塑性加工原理 第四章 塑性加工中的摩擦与润滑

第4章 金属塑性加工的摩擦与润滑

§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3s，而有摩擦时，则呈现三向应力状态，即

3s1。3为主变形力，1为摩擦力引起的。若接触面间摩擦越大，则1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%。

91

（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

σ3

属质点的流动受到阻碍，此种阻力在接触

σ1 面的中部特别强，边缘部分的作用较弱，Ⅰ

这将引起金属的不均匀变形。如图4-1中Ⅲ σ3 Ⅱ Ⅲ

σ2 σ3 平塑压圆柱体试样时，接触面受摩擦影响

σ2

大，远离接触面处受摩擦影响小，最后工σ1 件变为鼓形。此外，外摩擦使接触面单位σ2 压力分布不均匀，由边缘至中心压力逐渐σy 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。 图4-1 塑压时摩擦力对应力及变形分布的影响

（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

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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。 堵头

挤压轮

挤压模

坯杆

挤压制品

工具T 工件

粘着

被粘着层

由于工具表面的

刨着的面积

不平而刨着的面积

被工具弄平的

半微观润滑池 粘性液体润滑

区域（接触比R）

Vm

压轮

槽封块

挤压靴

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）。

P

边界润滑膜

b

b

润滑剂 模具

b b

b

润滑剂

b

氧化膜

L

L S

b

材料

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。

塑性加工时摩擦的性质是复杂的，目前尚未能彻底地揭露有关接触摩擦的规律。关于摩擦产生的原因，即摩擦机理，有以下几种说法：

93

1．表面凸凹学说

所有经过机械加工的表面并非绝对平坦光滑，都有不同程度的微观凸起和凹入。当凹凸不平的两个表面相互接触时，一个表面的部分“凸峰”可能会陷入另一表面的凹坑 ，产生机械咬合。当这两个相互接触的表面在外力的作用下发生相对运动时，相互咬合的部分会被剪断，此时摩擦力表现为这些凸峰被剪切时的变形阻力。根据这一观点，相互接触的表面越粗糙，相对运动时的摩擦力就越大。降低接触表面的粗糙度，或涂抹润滑剂以填补表面凹坑，都可以起到减少摩擦的作用。

2．分子吸附说

当两个接触表面非常光滑时，接触摩擦力不但不降低，反而会提高，这一现象无法用机械咬合理论来解释。分子吸附学说认为：摩擦产生的原因是由于接触面上分子之间的相互吸引的结果。物体表面越光滑，实际接触面积就越大，接触面间的距离也就越小，分子吸引力就越强，因此，滑动摩擦力也就越大。

近代摩擦理论认为，摩擦力不仅来自接触表面凹凸部分互相咬合产生的阻力，而且还来自真实接触表面上原子、分子相互吸引作用产生的粘合力。对于流体摩擦来说，摩擦力则为润滑剂层之间的流动阻力。

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：

FN 或 N （4. 1）

式中 F——摩擦力；

——外摩擦系数；

N——垂直于接触面正压力； N——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T，在平面变形条件下，k=0.577T。式中T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。

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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

摩擦系数随金属性质、工艺条件、表面状态、单位压力及所采用润滑剂的种类与性能等而不同。其主要影响因素有： 4. 4. 1 金属的种类和化学成分

700℃ 0.6

摩擦系数随着不同的金属、不同

800℃ 的化学成分而异。由于金属表面的硬0.5

900℃

度、强度、吸附性、扩散能力、导热0.4 性、氧化速度、氧化膜的性质以及金0.3 属间的相互结合力等都与化学成分有0.2

1000℃ 1100℃ 1200℃ 关，因此不同种类的金属，摩擦系数

0.1

不同。例如，用光洁的钢压头在常温0 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 下对不同材料进行压缩时测得摩擦系含碳量%C 数：软钢为0. 17；铝为0.18；黄铜

图4-5 钢中碳含量对摩擦系数的影响

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。

工具表面加工刀痕常导致摩擦系数的异向性。例如，垂直刀痕方向的摩擦系数有时要

95

比沿刀痕方向高于20%。至于坯料表面的粗糙度对摩擦系数的影响，一般认为只有初次（第一道次）加工时才起明显作用，随着变形的进行，金属表面已成为工具表面的印痕，故以后的摩擦情况只与工具表面状态相关。 4. 4. 3 接触面上的单位压力

