航空工艺技术
AERONAUTICAL MANUFACTURING TECHNOLOGY
1999年 第1期 No.1 1999



金属板料冲压加工中的摩擦与润滑研究

赵振铎　赵国群　贾玉玺
　　［摘要］　讨论了金属板料与模具接触表面上的“边界摩擦”状态，提出了应根据不同的材质、变形方式及程度等采用不同的润滑剂配方，并阐述了润滑剂各主要组分在冲压加工中的作用。研究了广泛应用于板料加工中的湿膜润滑剂的成膜原理。介绍了自制的分别应用于不锈钢薄板深、浅拉深成形的两种水基润滑剂。
　　关键词： 金属板料　冲压加工　边界摩擦　不锈钢薄板拉深　水基润滑剂
Study on Friction and Lubrication in Sheet Metal Forming Processes
　　［ABSTRACT］　The boundary friction status on the interface 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 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 metal　Metal forming　Boundary friction　Stainless steel sheet metal drawing　Water_Based lubricant
　　以最低的成本制造高质量的金属板料冲压件，必须采用合理的工艺方案、先进的成形设备和模具结构。同时在冲压成形中必要的润滑措施也是提高产品质量、延长模具寿命、获取经济效益的一个重要方面。迄今为止，已对各种工艺方案、设备、模具等方面进行了大量的研究工作并取得了可喜的成果；然而对金属板料在冲压加工中的摩擦机理及润滑剂组分的研究工作还没有给予足够的重视，从而制约了生产的发展。
　　在塑性变形过程中，金属板料与模具表面之间的摩擦，既不同于物理学中广泛采用的干摩擦，即库仑摩擦机理，又不同于机械传动中的流体摩擦，而是通常处于二者之间的“边界摩擦”状态。这种摩擦状态与板料及模具的材质、表面粗糙度、接触应力、变形温度、变形程度、所用润滑剂的组分等诸多因素有关，是一种很复杂的非均匀分布的摩擦状态。
　　近年来兴起的计算机仿真模拟金属塑性成形过程新技术，其边界条件的假设，即板料与模具表面的摩擦状态是影响模拟结果的一个重要因素，因而研究接触面上的摩擦机理对提高模拟的仿真度也有很大意义。
1　板料成形中的“边界摩擦”理论
　　在工具显微镜下观察，板料与模具表面是凸凹不平的，故模具与板料表面的接触面积应分为名义、轮廓和实际接触面积。名义接触面积指的是接触面外边界所包围的面积，即冲压工艺计算中通常所采用的面积；轮廓接触面积指的是波纹凸起受压形成的斑点的面积，实际的接触点就分布在这些斑点内；实际接触面积指的是这些实际接触点的面积之和。显然，实际接触面积比名义接触面积、轮廓接触面积要小得多。在一般的机械零件相接触时，轮廓接触面积约为名义接触面积的5%～15%，而实际接触面积只为名义接触面积的0.01%～0.1%［1］。在板料的冲压加工过程中，由于接触应力大(如拉深工艺中压边力约为25～30 MPa)，实际接触面积比例肯定要大得多，但究竟能占多大比例，目前尚未见到这方面的研究报道。因实际接触面积小，故实际接触面积上的压应力远大于按名义接触面积所计算出的数值。在板料的拉深变形过程中，实际接触面积上的压应力可高达500～2 500 MPa［1］。该点所受的高压力，加上因板料的塑性变形产生的高温(如奥氏体不锈钢板拉深时局部温度可达400 ℃)，使该点处的金属将会产生电子扩散及原子结合，使板料与模具在该点产生所谓的“冷焊”现象。
　　当板料与模具表面产生冷焊后再次滑动时，冷焊结合点处强度较低的板料颗粒将被撕离母体，部分颗粒就留在强度较高的模具表面上，形成“粘接瘤”。因此，金属塑性成形的过程实际上就是一个不断“粘接—撕裂”的过程，此类摩擦称为“犁沟摩擦”。模具表面上形成的“粘接瘤”将会划伤工件表面，加大摩擦，加剧模具磨损，降低模具的使用寿命和工件的表面质量。
