金属板料冲压加工中的摩擦与润滑研究

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1、金属板料冲压加工中的摩擦与润滑研究6-4id=zoom>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

2、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

3、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25～30MPa)，实际接触

4、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500～2500MPa［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

5、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

6、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

7、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

8、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