0.14 单位压力较小时，表面分子吸

0.13 附作用不明显，摩擦系数与正压力

0.12 无关，摩擦系数可认为是常数。当

0.11 单位压力增加到一定数值后，润滑

0.10 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0.09 附作用增强，从而使摩擦系数随压0.08 力增加而增加，但增加到一定程度0.07 后趋于稳定，如图4-6所示。 0.06 4. 4. 4 变形温度 0.05

变形温度对摩擦系数的影响0.04 很复杂。因为温度变化时，材料的0.03 温度、硬度及接触面上的氧化质的0.02 性能都会发生变化，可能产生两个

0.01

相反的结果：一方面随着温度的增

20 200 600 1000 1400 1800 2200 N/mm 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，图4-6 正压力对摩擦系数的影响 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。

μ

0.5

0.4 0.4

0.3

0.2 0.2

0.1

0 0 400 600 800 ℃

200 400 ℃ 600 800

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

摩擦系数μ 96

表4-1给出了不同金属变形时摩擦系数与温度的关系。

表4-1 不同金属变形时摩擦系数与温度的关系 金属 铝 黄铜： 95/5 90/10 85/15 80/20 70/30 60/40 铜 铅 镁 镍 软钢 锌 钛 钛 ②① 温 度 （℃） (%) 20 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 30 0.15 0.25 0.28 0.31 0.34 0.37 0.39 0.42 0.45 0.48 — — — — — — — — 30 0.27 0.35 0.40 — 30 0.22 0.28 0.37 — 30 0.19 0.32 0.42 — 30 0.17 0.28 — 30 0.18 0.40 — — — — 0.44 — — — — — — — — — — 0.40 0.33 0.24 — 0.57 — — 0.57 — — — — — — — — — — — 0.40 — — 0.44 — — — — — 0.44 0.48 0.52 0.56 0.47 0.40 30 0.21 0.32 0.39 0.42 — — 0.48 0.52 0.55 — — 0.50 0.53 0.55 — — 0.48 0.48 — — 0.40 — — 0.42 — — — — — 0.42 0.48 0.53 0.55 — 0.57 — — 0.48 0.53 0.55 — 0.57 — — — — — — — — — — — — — — — 50 0.30 0.37 0.40 — 50 — 0.42 — — 0.39 0.34 0.30 0.26 0.22 0.20 50 0.20 0.28 0.38 0.54 — — 0.39 0.42 0.47 0.52 0.57 0.52 0.46 0.37 — — 0.29 — — — — 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 50 0.16 0.21 — — — — — 0.32 0.39 0.45 0.54 — 0.54 0.54 0.49 0.46 0.41 — — — — — — — 0.44 0.48 0.54 0.54 — 0.57 — — — — — — — — — — — — — — — — — — — 0.42 — — — 不锈钢 50 0.32 — 50 50 — — — — — — 50 0.23 0.32 0.53 — 0.57 — — 0.57 — — — — — 0.18 — 0.19 — 0.15 — — 0.20 0.21 0.22 0.23 0.25 0.28 0.34 0.48 0.57 0.18 0.20 0.26 0.37 0.52 0.57 钛 50 注：①石墨润滑剂； ②二硫化钼润滑剂

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0.32：动压缩时0.22；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

97

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。

0.20 0.15 0.10 0.05 0

500

1000

轧制速度v, m/min

图4-9 轧制速度对摩擦系数的影响 1—压下率60%，润滑油中无添加剂； 2—压下率60%，润滑油中加入酒精； 3—压下率25%，润滑油中加入酒精

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：

T2Pnsin22Pncos2 （4. 4）

T2Pncos2tg2 （4.5）

式中Pn可以由测定的轧辊垂直压力P求出，

PPncos

2Pnsin98

2 （4. 6）

将（4. 6）式化简，则可写成：

PPncos式中接触角可用几何关系算出

sin22 （4.7）

2Hh 2ksinHh （4.8） k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：

P'xP\"xT\"xT'x （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 2P'xPbL'csin （4. 10）

