1.前言
金屬加工用油泛指經(jīng)過機(jī)械切割或電火花切割除去金屬或經(jīng)過沖壓、擠壓等成型金屬所用的潤(rùn)滑油水基潤(rùn)滑液和油膏(包括潤(rùn)滑脂)。與三大油(發(fā)動(dòng)機(jī)油、液壓油和齒輪油)不同，金屬加工用油僅占潤(rùn)滑油消耗量的1～2%，卻因摩擦工況而千差萬(wàn)別，所需的金工油品種繁多。三大油用量很大，發(fā)動(dòng)機(jī)油用量占潤(rùn)滑油總量的一半，預(yù)計(jì)到2005年我國(guó)車輛總數(shù)達(dá)三千萬(wàn)輛，發(fā)動(dòng)機(jī)油年消耗量達(dá)170萬(wàn)噸。但開發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)油成本很高，國(guó)外開發(fā)一個(gè)配方所需的臺(tái)架試驗(yàn)等費(fèi)用高達(dá)幾百萬(wàn)美元?？鐕?guó)公司憑借其強(qiáng)大的經(jīng)濟(jì)實(shí)力和專利技術(shù)搶占領(lǐng)我國(guó)高檔發(fā)動(dòng)機(jī)油市場(chǎng)。雖然我國(guó)自己研制的發(fā)動(dòng)機(jī)油的水平與國(guó)外相比并不低，但由于銷售渠道不通等原因，中石化與中石油的高檔產(chǎn)品只占3%的市場(chǎng)份額。金屬加工用油除少數(shù)幾種外，一般是數(shù)量少，品種多，跨國(guó)公司難以全面壟斷中國(guó)市場(chǎng)。另一個(gè)特點(diǎn)是附加值高，特別是稀缺的品種，利潤(rùn)率可達(dá)100%或以上。還有一個(gè)特點(diǎn)是金工油一般沒有像三大油那樣很嚴(yán)格的、標(biāo)準(zhǔn)化的臺(tái)架試驗(yàn)程序，更缺乏有效的統(tǒng)一的模擬試驗(yàn)方法，主要靠現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)評(píng)價(jià)其質(zhì)量的優(yōu)劣。在這種情況下，開展摩擦學(xué)的應(yīng)用研究，對(duì)于提高金工油的質(zhì)量，解決面臨的形形色色的潤(rùn)滑問題，以及發(fā)展行之有效的模擬試驗(yàn)方法，都有積極意義。本文討論了幾大類金工油的摩擦學(xué)問題，并對(duì)今后研究方向提出自己的看法。
2.金屬切削潤(rùn)滑劑
2.1概況
切削潤(rùn)滑劑約占金工用油消耗量的一半，其中的切削油主要用于難加工的低速、小進(jìn)給的加工條件，而大量使用的是有利于環(huán)保、不冒煙和著火的水基切削液，80年代發(fā)達(dá)國(guó)家的水基切削液約占切削潤(rùn)滑劑總量的90%以上。水基切削液又分為乳化液、合成液和微乳液三類。雖然這些水基切削液均具有冷卻作用、清洗作用、防銹作用和潤(rùn)滑作用，但是微乳液的綜合性能更優(yōu)越，而且不易發(fā)霉，廢液處理容易，而獨(dú)占鰲頭，成為今后的發(fā)展方向。
2.2切削中的摩擦磨損
除了電火花加工是采用脈沖放電，使金屬局部熔化而達(dá)到切割金屬的目的，其它切削均采用刀具(包括硬質(zhì)合金刀和陶瓷刀具)和磨料進(jìn)行金屬加工。
2.2.1切削中的摩擦機(jī)理
切削過程中的切削力來源于前刀面和后刀面。一是被切削金屬、切屑和工件表面金屬的彈、塑性變形抗力，另一是刀－屑和刀－工件間的摩擦阻力，而切削力來源的比例，隨著切削體系的變化而變化。切削熱由切削產(chǎn)生，并經(jīng)由刀具、工件、切屑和切削液而傳出。由于切削力和切削溫度較易實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)，常作為刀具摩擦和破損的間接物理量。
2.2.2切削中的磨損機(jī)理