　　在板料的冲压加工中，通常在板料或模具表面上涂覆各种润滑剂，以隔离板料和模具，同时对模具起到一定的冷却作用。但在凸起处由于接触压力大，润滑剂膜易被挤出而遭到破坏，导致金属直接接触。同时，在板料的塑性变形过程中，新生金属表面也处于直接的接触状态。故理想的润滑剂应有一定的粘度，对金属表面有较强的吸附性，同时又能迅速地汇集到新生表面处进行润滑保护。板料成形中实际接触面积的大小取决于垂直压力、变形金属的材质以及变形程度的大小，亦取决于所采用的润滑剂的组分及各组分的比例。
2　常用润滑剂及其分类
　　根据上述板料冲压加工中的摩擦特点，对所用润滑剂的要求是：
　　(1)在接触压应力比较大的状态下，润滑剂膜不被破坏，不被挤出，从而能有效地将板料与模具表面分开，使滑动主要在润滑剂膜内进行；
　　(2)对于有较多新生金属面的变形工艺，润滑剂应能及时渗入，以保护新生金属面；
　　(3)对于变形程度大、热量不易散失的材料，润滑剂应对模具和板料起到冷却、降温的作用，如水基润滑剂；
　　(4)润滑剂不污染、腐蚀板料及模具，对人无毒害作用；
　　(5)润滑剂材料来源广，价格便宜；
　　(6)润滑剂应易于涂覆和清洗，操作方便。
　　当然，对于上述要求通常难以全部满足，实际应用时只能抓主要矛盾，如对于变形程度大的拉深件，应重点考虑润滑剂的粘附性而不考虑其是否涂覆和清洗方便；而对于变形程度小的工件则主要考虑便于涂覆和清洗。
　　目前，在板料的冲压加工中，常用润滑剂主要可分为两大类型：
　　(1)干膜润滑剂。主要有清漆、石蜡、金属皂粉、高分子聚合物、塑料薄膜以及各种金属镀层等。
　　(2)湿膜润滑剂。分为水基润滑剂和油基润滑剂两类。主要以水和各种油为基液，再添加各种活性剂、消泡剂、防锈剂、极压剂以及机械隔离剂等组分。
　　干膜润滑剂能很好地起到隔离原金属表面的作用，但涂覆和成形后的去除很困难。同时该润滑剂不能冷却板料和模具，故其应用受到一定的限制。
　　湿膜润滑剂在板料成形中应用最为广泛。一般来讲油基润滑剂粘度大，在高压下油膜不易被挤出，润滑性能良好，但对模具及板料的冷却、降温效果差，且成本较高，除油清洗也较为困难。而水基润滑剂性能则与之相反。正如水基润滑剂不能只用水一样，油基润滑剂也是以某种动物油或植物油、矿物油为基体，根据具体的应用场合，再添加一些必要的化学成分，才能获得最佳的润滑效果。目前国内的不少生产厂家只是使用一种润滑油(如机油、蓖麻油、锭子油、猪油等)组织生产，虽然也生产出了合格产品，但由于模具的使用寿命低，板料的一次成形能力差，制品的质量不好，润滑剂成本高，涂覆清洗困难，增加了制品的生产成本。
　　因为湿膜润滑剂使用广泛，故本文重点介绍湿膜润滑剂的成膜润滑原理及其润滑特性。
3　湿膜润滑剂的成膜原理
　　润滑剂涂覆在金属表面上形成极薄的润滑剂膜，通常有物理吸附和化学吸附两种吸附作用。物理吸附是指润滑剂中的某些组分与金属材料中的原子相互吸引而产生的吸附现象。物理吸附又分为非极性分子吸附和极性分子吸附。一般的矿物油，如机油、锭子油、汽缸油等，均为非极性的烃类有机化合物(CnH2n+1)，当它们与金属表面接触时，由于本身没有永久偶极，只是依靠分子内部电子与原子核发生不对称运动而产生的瞬时偶性与金属原子相吸引，从而粘附到金属表面上形成润滑油膜，如图1(a)所示。这种吸附膜对金属表面的吸附力及其本身分子间内聚力都很弱，故膜的强度很低，润滑性能差。
　　在金属板料成形工艺中使用的另一类润滑剂，如脂肪酸、脂肪酸钠皂、醇类(R-O-H)等，是含有氧元素的极性有机化合物。在它们内部，一端为非极性的烃基，另一端则为极性基。这种具有永久偶极的分子与金属表面接触时，永久偶极带负电一端与金属原子相吸引，而排斥其电子，从而使金属原子正负电荷中心不重合而形成诱导偶极。永久偶极与诱导偶极相互吸引，从而使极性有机化合物分子的极性端与金属表面相吸引，而使非极性端向外排列在金属表面上，如图1(b)所示。这种物理吸附膜的强度和润滑性能大大高于非极性分子的物理吸附膜。

