切削丝攻和挤压丝攻（带你直观了解金属压力加工中的摩擦与润滑）

金属在加工过程中，特别是塑形加工过程中（轧制、挤压、拉拔、锻造、冲压），摩擦与润滑都是很重要的，摩擦对金属变形流动的及组织性能影响非常显著。简单的说，就是打铁也是要技术的！

打铁

一、什么是金属加工的摩擦1.1 摩擦的定义

摩擦学（Tribology）一词是1966年才开始使用的，是研究相互作用表面发生相对运动时的有关科学、技术和实践的一门综合性科学技术，其基本内容就是研究机械中的摩擦、磨损和润滑问题。

两个相互作用的物体在外力作用下发生相对运动时所产生的阻碍运动的阻力称为“摩擦力”，这种现象称之为“摩擦”。

产生摩擦应具备三个条件：

①两个物体(或一个物体的两部分)；

②相互接触；

③相对运动(相对运动趋势)。只要具备上述三个条件，摩擦就存在。

摩擦示意图

1.2 磨损的定义

摩擦副之间发生相对运动时引起接触表面上材料的迁移或脱落过程称之为磨损。

磨损示意图

1.3 润滑的定义

在两物体相对运动表面之间施加润滑剂，以减少接触表面间的摩擦和磨损。其中润滑剂包括润滑油、润滑脂、薄膜材料(粘接干膜、镀膜、陶瓷膜等)和自润滑材料。

润滑与摩擦、磨损不同，润滑是人为的、有目的的行动，其目的就是力图减少接触表面间的摩擦和磨损，或者说是控制摩擦和磨损。

摩擦学是涉及数学、物理、化学、力学及热力学、冶金、材料、机械工程、石油化工等多学科领域的综合性的学科。

二、材料摩擦学的发展历程

人民对摩擦的认识，也是经过了很长时间的模式，期间形成了几个学说，那么是哪些呢？

2.1 凹凸说

摩擦第一定律：摩擦力与作用的垂直压力成正比。

摩擦第二定律：摩擦力与接触面积无关。

意大利学者雷纳多·达·芬奇(1452—1519)。

法国物理学家兼建筑师G．阿蒙顿(1663一1705)1696年在法国皇家科学学报上发表了关于摩擦的论文。文中重申了达·芬奇当初得出的摩擦第一定律和摩擦第二定律。阿蒙顿所研究的摩擦表面都是不光滑的。他认为，摩擦的起因是一个凸凹不平的表面沿另一‘表面上的微凸物体上升所作的功，也就是说摩擦是由于表面凸凹不平而引起，即摩擦的凹凸学说。

摩擦第三定律：动摩擦的摩擦力与滑动速度无关。

随后，法国物理学家兼工程师库仑(1736—1806)在1781年通过实验进一步证实了阿蒙顿摩擦定律。同时在此基础上指出，应将静摩擦(统计学)和滑动摩擦(动力学)区分开，并且还观察到：滑动时所需外力大大低于滑动开始时所需外力，即静摩擦大于动摩擦。他提出摩擦第三定律。

库仑在解释摩擦起因时，他认为首先是接触表面凹凸不平的机械啮合力，其次是分子之间的粘附力。虽然，他已认识到粘附在摩擦于可能起一定作用．但是次要的，粗糙表面的微凸体才是主要的。

2.2 粘附说

1734年，英国科学家J．德萨古利埃(1683—1744)，提出了截然不同的摩擦粘附说，他认为摩擦力的真正原因在于接触摩擦区两表面之间的分子粘附作用。

到19世纪末20世纪初，由于表面加工技术的进步，提供了研究接触表面的实验条件，因此，哈迪在对两固体接触表面的研究中发现，固体之间真正接触面积仅仅是宏观面积的微小部分。真实接触面积的揭示推动了摩擦理论的进一步发展，为研究接触副问摩擦机理提供了更深刻、更可靠的基础。

