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浅析金属冲压拉伸润滑

作者:
来源:
奥科宝
发布时间:
2020/07/17
【摘要】:
浅析金属冲压拉伸润滑
金属冲压拉伸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,奥科宝提醒您,冲压拉伸中,须加以润滑。 润滑技术的开发能促进金属冲压拉伸的发展。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。        一、金属冲压拉伸时摩擦的特点及作用 冲压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。冲压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。冲压拉伸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)伴随着冲压变形而产生的摩擦,在冲压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。接触面上各处的冲压流动情况不同,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冲压变形;而金属不但比工具柔软得多,且希望有较大的冲压变形。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。 (5)恶化工件表面质量,加速模具磨损,降低工具寿命。冲压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。                二、冲压拉伸中摩擦的分类及机理 冲压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。但在实际生产中,这种绝对理想的干摩擦是不存在的。因为金属冲压拉伸过程中,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,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。冲压拉伸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。 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。 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,在冲压拉伸中,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。 三、冲压拉伸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: 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。                 四、冲压拉伸的工艺润滑 一)、润滑的目的 为减少或消除冲压拉伸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冲压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。 冲压拉伸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,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。 (2)吸附机制 金属冲压拉伸用润滑剂从本质上可分为不含有表面活性物质和含有表面活性物质两大类。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。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。 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。 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,在金属冲压拉伸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.冲压成形中对润滑剂的要求 在选择及配制润滑剂时,必须符合下列要求: (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,通常可分为纯油(矿物油或动植物油)和水溶型两类。 四)、润滑方法的改进 为了减小冲压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,也是一个很重要的问题。 1.流体润滑 流体润滑常用于线材拉拔,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膜,起良好润滑作用。 在反挤压时,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。在静液挤压和充液拉深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,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,而且有一定冲压,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。