷化MoS2粉末
×電解銅MoS2（糊劑）
圖4-13 圓環鐓粗法確定摩擦係數的標定曲線
此法較簡單，不需測定壓力，也不需製備許多壓頭和試件，即可測得摩擦係數。一般用於測定各種溫度、速度條件下的摩擦係數，是目前較廣泛應用的方法。但由於圓環試件在鐓粗時會出現鼓形。環孔出現橢圓形等，引起測量上的誤差，影響結果的精確性。

4. 5. 4 塑性加工常用摩擦係數
以下介紹在不同塑性加工條件下摩擦係數的一些資料，可供使用時參考。
（1）熱鍛時的摩擦係數，見表4-2。
（2）磷化處理後冷鍛時的摩擦係數，見表4-3。
（3）拉深時的摩擦係數，見表4-4。
（4）熱擠壓時的摩擦係數 鋼熱擠壓（玻璃潤滑）時，，其他金屬熱擠壓摩擦係數，見表4-5。

表4-2 熱鍛時的摩擦係數
材料
坯料溫度
（℃）
不同潤滑劑的值
無潤滑
炭 末
機油石墨
45鋼
1000
0. 37
0. 18
0. 29

1200
0. 43
0. 25
0. 31
鍛鋁
400
無潤滑
汽缸油
+10%石墨
膠體石墨
精製石蠟
+10%石墨
精製石蠟

0. 48
0. 09
0. 10
0. 09
0. 16

表4-3 磷化處理後冷鍛時的摩擦係數 表4-4 拉深時的摩擦係數
壓 力
（MPa）
值

材料

無磷化膜
磷酸鋅
磷酸錳
磷酸鎘

無潤滑
礦物油
油+石墨
7
0.108
0.013
0.085
0.034

08鋼
0.20~0.25
0.15
0.08~0.10
35
0.068
0.032
0.070
0.069

12Cr18Ni9Ti
0.30~0.35
0.25
0.15
70
0.057
0.043
0.057
0.055

鋁
0.25
0.15
0.10
140
0.07
0.043
0.066
0.055

杜拉鋁
0.22
0.16
0.08~0.10

表4-5 熱擠壓時的摩擦係數
潤 滑
值
銅
黃 銅
青 銅
鋁
鋁合金
鎂合金
無潤滑
0. 25
0. 18~0.27
0. 27~0.29
0.28
0.35
0. 28
石墨+油
比上面相應數值降低0. 030~0. 035

§4. 6 塑性加工的工藝潤滑
4. 6. 1 工藝潤滑的目的及潤滑機理
一、潤滑的目的
為減少或消除塑性加工中外摩擦的不利影響，往往在工模具與變形金屬的接觸介面上施加潤滑劑，進行工藝潤滑。其主要目的是：
（1）降低金屬變形時的能耗。當使用有效潤滑劑時，可大大減少或消除工模具與變形金屬的直接接觸，使接觸表面間的相對滑動剪切過程在潤滑層內部進行，從而大大降低摩擦力及變形功耗。如軋製板帶材時，採用適當的潤滑劑可降低軋製壓力10%~15%；節約主電機電耗8%~20%。拉拔銅線時，拉拔力可降低10%~20%。
（2）提高製品品質。由於外摩擦導致製品表面粘結、壓入、劃傷及尺寸超差等缺陷或廢品。此外，還由於摩擦阻力對金屬內外質點塑性流動阻礙作用的顯著差異，致使各部分剪切變形程度（晶粒組織的破碎）明顯不同。因此，採用有效的潤滑方法，利用潤滑劑的減摩防粘作用，有利於提高製品的表面和內在品質。
（3）減少工模具磨損，延長工具使用壽命。潤滑還能降低面壓，隔熱與冷卻等作用，從而使工模具磨損減少，使用壽命延長。
為達上述目的，應採用有效潤滑劑及潤滑方法。
塑性加工時如何將潤滑劑保持在高壓下的工具與坯料之間？尤其是採用液體潤滑劑時，幾乎可能全部被擠出。液體潤滑劑所以能被保持在接觸面間，可認為是依靠靜液壓效果與流體力學效果。此外，還必須充分考慮工具及變形金屬與潤滑劑的吸附性質，以及工模具與變形金屬之間的配對性質，才能達到有效潤滑的目的。
二、潤滑機理
（1）流體力學原理
根據流體力學原理，當固體表面發生相對運動時，與其連接的液體層被帶動，並以相同的速度運動，即液體與固體層之間不產生滑動。在拉拔、軋製情況下，坯料在進入工具入口的間隙，沿著坯料前進方向逐漸變窄。這時，存在於空隙中的潤滑劑就會被拖帶進去，沿前進方向壓力逐漸增高，如圖4-14所示。當潤滑劑壓力增加到工具與坯料間的接觸壓力時，潤滑劑就進入接觸面間。如果變形速度、潤滑劑的粘度越大，工具與坯料的夾角越小，則潤滑劑壓力上升得越急劇，接觸面間的潤滑膜也越厚。此時，所發生的摩擦力在本質上是一種潤滑劑分子間的吸引力，這種吸引力阻礙潤滑劑質點之間的相互移動。這種阻礙稱為相對流動阻力。對液體而言，粘性即意味著內摩擦。液體層與層之間的剪切抗力（液體的內摩擦力），由牛頓定理確定
（4.17）
式中 ——垂直於運動方向的內剪切速度梯度；
F——剪切面積（即滑移表面的面積）。
通常取沿液體厚度上的速度梯度為常數或取其平均值，這樣
及
因此，液體的單位摩擦力
（4.18）
式中 ——動力粘度；國際單位為Pa·s，即帕·秒
——液層厚度。
油的粘度與溫度及壓力有關。隨溫度的增加，粘度急劇下降，隨壓力的增加，油的粘度升高。分析表明，礦物油的粘度受壓力影響比動植物油更為明顯。
載荷