20世纪30年代，摩擦理论有了进一步发展。苏联学者捷拉金提出表面分子吸引力理论，认为摩擦是接触表面分子间相互排斥力与相互吸引力的作用结果。在分子吸附论的基础上又发展了分子机械摩擦理论，认为机械与分子吸附是摩擦之源。摩擦与接触面微凸体的弹塑性变形、微凸体相遇时的剪切、犁沟以及接触面分子吸引有关。

在近代摩擦学发展上被公认的摩擦粘附理论是20世纪40年代英国剑桥大学教授F P 鲍登和D．泰柏提出的。他们认为，表观接触面积与真实接触面积差别很大，而且真实接触面积还会随摩擦条件而变化，两微凸体之间因存在吸附力而形成接点。摩擦力应为剪断金属之间接点所需的力与硬金属表面微凸体在软金属表面犁沟所需力之和。这一理论最初应用于两种金属之间的摩擦，现在，已深入到非金属等许多其他材料。

三、人类对摩擦实际利用过程

直到1883年，英国人B．托尔(1845—1904)在英国机械学会上发表了轴承的实验报告。托尔对机车车辆轴承的动态研究中偶尔发现，当轴承有效地运转时，润滑油会从轴承上开出的小孔中冒出。也就是说，油膜具有很高的流体动压力。

英国著名水利学家O.雷诺(1842—1912)研究分析了托尔实验，在此基础上于1888年提出了流体动压润滑理论，并推导了轴承内油膜压力分布。这篇论文可以说是为流体润滑理论的建立奠定了基础，从此开创了润滑理论研究的先河。

雷诺指出，在理想流体动力润滑条件下，轴与轴承之间的油膜能够文撑轴承载荷，其原因是：当润滑油进入逐渐缩小的间隙时，其流速很大，油是粘性液体，具有黏滞阻力。所以在油楔内会产生液体压力，在合适条件下，该压力能足以将轴与轴承隔开。

人类使用摩擦学

3.1 锻造润滑

公元前13世纪，记载了铜在热锻时利用其氧化物润滑模具。传说公元前7世纪，人们利用自然油污和油脂来锤击铜器和铁器。

许多世纪以来，锻造一直是最常用的一种金属成形方法。

然而，在很长一段历史后，人们才开始在热锻中有目的地采用润滑剂．如用钢制作来福枪零件。从18世纪才开始用带槽的模子进行锻造，采用锯屑、重油以及油与金属砂粒混合物做润滑剂。当然，与今日所用的润滑剂有很大区别。