2P\"xPbL\"csin （4. 11）

2T'xPbL'ccos （4. 12）

2T\"xPbL\"ccos （4. 13）

2将这些数值代入（4. 9）式并化简后，得：

L'csin2L\"csin2L\"ccos,cos2L'ccos2 （4. 14）

当角很小时， sin2221

故 由（4. 15）式得：

L'cL\"cL\"cL'c (4. 15) 22 99

(L'cL\"c)2 （4. 16）

(L'cL\"c)当角已知，并在实验后能测出L'c及L\"c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

图4-11 斜锤间塑压楔形件 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。

100

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

材料 润滑剂

数，是目前较广泛应用的方法。但由于圆环15钢 磷化MoS2粉末

×电解铜MoS2（糊剂） 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，0.025~0.050，其

图4-13 圆环镦粗法确定摩擦系数的标定曲线 他金属热挤压摩擦系数，见表4-5。

表4-2 热锻时的摩擦系数

不同润滑剂的值 坯料温度 材料 （℃） 无润滑 炭 末 机油石墨 45钢 锻铝 表4-3 磷化处理后冷锻时的摩擦系数 表4-4 拉深时的摩擦系数

压 力 （MPa） 无磷化膜 7 35 70 140 0.108 0.068 0.057 0.07 1000 1200 400 0. 37 0. 43 无润滑 0. 48 汽缸油 +10%石墨 0. 09 0. 18 0. 25 胶体石墨 0. 10 精制石蜡 +10%石墨 0. 09 0. 29 0. 31 精制石蜡 0. 16  值 磷酸锰 0.085 0.070 0.057 0.066 磷酸镉 0.034 0.069 0.055 0.055

磷酸锌 0.013 0.032 0.043 0.043 材料 08钢 无润滑 0.20~0.25 矿物油 0.15 0.25 0.15 0.16 油+石墨 0.08~0.10 0.15 0.10 0.08~0.10 12Cr18Ni9Ti 0.30~0.35

铝 杜拉铝 0.25 0.22 表4-5 热挤压时的摩擦系数  值 铜 0. 25 黄 铜 0. 18~0.27 青 铜 0. 27~0.29 101

润 滑 无润滑

铝 0.28 铝合金 0.35 镁合金 0. 28 石墨+油 比上面相应数值降低0. 030~0. 035 §4. 6 塑性加工的工艺润滑

4. 6. 1 工艺润滑的目的及润滑机理

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 TduF （4.17） dy 102

式中

du——垂直于运动方向的内剪切速度梯度； dyF——剪切面积（即滑移表面的面积）。

通常取沿液体厚度上的速度梯度为常数或取其平均值，这样

VduVF 及 Tdy因此，液体的单位摩擦力

tV （4.18）

式中 ——动力粘度；国际单位为Pa·s，即帕·秒

——液层厚度。

油的粘度与温度及压力有关。随温度的增加，粘度急剧下降，随压力的增加，油的粘

度升高。分析表明，矿物油的粘度受压力影响比动植物油更为明显。

载荷

工具

工具

金属粘结点

润滑剂

变形区

轧制

吸附的

极性分子

拉丝

a) b)

图4-14 润滑剂的曳入 图4-15 单分子层吸附膜的润滑作用模型

（2）吸附机制

金属塑性加工用润滑剂从本质上可分为不含有表面活性物质（如各类矿物油）和含有表面活性物质（如动、植物油、添加剂等）两大类。这些润滑剂中的极性或非极性分子对金属表面都具有吸附能力，并且通过吸附作用在金属表面形成油膜。

矿物油属非极性物质，当它与金属表面接触时，这种非极性分子与金属之间靠瞬时偶极而相互吸引，于是在金属表面形成第一层分子吸附膜（如图4-15）。而后由于分子间的吸引形成多层分子组成的润滑油膜，将金属与工具隔开，呈现为液体摩擦。然而，由于瞬时偶极的极性很弱，当承受较大压力和高温时，这种矿物油所形成的油膜将被破坏而挤走，故润滑效果差。

可见，润滑剂能否很好地起润滑作用，取决于其能不能很好地保持在工具与金属接触表面之间，并形成一定厚度、均匀、完整的润滑层。而润滑层的厚度、完整性及局部破裂取决于润滑剂的粘度及其活性、作用的正压力、接触面的粗糙度以及加工方法的特征等。

