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，如此高的麵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，除了內部組織和效能變化外，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，，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%。
（2）引起工件變形與應力分布不均勻。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布不均勻，由邊緣至中心壓力逐漸公升高。變形和應力的不均勻，直接影響製品的效能，降低生產成品率。
（3）惡化工件表面質量，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質量與尺寸精度。
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，強化軋制過程；增大衝頭與板片間的摩擦，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餵入擠壓坯料時，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，直接餵入冷坯（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。
此外因設定緊湊、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它介質。
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。
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）。
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汙染膜，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。它既可以是半乾摩擦又可以是半流體摩擦。半乾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，乙個表面的部分「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下時的變形阻力。
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。
其數學表示式為：
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：
= k4. 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，其表示式為：
=m·k4. 3）
式中，m為摩擦因子。（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。對於麵壓較高的擠壓、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，由於金屬的剪下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效能有關。
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