切削是一種劇烈的摩擦磨損過程，刀具的磨損不但縮短刀具壽命而且直接影響被加工零件的精度和表面粗糙度。刀具的磨損機(jī)理包括熱磨損和機(jī)械磨損，前者是發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪和液壓系統(tǒng)中未遇到的特殊的磨損機(jī)理，后者則與之有共同特點(diǎn)。
2.2.2.1熱磨損
包括擴(kuò)散磨損、熱電磨損和氧化磨損。
- 擴(kuò)散磨損
- 切削過程中，刀具承受的切削壓力達(dá)到2～3GPa，切削溫度高達(dá)900～1100℃。在切削高溫和高速的條件下，刀具的擴(kuò)散磨損要比一般機(jī)械零件大的多。它不只是使刀具擴(kuò)散而損失材料，還增大刀具與切屑間的粘著，增大刀具的粘著磨損。刀具粘結(jié)劑以及硬質(zhì)相(WC及TiC)的向外擴(kuò)散和工件成分向工具擴(kuò)散還引起刀具的脆化和軟化，降低表面強(qiáng)度，增大刀具的粘著磨損和磨粒磨損，使前刀面呈月牙形。
- 熱電磨損
- 另一種熱磨損是熱電磨損，在切削區(qū)高溫作用下，刀具與工件兩種不同材質(zhì)的接觸會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)和熱電流，使刀具磨損加劇。
- 氧化磨損
- 切削溫度高時(shí)，刀具材料劇烈氧化形成一系列松軟的氧化物，并被切削帶走，造成“氧化磨損”，造成刀具“燒傷”，使刀具出現(xiàn)溝槽。
2.2.2.2機(jī)械磨損
包括磨粒磨損、粘著磨損和疲勞磨損，與機(jī)械中常見的磨損機(jī)理有共同之處。
2.2.2.3各種磨損機(jī)理的相對(duì)重要性
圖1
①磨粒磨損②疲勞磨損③粘著磨損
④氧化磨損⑤熱電磨損⑥擴(kuò)散磨損 |
圖2
(a)高速鋼(b)硬質(zhì)合金(c)陶瓷 |
在低溫下，刀具的磨損以機(jī)械磨損為主，在高溫下，因熱磨損量隨切削溫度的升高比機(jī)械磨損快的多，因此占主導(dǎo)地位，在各種不同溫度下各種磨損對(duì)刀具的磨損強(qiáng)度(單位切削過程的磨損量)的貢獻(xiàn)不同(圖1)，不同材質(zhì)的刀具的磨損特性也不同(圖2)。
2.3切削潤(rùn)滑劑減磨抗磨機(jī)理
2.3.1滲入機(jī)理
由于切削過程中摩擦副的幾何結(jié)構(gòu)以及高溫、高壓和高速的特點(diǎn)，切削液本來是很難進(jìn)入刀－屑和刀－工摩擦接觸區(qū)，有人推測(cè)由于切削在摩擦界面上強(qiáng)大的擠壓和剪應(yīng)力作用下產(chǎn)生微裂紋，起著毛細(xì)管的作用，把切削液帶入摩擦表面，起潤(rùn)滑摩擦面的作用。
2.3.2冷卻作用
冷卻作用取決于導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、汽化熱和對(duì)金屬表面的潤(rùn)滑性。因此，冷卻能力按下列次序遞減：合成液>微乳液>乳化液>切削油，冷卻對(duì)于降低切削摩擦工況的苛刻程度起著關(guān)鍵的作用。
2.3.3 潤(rùn)滑機(jī)理
在切削區(qū)的極高溫度和壓力下，是難以形成一種機(jī)械零件那種流體潤(rùn)滑和彈流潤(rùn)滑狀態(tài)的，通常工作在邊界潤(rùn)滑狀態(tài)下。因此，切削液通常加極壓抗磨劑，在摩擦面形成低剪切強(qiáng)度的邊界潤(rùn)滑膜來防止刀－屑和刀－工粘結(jié)，并降低切削力和切削強(qiáng)度。對(duì)精加工輕載荷的切削，一般添加脂肪酸，在摩擦面形成脂肪酸皂半固體膜，在90～150℃下具有一定的承載能力，而在高速重載切削時(shí)則要加S、P、Cl極壓劑，形成高熔點(diǎn)固體潤(rùn)滑膜(FeS熔點(diǎn)高達(dá)980℃以上)在嚴(yán)酷條件下起潤(rùn)滑作用。