103

所谓润滑剂的活性，就是润滑剂中的极性分子在摩擦表面形成结实的保护层的能力。它决定润滑剂的润滑性能及与摩擦物体之间吸引力的大小。当润滑剂中有极性的物质存在时，会减少纯溶剂的表面张力，而加强金属（工具与变形物体）与润滑剂分子间的吸附力。一般动植物油脂及含有油性添加剂的矿物油，当它与金属表面接触时，润滑油中的极性基因与金属表面产生物理吸附，从而在变形区内形成油膜。而当润滑剂中含有硫、磷、氯等活性元素时，这些极性物质还能与金属表面起化学反应（化学吸附）形成化学吸附膜，牢牢地附在金属与工具表面上，起良好润滑作用。如硬脂酸与金属表面的氧化膜（只需极薄的氧化膜）发生化学反应，生成脂肪酸盐：

2RCOOH+MeO=(RCOO)2Me+H2O （4. 19）

如图4-16所示，金属氧化膜通过化学吸附作用，在表面上生成一种摩擦应力很小的金属脂肪酸皂。

所谓润滑剂的粘度，是指润滑剂本身粘、稠的程度。它是衡量润滑油流动阻力的参数，在金属塑性加工过程中润滑油的粘度影响很大，粘度过小，即过分稀薄的润滑油，易从变形区挤出，起不到良好的润滑作用；粘度过大，即过分稠厚的润滑油，往往剪切阻力较大，形成的油膜过厚，不能获得光洁的制品表面，也不能达到良好润滑之目的。同时，粘度增加使润滑剂进入困难，如拉拔中，多使用较稀的润滑剂（个别金属除外），或把金属或工具全部浸入液体润滑剂的槽中。因图4-16 在铁表面上硬脂酸组成的边界润滑膜 此，在实际生产中如何根据工艺条件以及产品质量要求选择适当粘度的润滑油是十分重要的。

三、润滑剂的选择

1．塑性成形中对润滑剂的要求

在选择及配制润滑剂时，必符合下列要求：

（1）润滑剂应有良好的耐压性能，在高压作用下，润滑膜仍能吸附在接触表面上，保持良好的润滑状态；

（2）润滑剂应有良好耐高温性能，在热加工时，润滑剂应不分解，不变质； （3）润滑剂有冷却模具的作用；

（4）润滑剂不应对金属和模具有腐蚀作用； （5）润滑剂应对人体无毒，不污染环境；

（6）润滑剂要求使用、清理方便、来源丰富、价格便宜等。 2．常用的润滑剂

在金属加工中使用的润滑剂，按其形态可分为：液体润滑剂、固体润滑剂、液-固润滑剂以及熔体润剂。其中，液体润滑剂使用最广，通常可分为纯碎型油（矿物油或动植物油）和水溶型两类。

104

（1）液体润滑剂包括矿物油、动植物油、乳液等。

矿物油系指机油、汽缸油、锭子油、齿轮油等。矿物油的分子组成中只含有碳、氢两种元素，由非极性的烃类组成，当它与金属接触时，只发生非极性分子与金属表面的物理吸附作用，不发生任何化学反应，润滑性能较差，在压力加工中较少直接用作润滑剂。通常只作为配制润滑剂的基础油，再加上各种添加剂，或是与固体润滑剂混合，构成液-固混合润滑剂。

动植物油有牛油、猪油、豆油、蓖麻油、棉子油、棕榈油等。动植物油脂内所含的脂肪酸主要有硬脂酸（C17H35COOH）、棕榈酸（软脂酸C15H31COOH）及油酸（C17H33COOH）这三种。它们都含有极性根（如COOH，COONa），属于极性物质。这些有机化合物的分子中，一端为非极性的烃基；另一端则为极性基，能在金属表面上作定向排列而形成润油膜。这就使润滑剂在金属上的吸附力加强，故在塑性加工中不易被挤掉。

乳液是一种可溶性矿物油与水均匀混合的两相系。在一般情况下，油和水难以混合，为使油能以微小液珠悬浮于水中，构成稳定乳状液，必须添加乳化剂，使油水间产生乳化作用。另外，为提高乳液中矿物油的润滑性，也需添加油性添加剂。

