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，節省能源，保證產品的質量。要提高工具的壽命，節省能源，保證產品的質量。 （2）潤滑方式）潤滑方式 根據潤滑根據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. 現在普遍認為現在普遍認為19901992年年

2、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為函數的有潤滑為函數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。 根據表面幾何根據表面幾何形貌、材料、運轉條件及表面分離距形貌、材料、運轉條件及表面分離距離離h，可分三種主要潤滑狀態，如圖所示。，可分三種主要潤滑狀態，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 在適當的條件下，工具與工件表面間可由一定在適當的條件下，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)的潤滑油膜隔開，

3、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，這種狀態稱為可以自由地移動，這種狀態稱為流體潤滑流體潤滑。在。在此種情況下，摩擦系數很小，通常為此種情況下，摩擦系數很小，通常為 0.0010.008，依據流體潤滑油，依據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時，由于本身分子流體在外力作用

4、下流動時，由于本身分子之間的之間的內聚力內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，使各流層之間產生速度上的差異各流層之間產生速度上的差異，各流層，各流層之間由于相對運動而產生的摩擦力稱為之間由于相對運動而產生的摩擦力稱為內摩擦內摩擦力力。流體流動時產生內摩擦力的這種性質，叫。流體流動時產生內摩擦力的這種性質，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粘流體流動時才會呈現粘 性，靜止不動的流體不性，靜止不動的流體不 呈現粘性呈現粘性牛頓流體內摩擦定律牛頓流體內摩擦定律 根據牛頓的實驗，流體層間的根據牛頓的實驗，流體層間的內摩擦力內摩擦力F與層間與

5、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 流層間的剪應力；流層間的剪應力； dv/dz流速梯度；流速梯度； 比例常數，表征流體粘性的大小，稱為粘度。比例常數，表征流體粘性的大小，稱為粘度。 此式稱為牛頓流體內摩擦定律，也就是此式稱為牛頓流體內摩擦定律，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 流體的流體的內摩擦內摩擦正比于流層間的相對正比于流層間的相對速度速度，并隨液體的并隨液體的粘度粘度而改變，但而改變，但與正壓

6、力無與正壓力無關關。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系不大速度關系不大。應指出，符合上述線性速度分布的流體，應指出，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學作用，由摩流體動壓潤滑是借助于粘性流體的動力學作用，由摩擦擦表

7、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生產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關系式的基本摩擦學關系式,所以下所以下面對雷諾方程進行討論。假設條件面對雷諾方程進行討論。假設條件: 1)流體是牛頓流體流體是牛頓流體 2)流體是層流流體是

8、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，流體的壓力為常數沿流體膜厚度方向，流體的壓力為常數。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生上發生變化變化以及以及流體流體沿沿x,y,z方向發生變化時，方向發生變化時，壓力壓力梯度梯度、流速流速、油膜厚度、潤滑油粘度等參數之間的關系油膜厚度、潤滑油粘度等參數之間的關系以圖為例說明產生油膜壓力的原因 油楔效應油楔效應 由流體膜形狀

9、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； 表面伸縮效應表面伸縮效應 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，它所產生的壓力極小，可不計；所產生的壓力極小，可不計； 擠壓效應擠壓效應 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，所產生的效應可不計。時間變化時，所產生的效應可不計。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，因而產生收斂的楔形間隙及較大的相對運動速

10、度差，因而產生較強烈的較強烈的油楔效應油楔效應，并出現流體動壓潤滑狀態的可能，并出現流體動壓潤滑狀態的可能性較大。但是，由于影響流體潤滑狀態形成的因素很性較大。但是，由于影響流體潤滑狀態形成的因素很多，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完金屬加工成形過程中較難出現完全的流體動壓潤滑狀態全的流體動壓潤滑狀態。三維雷諾方程的應用非常煩三維雷諾方程的應用非常煩瑣，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。 假設假設y向尺寸為無限寬，油液沿此方向無運動，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