對(duì)于一個(gè)好的切削潤(rùn)滑劑，不但要求散熱性好，還要求有好的切削性能，希望被切削的工件磨損大而用于切削的刀具和砂輪磨損小，切削省力，刀具和砂輪的壽命長(zhǎng)。這與通常的機(jī)械零件的一味要求減摩和抗磨有很大的不同，也給切削性能優(yōu)異的切削油液配方研究留下來很大的空間。據(jù)報(bào)道，采用新技術(shù)開發(fā)的切削液可使磨削性能提高130倍之多。過去幾十年來，研究論文大量集中在鋼－鋼摩擦副的摩擦磨損和潤(rùn)滑行為的研究，但是深入探討添加劑對(duì)鋼－砂輪潤(rùn)滑機(jī)理的論文屈指可數(shù)。Yamanaka等人詳細(xì)研究了用于CBN砂輪的研磨液中各種添加劑的作用，說明極壓劑效果最佳，特別是含硫極壓劑和酸性磷酸酯，其次是油性劑，而磨擦改進(jìn)劑最差，油性劑中C14以上的飽和脂肪酸切削效率最高。
2.3.4潤(rùn)滑機(jī)理的材料依賴性
切削加工的刀具和磨料采用兩大類不同的材料。，兩者的潤(rùn)滑機(jī)理有很大的不同。由于陶瓷材料的硬脆性，在摩擦磨損過程中不如金屬材料那樣容易產(chǎn)生塑性變形，意味著不容易產(chǎn)生粘著磨損，陶瓷耐高溫，耐腐蝕，耐磨損，同時(shí)也降低了極壓抗磨劑的化學(xué)活性，無(wú)法象金屬材料那樣容易生成含S、 P、Cl的極壓固體膜，造成潤(rùn)滑的困難。
2.3.5用于評(píng)價(jià)切削潤(rùn)滑劑的有效性的模擬試驗(yàn)
圖3 |
除了上車床直接試驗(yàn)外，還常采用以下試驗(yàn)機(jī)：
- 四球機(jī)
- 國(guó)內(nèi)評(píng)價(jià)切削潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑性最常用的是四球機(jī)，切削油測(cè)定PB和PD，而水基切削液按GB/T 6144規(guī)定測(cè)PB值。但是四球試驗(yàn)中并不存在金屬的塑性流動(dòng)，工廠的經(jīng)驗(yàn)表明，PB值的高低與乳化液的切削性能并沒有一定的關(guān)系，有些PB值高的乳化液中皂含量往往比較高，粘度大，容易堵塞砂輪。楊文慶等人提出用PD/PB比值作為評(píng)價(jià)潤(rùn)滑性的指標(biāo)，指出采用較高的PD值和適當(dāng)偏低的PB值得切削液可以顯著減少砂輪磨損和提高磨削效率。
- 值得注意的是，用加表面活性劑提高水基切削液的油膜強(qiáng)度PB值很有效，但是常規(guī)的含S、P、Cl極壓劑加入水基潤(rùn)滑液中，提高燒結(jié)負(fù)荷的效果都很差，可能是水的存在降低了這些傳統(tǒng)極壓劑的效果。例如Imperial-1070母液的PB值為85Kg，PD值高達(dá)620Kg，稀釋為5%乳化液時(shí)，PB值只下降了5Kg，為80Kg，而PD值僅為160Kg，與水的燒結(jié)負(fù)荷(100－126Kg)相差不大，要有效地提高切削液的PD值還得靠納米技術(shù)。納米粘土就可以使水的PD值提高2級(jí)。加入1%40～60nm油酸修飾的TiO2微粒，再用茶皂素為表面活性劑將其均勻分散到水中，PD值高達(dá)4400N。
- 攻絲扭矩試驗(yàn)機(jī)
- 除了四球機(jī)外，評(píng)價(jià)切削液潤(rùn)滑性用的最多的是攻絲扭矩試驗(yàn)機(jī)，可直接測(cè)出攻絲扭矩，算出攻絲效率，它還能做擠壓試驗(yàn)，用于模擬拉拔和軋制。
- 改型Timken試驗(yàn)機(jī)和Falex試驗(yàn)機(jī)
- 采用電鍍等方法改變Timken環(huán)塊試驗(yàn)機(jī)的環(huán)或Falex銷塊試驗(yàn)機(jī)的銷的摩擦面的材質(zhì)，用來評(píng)價(jià)潤(rùn)滑劑和添加劑的研磨材料。其中一種形式如圖3所示。
3.金屬塑性成型加工潤(rùn)滑劑
3.1沖壓拉深工藝用潤(rùn)滑劑
沖壓拉深是機(jī)械制造中的一類塑性變形加工工藝。由于晶格的滑移以及劇烈的摩擦產(chǎn)生大量的熱量，難以通過模具在短時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散出去。如果沒有很好解決沖壓和拉深過程中的潤(rùn)滑問題，當(dāng)摩擦力達(dá)到一定程度，工件將被拉破而報(bào)廢，不但直接影響