乳化剂是由亲油性基团和亲水性基团组成的化合物（如图4-17）。它用于形成O/W型乳液时，由于这两个基端的存在，能使油水相连，不易分离，如经搅拌之后，可使油呈小球状弥散分布在水中，构成O/W型乳液，通常使用的乳化剂为钠皂，钾皂和铵皂。目前，在铜铝及其合金的轧制过程中，大都使用油酸-三乙醇胺系乳液。其组分大致为：机油或变压器油80%~85%、油酸10%~15%及三乙醇胺5%左右。先制成乳膏（剂），然后加90%~97%水搅拌成乳液。其中，水起冷却作用，机油或变压器油为润滑基础油，油酸[C17H33COOH]既作油性剂以提高矿物油的润滑性能，同时又与三乙醇胺[N(CH2CH2 OH)3]起反应形成胺皂，起乳化剂作用。乳液主要用于带材冷轧、高速拉丝、深拉延等过程。

图4-17 硬脂酸钠乳化剂作用机理示意图

（2）固体润滑剂，包括石墨、二硫化钼、肥皂等。

由于金属塑性加工中的摩擦本质是表层金属的剪切流动过程，因此从理论上讲，凡剪切强度比被加工金属流动剪切强度小的固体物质都可作为塑性加工中的固体润滑剂，如冷

105

锻钢坯端面放的紫铜薄片；铝合金热轧时包纯铝薄片；拉拔高强度丝时表面镀铜；以及拉拔中使用的石蜡、蜂蜡、脂肪酸皂粉等均属固体润滑剂。然而，使用最多的还是石墨和二硫化钼。

石墨：石墨属于六方晶系，具有多层鳞状结构，有油脂感。同一层的原子间距为1. 2 A ，° 结合力强，而层与层之间的间距为3. 35 A ，结合力弱。当晶格受到切应力的作用时，应°

容易产生层间的滑移。所以用石墨作为润滑剂，金属与工具的接触面间所表现的摩擦实质上是石墨层与层之间的内摩擦。而且，这种内摩擦力比金属与工具直接接触时的摩擦力要小得多，从而起到润滑作用。石墨具有良好的导热性和热稳定性，其摩擦系数随正压力的增加而有所增大，但与相对滑动速度几乎没有关系。此外，石墨吸附气体后，摩擦系数会减小，因而在真空条件下的润滑性能不如空气中好。石墨的摩擦系数一般在0. 05~0. 19的范围内。

二硫化钼：二硫化钼也属于六方晶系结构，其润滑原理与石墨相同。但它在真空中的摩擦系数比在大气中小，所以更适合作为真空中的润滑剂。二硫化钼的摩擦系数一般为0.12~0.15。

在大气中，石墨温度超过500℃开始氧化，二硫化钼则在350℃时氧化，为了防止石墨、二硫化钼氧化，常在石墨、二硫化钼中加入三氧化二硼，以提高使用温度。

石墨、二硫化钼是目前塑性加工中常用的高温固体润滑剂，使用时可制成水剂或油剂。 肥皂类：常用的肥皂和蜡类润滑剂有：硬脂肪酸钠、硬脂肪酸锌以及一般肥皂等。硬脂酸锌用于冷挤压铝、铝合金；硬脂酸钠用来拉拔有色金属等加工的润滑剂，也用于钢坯磷化处理后的皂化处理工序。

用于金属塑性加工的固体润滑剂，除上述三种外，其他还有重金属硫化物、特种氧化物、某些矿物（如云母、滑石）和塑料（如聚四氟乙烯）等。固体润滑剂的使用状态可以是粉末状的，但多数是制成糊状剂或悬浮液。

此外，目前新型的固体润滑剂还有氮化硼（BN）和二硒化铌（NbSe2）等。氮化硼的晶体结构与石墨相似，有“白石墨”之称。它不仅绝缘性能好，使用温度高（可高达900℃），而且在一般温度下，氮化硼不与任何金属起反应，也几乎不受一切化学药品的浸蚀，BN可认为是目前唯一的高温润滑材料。