吸附的
極性分子
金屬粘結點
工具
變形區
工具
潤滑劑
軋製
拉絲

a) b)
圖4-14 潤滑劑的曳入 圖4-15 單分子層吸附膜的潤滑作用模型

（2）吸附機制
金屬塑性加工用潤滑劑從本質上可分為不含有表面活性物質（如各類礦物油）和含有表面活性物質（如動、植物油、添加劑等）兩大類。這些潤滑劑中的極性或非極性分子對金屬表面都具有吸附能力，並且通過吸附作用在金屬表面形成油膜。
礦物油屬非極性物質，當它與金屬表面接觸時，這種非極性分子與金屬之間靠暫態偶極而相互吸引，於是在金屬表面形成第一層分子吸附膜（如圖4-15）。而後由於分子間的吸引形成多層分子組成的潤滑油膜，將金屬與工具隔開，呈現為液體摩擦。然而，由於暫態偶極的極性很弱，當承受較大壓力和高溫時，這種礦物油所形成的油膜將被破壞而擠走，故潤滑效果差。
可見，潤滑劑能否很好地起潤滑作用，取決於其能不能很好地保持在工具與金屬接觸表面之間，並形成一定厚度、均勻、完整的潤滑層。而潤滑層的厚度、完整性及局部破裂取決於潤滑劑的粘度及其活性、作用的正壓力、接觸面的粗糙度以及加工方法的特徵等。
所謂潤滑劑的活性，就是潤滑劑中的極性分子在摩擦表面形成結實的保護層的能力。它決定潤滑劑的潤滑性能及與摩擦物體之間吸引力的大小。當潤滑劑中有極性的物質存在時，會減少純溶劑的表面張力，而加強金屬（工具與變形物體）與潤滑劑分子間的吸附力。一般動植物油脂及含有油性添加劑的礦物油，當它與金屬表面接觸時，潤滑油中的極性基因與金屬表面產生物理吸附，從而在變形區內形成油膜。而當潤滑劑中含有硫、磷、氯等活性元素時，這些極性物質還能與金屬表面起化學反應（化學吸附）形成化學吸附膜，牢牢地附在金屬與工具表面上，起良好潤滑作用。如硬脂酸與金屬表面的氧化膜（只需極薄的氧化膜）發生化學反應，生成脂肪酸鹽：
2RCOOH+MeO=(RCOO)2Me+H2O （4. 19）
圖4-16 在鐵表面上硬脂酸組成的邊界潤滑膜
如圖4-16所示，金屬氧化膜通過化學吸附作用，在表面上生成一種摩擦應力很小的金屬脂肪酸皂。
所謂潤滑劑的粘度，是指潤滑劑本身粘、稠的程度。它是衡量潤滑油流動阻力的參數，在金屬塑性加工過程中潤滑油的粘度影響很大，粘度過小，即過分稀薄的潤滑油，易從變形區擠出，起不到良好的潤滑作用；粘度過大，即過分稠厚的潤滑油，往往剪切阻力較大，形成的油膜過厚，不能獲得光潔的製品表面，也不能達到良好潤滑之目的。同時，粘度增加使潤滑劑進入困難，如拉拔中，多使用較稀的潤滑劑（個別金屬除外），或把金屬或工具全部浸入液體潤滑劑的槽中。因此，在實際生產中如何根據工藝條件以及產品品質要求選擇適當粘度的潤滑油是十分重要的。