油或锯屑也可起润滑作用，出为高温锻造时，金属与模具长时间接触，使模具温度升高，它们燃烧生成气体将金属与模具隔仆．防止直接接触，从而达到润滑目的．同时也易于脱模。

二硫化钥与石墨系润滑剂是高温最常用的润滑剂。近年来，玻璃润滑剂也得到广泛应用，如钦合金、不锈钢等金属的锻造就常用此润滑。

3.2 轧制润滑

轧制工艺始于15世纪，首先是冷轧变形抗力很小的金属，如金和铅。

16世纪开始轧制窄带，用来制作货币。

1728年法国首先使用带孔型的轧辊。但是，约100多年后才轧出较规则的金属棒材。

1862年连轧机开始出现在英国的曼彻斯特。

18世纪中期，开始热轧较宽的钢板，而薄板热轧未采用润滑油。

1892年在建成第一套宽带钢连轧机组。此时,用水冷却轧辊，还没有采用工艺润滑：

18世纪开始冷轧较宽的铅板和其他有色金属，同时轧制产品的厚度范围也扩大了。

直到19世纪才开始使用混合润滑油涂抹轧辊进行润滑。润滑油通常是以矿物油(1860年以后才大量获得)和动、植物油为基础油。

随着20世纪冷轧铝板取得显著效果，第一次提出了系统的发展润滑油的任务，对矿物油也提出了更高的要求。为提高润滑效果，往油中添加活性物质。

直到1930年，使用棕桐油作润滑剂获得优良效果，至今棕桐油仍然被公认为高质量的冷轧润滑剂。

由于轧制速度不断提高，轧辊温升增加，迫切要求解决轧辊的冷却问题，因此，出现了兼有润滑和冷却作用的乳化液润滑来代替纯油润滑。

热轧工艺润滑始于20世纪30年代。1935年苏联最早在型钢轧机上用牛油、猪油等动物油润滑轧辊。

1968年美国钢铁公司大湖分厂在热带轧机亡采用工艺润滑。

后来许多国家在板带、型材轧机上应用工艺润滑获得成功。

我国始于1979年，在1700炉卷轧机上取得良好润滑效果。

3.3 拉拔润滑

有文献记载，13世纪开始出现金属丝拉拔行会组织和编写拉拔指南。书中谈到：“当你拉拔金、银丝时，必须把蜡涂在其表面，以便顺利通过模孔，还能使丝材表团呈现光亮的色泽”。

18世纪在拉制铁丝时，人们已经采用棉布对铁丝涂抹肥皂进行润滑的方法。当时德国．采用猪油、植物油做拉拔钢丝用的润滑剂。

连续拉制容易引起金属加工硬化而拉断，使拉拔无法连续。直到1650年Joham Gendes经几次拉拔失败后，气愤之下将钢条从窗口扔到一个铸造厂水洼地中，事后又很惋惜地将钢条捡回。这时，Gendes突然发现钢条由脆变得柔软，且表面有一层薄膜．再继续拉拔时发现已变得很容易加工了。这说明钢条浸入水中被氧化，且表面生成一层氧化膜，在拉拔过程中起到润滑作用。这种偶尔发现的氧化工艺大概沿用了近150年，后来又发现稀释的酸啤酒和水也有润滑作用，这种工艺也用了近50年。

过去采用湿法拉拔，德国习惯用油、乳化油和脂肪酸等作润滑剂，而美国习惯用肥皂进行拉拔。

自从1923年用碳化钨代替钢制模具，1934年使用磷酸盐涂层技术以来，给位拔工艺带来了新的变化。

目前，在拉拔、挤压与深冲等加工中，采用草酸盐、磷酸盐膜进行表面处理，具有润滑效果好和防止表面氧化、生锈的优点，已得到广泛应用。

3.3 挤压与其他工艺润滑

挤压、深冲和镦粗等冷成形时所用润滑剂，一般都是借鉴拉拔润滑工艺而选用。

最先挤压的金属是锡。1797年开始挤压管材。1894年挤压铜及其他合金。与其他加工方法相比，挤压时的润滑更为重要。实践表明，用纯油与石墨混合润滑效果要好。然而，挤压铝及合金时，不用润滑也可获得表面质量较好的制品。

对于高熔点的钢、钛和铜等合金挤压时，存在冷却工具的问题，于是，给挤压带来一定困难。一般用传热性差的玻璃作润滑剂，以防止热传导并进行流体动力学润滑。

温、热静水挤压是通过液体为媒介来传递压力。温度在300℃以下，常用矿物油、植物油与合成油作润滑剂。室温时，使用固体和黄油物质，注入挤压筒内进行润滑。

第二次世界大战期间，发现了两种最有效的润滑剂，那就是磷酸盐和玻璃。

德国人采用磷酸盐处理来冷挤压和冷拉拔钢材。同时，他们也成功地用玻璃润滑热挤压钢材。这两种润滑剂的发现对金属成形工艺的发展起了很大的作用。

齿轮润滑

说了这么多，只是简单的介绍了下摩擦及润滑的定义及作用，摩擦与润滑在人类社会的发展进步中，起到的作用是无法磨灭的，因此，关注好摩擦及润滑，使用好摩擦及润滑十分的重要。

像现在的汽车面板、易拉罐、各种反光器材等等，都是在品质优良的摩擦及润滑条件下生产出来的。

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