（3）液-固型润滑剂

它是把固体润滑粉末悬浮在润滑油或工作油中，构成固-液两相分散系的悬浮液。如拉钨、钼丝时，采用的石墨乳液及热挤压时，所采用的二硫化钼（或石墨）油剂（或水剂），均属此类润滑剂。它是把纯度较高，粒度小于2~6μm的二硫化钼（或石墨）细粉加入油（或水）中，其重量约占25%~30%，使用时再按实际需要用润滑油（或水）稀释，一般浓度控制在3%以内。为减少固体润滑粉末的沉淀，可加入少量表面活性物质，以减少液-固界面的张力，提高它们之间的润滑性，从而起到分散剂的作用。

（4）熔体润滑剂

这是出现较晚的一种润滑剂。在加工某些高温强度大，工具表面粘着性强，而且易于受空气中氧、氮等气体污染的钨、钼、钽、铌、钛、锆等金属及合金在热加工（热锻及挤压）时，常采用玻璃、沥青或石蜡等作润滑剂。其实质是，当玻璃与高温坯料接触时，它可以在工具与坯料接触面间熔成液体薄膜，达到隔开两接触表面的目的。所以玻璃既是固

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体润滑剂，又是熔体润滑剂。

玻璃润滑剂有以下特点：

（1）玻璃的导热性差。当高温下熔化时，玻璃包围在坯料表面，坯料与模具不直接接触，使坯料温度降低，模具也可避免过热。

（2）玻璃的使用温度范围很广，从挤压筒

玻璃 450~2200℃的工作温度范围都可选用，玻璃的

粘度随温度上升而减小，且成分不同，粘度-挤压轴

穿孔针

温度特性不同，因此可根据加工的温度和所需的粘度，选用合适的玻璃成分（见表4-6）。

（3）玻璃的化学稳定性好，和金属不起模子 化学反应。使用时可以粉末状、网状、丝状及玻璃布等型式单独使用，也可与其他润滑剂混图4-18 热挤压时的玻璃润滑 合使用（见图4-18）。玻璃润滑剂的特点是：

被加工后的零件表面上会附上一层玻璃，不易清除。

表4-6 几种玻璃的成分及其使用温度 玻璃主要组成成分（%） 10B2O3、82PoO、5SiO2、3Al2O3 35SiO2、7.2K2O、56PbO 63SiO2、7.6Na2O、6K2O、21PbO 70SiO2、28B2O3、1. 2 PbO 57SiO2、5. 6CaO、12MgO、4B2O3、2Al2O3 81SiO2、4Na2O、13B2O3、2Al2O3 96SiO2、2. 9B2O3 96SiO2 四、润滑剂中的添加剂

为了提高润滑油的润滑、耐磨、防腐等性能，需在润滑油中加入少量的活性物质，这些摩擦系活性物质总称添加剂。

数润滑油中的添加剂，一般应易溶于机油，热稳定性要好，且应具有良好的物理化学性能，常用的添加剂有油性剂、极压剂、抗磨剂和防

温度 T

锈剂等。

图4-19 各种润滑剂的效果 极压剂是一种含硫、磷、氯的有机化合物，

Ⅰ矿物油；Ⅱ—脂肪酸； 如氯化石蜡、硫化稀烃等。在高温、高压下，

Ⅲ—极压剂；Ⅳ—极压剂加脂肪酸 极压剂分解。分解后的产物与金属表面起化学

反应，生成熔点低，吸附性强的氯化铁、硫化

铁薄膜。由于这些薄膜的熔点低，易熔化，且具有层状结构，因此在较高压力下仍然起润滑作用（见图4-19）。采用氯化石蜡的缺点是对金属表面有腐蚀作用。

μ

107

适用温度（℃） 530~870 870~1090 1090~1430 1260~1730 1650 1540~2100 1930~2040 2210 油性剂是指天然酯、醇、脂肪酸等物质。这些物质都含有羧（COOH）类活性基。活性基通过与金属表面的吸附作用，在金属表面形成润滑膜，起润滑和减磨作用。

抗磨剂常用的有硫化棉子油、硫化鲸鱼油等，这些硫化物可以在S-S键处分出自由基，然后自由基与金属表面起化学反应，生成抗腐蚀、减磨损的润滑油膜。起到抗腐、减磨作用。

防锈剂常用的有石油磺酸钡。当加入润滑油后，在金属表面形成吸附膜，起隔水、防锈的作用。

在石墨和二硫化钼中常用三氯化二硼作为添加剂来提高抗氧化性和使用温度。

塑性加工中常用的添加剂见表4-7，润滑剂中加入适当的添加剂后，摩擦系数降低，金属粘模现象减少，变形程度提高，并可使产品表面质量得到改善，因此目前广泛采用有添加剂的润滑油。