(a)非极性吸附膜

(b)极性吸附膜
图1　物理吸附膜示意图
Fig.1　Schematic diagram of physical 
adhesive sorption film
　　极性化合物在一定的条件下还可以与金属发生化学反应，出现化学吸附。在化学吸附过程中，将产生电子的转移、原子的重新排列、化学键破坏与重新形成等现象。化学吸附有明显的选择性，即某种极性物质只对某些金属产生化学吸附作用。物理吸附一般没有选择性。化学吸附与在金属表面上发生的化学反应类似，只是此类吸附的作用力是化学键，故只能是单分子吸附。
　　试验表明，当金属表面上存有氧化膜，此氧化膜能与脂肪酸等极性物质起反应生成脂肪酸皂等物质时，润滑膜与金属表面接合牢固，并能产生良好的润滑效果。
　　脂肪酸与金属氧化物的化学反应代表式为：
2RCOOH+MeO=(RCOO)2Me+H2O
(1)
　　由于脂肪酸皂(盐)，即上式中的(RCOO)2Me的熔点高于原脂肪酸，故其解析温度高，即该润滑剂膜耐热性好。图2所示为硬脂肪酸(C17H35COOH)在铁表面上产生化学吸附形成的单分子层硬脂酸铁皂膜。这种润滑剂膜在金属表面上附着力大，加之化学反应不可逆，从而使边界润滑能力大为提高。

图2　铁表面上的单分子硬脂酸铁皂膜
Fig.2　Mono_molecular resinate iron soap film 
on the iron surface
　　由于化学吸附具有明显的选择性，故应根据板料的材质、变形条件选择适当的添加剂才能获得令人满意的化学吸附润滑剂膜。
　　在成形过程中接触压力大到一定程度后，上述的物理及化学吸附膜都可能遭到破坏。这时在润滑剂中应添加极压剂组分。极压剂的作用是高压和高温状态下在金属表面上形成一层薄的化合物保护膜，此膜多设计为多孔的化合物。此膜可以起到保护金属表面、降低摩擦系数的作用，同时还能利用多孔结构吸附润滑剂。此膜虽然薄但比化学吸附膜要厚得多，而且稳定得多，类似于涂覆在金属表面上的一层干膜润滑剂。滑动摩擦在此膜外或膜内进行。当然此膜的摩擦系数、抗剪强度要低于基体材料才行，这可以根据材质和变形条件选择适当的极压剂实现。
　　极压剂与金属发生化学反应生成薄膜通常需要一定的温度，如硫系极压剂与铁反应生成硫化铁无机盐膜，其成膜温度约为175～200?℃。常用的极压剂物质主要有：氯化物(如氯化石蜡等)、硫化物(如硫化大头鲸油等)、磷化物(如磷酸三甲酚等)以及碘化物(如碘化苯甲基等)。
　　为了提高润滑剂的润滑效果，通常还要增添一些机械隔离剂(可将滑动摩擦变为滚动摩擦，如添加石墨、二硫化钼等)、乳化剂(如油酸、OP等)、防锈剂以及消泡剂等。
4　不锈钢拉深工艺润滑剂研究
　　不锈钢以其精美光亮的外表以及抗氧化、抗腐蚀、耐高温的特性日益受到人们的喜爱，其产量增长速度很快。然而对其成形工艺、润滑措施的研究却还不够深入和系统。
　　因不锈钢屈服强度σs高，硬化指数n大，热传导性能差，故在其拉深成形时具有下述特点：拉深力及压边力大、板料及模具局部温度高(局部可达400 ℃以上)、模具上易产生“粘接瘤”、工件表面易划伤和拉裂等。
　　对于拉深变形程度大、成形困难的不锈钢拉深件，如不锈钢厨房用洗涤盆，生产中用贴聚四氟乙烯薄膜或喷涂一层含磷酸盐的清漆，再涂润滑剂的方式进行成形加工。该薄膜相当于一层干膜润滑剂，这种润滑方式可以有效地将变形不锈钢板与模具表面隔离开，润滑效果良好，不会产生“粘接瘤”，模具使用寿命高，但生产准备工作麻烦，生产效率低。
　　国外大批量生产此类拉深件，采用在生产流水线上自动喷涂高分子溶液、自动干燥、再喷或不喷润滑剂的方式进行生产。亦有直接采用带塑料薄膜的不锈钢板进行生产的，此类薄膜称为“可剥蓝膜”。
　　采用上述润滑方式成本高，非特殊要求还是应采用湿膜润滑剂组织生产。
　　湿膜润滑剂成膜的厚度h与润滑剂的粘度v、初始厚度h0、接触压力(对于拉深工艺系指压边力)Q有关。D.F.Moore对成膜厚度进行研究后给出下列关系式：