三、潤滑劑的選擇
1．塑性成形中對潤滑劑的要求
在選擇及配製潤滑劑時，必符合下列要求：
（1）潤滑劑應有良好的耐壓性能，在高壓作用下，潤滑膜仍能吸附在接觸表面上，保持良好的潤滑狀態；
（2）潤滑劑應有良好耐高溫性能，在熱加工時，潤滑劑應不分解，不變質；
（3）潤滑劑有冷卻模具的作用；
（4）潤滑劑不應對金屬和模具有腐蝕作用；
（5）潤滑劑應對人體無毒，不污染環境；
（6）潤滑劑要求使用、清理方便、來源豐富、價格便宜等。
2．常用的潤滑劑
在金屬加工中使用的潤滑劑，按其形態可分為：液體潤滑劑、固體潤滑劑、液-固潤滑劑以及熔體潤劑。其中，液體潤滑劑使用最廣，通常可分為純碎型油（礦物油或動植物油）和水溶型兩類。
（1）液體潤滑劑包括礦物油、動植物油、乳液等。
礦物油系指機油、汽缸油、錠子油、齒輪油等。礦物油的分子組成中只含有碳、氫兩種元素，由非極性的烴類組成，當它與金屬接觸時，只發生非極性分子與金屬表面的物理吸附作用，不發生任何化學反應，潤滑性能較差，在壓力加工中較少直接用作潤滑劑。通常只作為配製潤滑劑的基礎油，再加上各種添加劑，或是與固體潤滑劑混合，構成液-固混合潤滑劑。
動植物油有牛油、豬油、豆油、蓖麻油、棉子油、棕櫚油等。動植物油脂內所含的脂肪酸主要有硬脂酸（C17H35COOH）、棕櫚酸（軟脂酸C15H31COOH）及油酸（C17H33COOH）這三種。它們都含有極性根（如COOH，COONa），屬於極性物質。這些有機化合物的分子中，一端為非極性的烴基；另一端則為極性基，能在金屬表面上作定向排列而形成潤油膜。這就使潤滑劑在金屬上的吸附力加強，故在塑性加工中不易被擠掉。
乳液是一種可溶性礦物油與水均勻混合的兩相系。在一般情況下，油和水難以混合，為使油能以微小液珠懸浮于水中，構成穩定乳狀液，必須添加乳化劑，使油水間產生乳化作用。另外，為提高乳液中礦物油的潤滑性，也需添加油性添加劑。
乳化劑是由親油性基團和親水性基團組成的化合物（如圖4-17）。它用於形成O/W型乳液時，由於這兩個基端的存在，能使油水相連，不易分離，如經攪拌之後，可使油呈小球狀彌散分佈在水中，構成O/W型乳液，通常使用的乳化劑為鈉皂，鉀皂和銨皂。目前，在銅鋁及其合金的軋製過程中，大都使用油酸-三乙醇胺系乳液。其組分大致為：機油或變壓器油80%~85%、油酸10%~15%及三乙醇胺5%左右。先製成乳膏（劑），然後加90%~97%水攪拌成乳液。其中，水起冷卻作用，機油或變壓器油為潤滑基礎油，油酸[C17H33COOH]既作油性劑以提高礦物油的潤滑性能，同時又與三乙醇