表4-7 润滑油中常用的添加剂及其添加量 种 类 1．油性剂 2．极压剂 3．抗磨剂 4．防锈剂 5．乳化剂 7．粘度剂 五、润滑方法的改进

为了减小塑性成形时的摩擦和磨损，除了不断改进润滑剂的性能和研制新的润滑剂外，改进润滑方法，也是一个很重要的凹模 问题。

套管 1．流体润滑

润滑剂

流体润滑常用于线材拉拔（如图4-20），在模具入口处加一个套管。套管与坯料间具有很小间隙。当坯料从套管

毛坯

中高速通过时，就把润滑剂带入模孔内。在模孔入口处，由于间隙变小，润滑油产生高压。当压力高到一定数值时，在坯料与模具之间就产生和保持流体润滑

图4-20 强制润滑拉拔示意图

膜，起良好润滑作用。

在反挤压时，将凹模和坯料作成如图4-21所示的形状，在反挤压过程中，润滑剂能够持久稳定地起到隔离冲头与毛坯的作用，产生良好的作用。

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作 用 形成油膜，减少摩擦 防止接触表面粘合 形成保护膜，防止磨损 防止润滑油生锈 使油乳化、稳定乳液 提高润滑油粘度 化合物名称 长链脂肪酸、油酸 有机硫化物、氯化物 磷酸酯 羧酸、酒精 硫酸、磷酸酯 氯化石蜡 聚甲基丙烯酸等聚合物 添加量 0.1~1% 5~10% 5~10% 0.1~1% ~3% 0.1~1% 2~10% 6．流动点下降剂 防止低温时油中石蜡固化 冲头

在静液挤压和充液拉深（图4-22）等工艺中高压液体是作为传递变形力的介质，同时又起到强制润滑作用。故挤压力比普通挤压要低得多。

2．表面处理

（1）表面磷化处理。冷挤压、冷拉拔钢制品时，即使润滑油中加入添加剂，油膜还会遭到破坏或被挤掉，而失去润滑作用。为此，

1

凹模

毛坯

润滑剂

图4-21 反挤压时的润滑情况

P

2 3

1

2 3 t

图4-22(a) 机械挤压法与静液挤压法比较 图4-22(b)三种挤压方法的压力-时间关系

a—机械的正向挤压；b—静液挤压 1—正向挤压；2—反向挤压；

1—挤压杆；2—坯料；3—模子；4—高压液体 3—静液挤压

要在坯料表面上用化学方法制成一层磷酸盐或草酸盐薄膜。这种磷化膜呈多孔状态，对润滑剂有吸附作用。磷化膜的厚度约在10~20μm之间，它与金属表面结合很牢，而且有一定塑性，在加工时能与钢一起变形。

磷化处理后须进行润滑处理，常用的有硬脂酸钠，肥皂等，故称皂化。

（2）表面氧化处理。对于一些难加工的高温合金，如钨丝、钼丝、钽丝等，在拉拔前，需进行阳极氧化或氧化处理，使这些氧化生成的膜，成为润滑底层，对润滑剂有吸附作用。

（3）表面镀层。电镀得到的镀层，结构细密，纯度高，与基体结合力好。目前常用的是镀铜。坯料经镀铜后，镀膜可作为润滑剂，其原因是镀层的s比零件金属小得多，因此，摩擦也较小。

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思 考 题

1．金属塑性加工的接触摩擦有哪些主要特点？对加工过程有何影响和作用？ 2．金属塑性加工的摩擦分类及其机理如何？ 3．金属塑性加工的主要摩擦定律是什么？ 4．影响摩擦系数的主要因素有哪些？

5．简述塑性加工接触摩擦系数的测定方法及原理。 6．简述塑性加工过程润滑的目的及机理。 7．简述塑性加工工艺润滑剂选择的基本原则。

8．压力加工中所使用的润滑剂有哪几类？液体润滑剂中的乳液为什么具有良好的润滑作用？

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