11、量，即方向上保持常量，即流體動壓強制潤滑 應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，保持一層較厚的潤滑油膜。隙內，保持一層較厚的潤滑油膜。壓力是由外加靜壓產生壓力是由外加靜壓產生的，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靜液擠壓是屬于利用液體靜壓作用而實現是屬于利用液體靜壓作用而實現的，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

12、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”的產生的產生 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，通常出現混合潤滑狀態，即一部分為出現混合潤滑狀態，即一部分為邊界潤滑區邊界潤滑區、一部分一部分為潤滑為潤滑“小池小池”區區，如圖所示。，如圖所示。 在金屬材料成形過程中，應盡量減少在金屬材料成形過程中，應盡量減少“潤滑小池潤滑小池”的產生，否則變形金屬的的產生，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

13、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CnH2n+2),當它們與金屬表面接觸時，當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,只在分子內部由于電子和原子只在分子內部由于電子和原子核的

14、不對稱運動而出現核的不對稱運動而出現瞬時偶極瞬時偶極，靠瞬時偶極產生的，靠瞬時偶極產生的色散力色散力,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，構成非極構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聚力由于金屬對潤滑油本身的內聚力都很弱。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

15、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，這類物質的分子內部，性化合物，這類物質的分子內部，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。當極性分子與非極性分子靠近時所示。當極性分子與非極性分子靠近時除有除有色散力與誘導力色散力與誘導力。同時，誘導偶極又作用于極性分。同時，誘導偶極又作用于極性分子，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。當具有當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

16、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，從而產生誘導偶極，永屬原子的正負電荷中心不重合，從而產生誘導偶極，永久偶極和誘導偶極互相吸引，于是極性分子的極性端與久偶極和誘導偶極互相吸引，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構 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

17、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，分子間內聚力的存在，分子間內聚力的增強增強，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低，高溫下將發生破裂，低，高溫下將發生破裂，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。 化學吸附與金屬表面的作用化學吸附

18、與金屬表面的作用 極性分子與金屬表面除能發生物極性分子與金屬表面除能發生物理吸附外，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作用，發生通過化學作用，發生化學吸附化學吸附。當金屬表面有一層當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反應化學反應，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，可以起到邊界潤滑作的表面時，可以起到邊界潤滑作用。反應式：用。反應式： 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

19、酸C17H35COOH在鋼坯表面化學吸附形成的單分在鋼坯表面化學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反應膜與金屬表面的作用化學反應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元素的添加劑在一定的溫元素的添加劑在一定的溫度下易產生化學反應形成化學度下易產生化學反應形成化學反應膜。反應膜。 例如，硫與鐵反應生成硫化鐵例如，硫與鐵反應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

20、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，硫得到電子的反應而形成硫化鐵，即：反應而形成硫化鐵，即： S2eS2- FeS Fe-2eFe2+ 邊界潤滑膜在不同溫度下的摩擦系數邊界潤滑膜在不同溫度下的摩擦系數 曲線曲線非極性基礎油非極性基礎油（礦物油）（礦物油） 曲線曲線在基礎油中加在基礎油中加入入脂肪酸添加劑脂肪酸添加劑（油性油性劑劑） 曲線曲線在基礎油中加在基礎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 曲線曲線若在基礎油中若在基礎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

21、潤滑的機理 當金屬表面上形成當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，接觸表面產生相對滑固吸附，接觸表面產生相對滑動，將在動，將在邊界膜內進行邊界膜內進行a 極性分子的極性端與金屬表面極性分子的極性端與金屬表面c、e 極性分子的極性端結合的牢固極性分子的極性端結合的牢固b、d、f-非極性端結合的弱，易形非極性端結合的弱，易形成滑移面成滑移面abcde 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，即潤滑可能出現的出現的“極限極限”狀態。狀態。 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：兩種潤滑極限狀態： 1)向右端向右端 隨著速度的增加隨著速度的增加,流體的層流狀態流體的層流狀態可能轉變為可能轉變為紊流狀態紊流狀態。 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運轉潤滑狀態運轉,潤滑劑膜最終將會破壞潤滑劑膜最終將會破壞,并導并導致致“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