(2)
式中：D0，dρ——坯料原始直径和瞬时测点直径；
　　S——加压时间。
　　从上式可见，润滑剂的粘度和初始厚度要认真考虑，其余几个参数主要由成形工件的尺寸及成形工艺确定。
　　为达到提高润滑剂粘度的目的，一些工厂在不锈钢板上直接涂覆氯化石蜡。该材料是一种极压剂材料，当温度达到120 ℃以上时进行分解，并能与金属板料发生化学反应，生成一层极薄的金属保护膜。但氯化石蜡粘度太大，常温下难以涂覆，且制品清洗工作也很困难。润滑剂亦不能对板料和模具表面起到冷却和降温作用。
　　为解决上述清洗和涂覆问题，经反复试验，研制出一种水基不锈钢润滑剂。该润滑剂以水为基体，添加氯化石蜡等润滑成分以及表面活性剂、机械隔离剂、增稠剂等化学组分。水是载体，在成形中起到均匀分布各种润滑成分、冷却模具的作用。各种润滑成分则分别起到物理吸附、化学吸附的作用，在拉深变形剧烈的部位，则因极压剂的作用生成极薄的化学保护膜。该润滑剂的关键是要有足够比例的有效润滑成分，使板料表面的各个位置上都有润滑剂膜，而不是水。否则，当变形时水因温升而蒸发，该部分就处于干摩擦状态，该部位就会产生“粘接瘤”而划伤工件和磨损模具。
　　对于变形程度小、成形容易的不锈钢薄板拉深件，使用上述润滑剂润滑效果固然很好，但为降低润滑剂的成本和更便于涂覆和清洗，又研制了一种水基不锈钢薄板浅拉深用润滑剂。该润滑剂不含极压剂和机械隔离剂，仅含能产生物理吸附、化学吸附的有效润滑成分及乳化剂等。因而成本更低，清洗也更为方便。
　　上述两类润滑剂经数家工厂试用，效果良好，尤其是浅拉深用润滑剂，成形后制品在清水中晃动几次，即可将润滑剂清洗干净。
5　结束语
　　各种具体的板料冲压件，材质、变形程度不同，对润滑剂的要求也不同。深拉深件因变形困难，要求润滑性能良好，这时不仅要考虑物理吸附作用，还要考虑化学吸附作用，甚至添加极压剂使之产生化学反应薄膜。当然此种润滑剂的成本高、涂覆和清洗困难。而对于浅拉深件，变形程度不大，润滑剂仅靠物理吸附作用就足够了，而且此时润滑剂即使有极压剂也不会生成化学反应膜，只是白白地增大了润滑剂成本和涂覆清洗的难度。

作者单位：赵振铎　赵国群　贾玉玺（山东工业大学）

参考文献
[1] 格鲁捷夫АП等.金属压力加工中的摩擦和润滑手册.北京：航空工业出版社，1990
[2] 茹铮等.塑性加工摩擦学.北京：科学出版社，1992
[3] 梁金生等.新型水基润滑剂在不锈钢拉深中的应用.锻压机械，1995(1)
[4] 赵振铎等.不锈钢薄板拉深工艺中的摩擦与润滑.锻压机械，1997(2)
[5] 张斌等.摩擦过程中真实接触面积的灰色分析.摩擦学学报，1996(1)
[6] 乔玉林等.润滑油极压抗磨减摩添加剂的协同效应.润滑与密封，1997(2)
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