金属材料冷拉拔及流体动力润滑

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1.冷拉拔成形工艺的特点 冷拉拔是指金属棒料或者管材在拉力作用下通过具有一定形状的模孔，从而获得一个一定形状和尺寸的小截面产品的塑性成形方法。如：各种尺寸的无缝管材、异性管、异性棒料等，在碳钢、铜、铝及其合金等金属材料的塑性加工中占有非常重要的地位。 冷拉拔加工的特点是：由于接触表面的压力很高，摩擦力很大，从而限制了材料的变形程度，同时容易在制品的表面上产生很多的划伤，影响制品的表面质量。产生摩擦力的原因主要为：金属材料塑性变形大，产生的热量大，接触点发生电子或者原子的转移，从而使金属材料发生黏着，冷拉拔过程就是一个黏着—撕脱交替进行的过程。各黏着点被剪切而撕脱的阻力是构成摩擦力的主要部分；硬金属(模具)粗糙表面上的微凸体也将压入软金属(拉拔材料)表面，使之发生塑性变形并犁出沟槽，此犁削金属而产生的滑动阻力也是摩擦力的一部分。但是当两表面较光滑时，它与黏着造成的摩擦力相比影响较小。此外拉拔材料与模具表面平面接触部分的滑动阻力，以及润滑剂的流动阻力也是拉拔过程中的摩擦力一个组成部分，但是所占比例比较小。 研究表明，拉拔中总能量的约10%消耗于变形金属坯料与模具间的外摩擦。当低速拉拔时，模具与金属坯料产生的热量，几乎都能够传递到金属坯料与模具材料内部。而在高速拉拔时，产生的变形热和摩擦热来不及传递，从而使模具与金属坯料界面的温度急剧上升，引起润滑膜的破坏，并发生金属坯料与模具的黏结现象。 随着摩擦系数的增加，摩擦能耗占总能耗的比例增加。当摩擦系数在0.02—0.1之间变化时，断面收缩率为10%—40%，摩擦消耗功所占的比例也由6%增加到40%。 目前在金属材料的冷拉拔加工工艺中，采用干粉润滑剂，不仅摩擦力比较大，而且污染环境，不利于保护工人的身体健康。所以应该采用流体润滑剂，并实现“流体动力润滑”。其关键技术是：在冷拉拔的工艺过程中建立起“润滑剂的强迫润滑机制”。 2.金属材料冷拉拔工艺流体动力润滑 流体动力润滑的摩擦特点为： (1)完全的流体润滑状态，摩擦系数极低，其值通常在0.001—0.0001之间，所以能够有效的降低摩擦的力能消耗。 (2)由于在流体润滑状态下，摩擦系数小，由摩擦而产生的热量小，并且摩擦面上不断地流过润滑剂，润滑剂带走了大部分的热量，对摩擦表面的冷却效果好，模具表面的温度比较低，有利于提高模具的使用寿命。 (3)摩擦面的磨损很少，甚至不发生磨损和黏结损伤，同样将大大地提高模具寿命。 (4)形成的润滑膜层较厚，可达数十um到几百um，即使是在高压状态下，润滑膜也足以将金属与模具表面分隔开。 (5)由于摩擦阻力小，从而可以提高拉拔制品的表面质量。 理论分析表明：变形区内的外摩擦力取决于润滑剂膜的厚度，而润滑剂膜的厚度取决于接触压力、润滑剂的黏度、接触表面的温度和相对滑动的速度、以及锥管长度和斜度等诸多因素。接触压力越大，润滑剂膜越薄；润滑剂的黏度越大，润滑剂膜在相同的接触压力下不易被挤出，润滑剂膜也就比较厚；当接触面的温度比较高时，由于润滑剂在比较高的温度下其黏度变稀，从而容易被挤出，所以润滑剂膜的厚度就比较薄；而相对滑动的速度大时，润滑剂内部的压力升高大，从而也可以使润滑剂保持比较厚的润滑剂膜；锥管的长度越长、斜度越大，越有利于在润滑剂内部建立压力场，产生较厚的润滑剂薄膜。 所以对于拉拔过程中使用的液体润滑剂，除对于润滑剂的一般要求外，还要求具有下列特殊性能： (1)为满足高速拉拔的要求，由于高速拉拔时金属材料塑性变形产生的热量将会使材料升温，所以要求润滑剂应在高温下能够保持性能不变； (2)良好的冷却模具与金属坯料的作用，防止模具和拉拔材料由于过热而产生黏着； (3)润滑剂在拉拔时应有良好的附着性能，但拉拔后制品表面的润滑膜又能容易地被去除，并对产品热处理和退火质量无不良影响； (4)润滑剂的材料来源广，价格便宜； (5)润滑剂在使用和制造过程中，不污染环境，对操作人员无毒副作用。 3.拉拔过程中流体强迫润滑机理 冷拉拔工艺的成形特点可以由金属材料接触表面微观不平度的夹带机制、流体动力润滑机制、以及润滑剂与接触面的物理及化学吸附机制共同作用，从而在金属材料的变形区中形成强有力的润滑薄膜，起到润滑效果。 冷拉拔工艺中的模具和拉拔金属表面都不可能绝对光滑甲整，凹凸不平的表面上的凹穴将会储存润滑剂称为润滑油池，拉拔时润滑剂将随同润滑“油池”被带入变形区。表面愈粗糙带入的润滑剂愈多，润滑膜的厚度就愈厚。这就是润滑剂的夹带机制。 根据流体动力学原理，在拉拔中由于金属坯料与模具的相对运动，将涂覆在金属坯料表面上的润滑剂带入塑性变形区。由于模具存在锥角，润滑剂在金属材料变形区入口处形成润滑剂油楔。黏附在拉拔金属表面的润滑剂随之同步运动，润滑剂在经过间隙逐渐变小的锥形管时，润滑剂内部逐渐增压，当增压到一定程度时，就可以有效地避免或减少润滑剂被高接触压力挤出的现象。润滑剂内部的压力使接触压力很大的变形区的金属与模具表面仍存在一层薄而稳定的润滑剂膜，金属坯料与模具表面间的相互滑动主要在此薄膜内进行，从而可以有效地减少摩擦力，这就是润滑剂的流体动力润滑机制。 同时，在润滑剂中添加各种极压剂、油性剂，以提高润滑剂在金属表面上的吸附作用，实现润滑剂的吸附机制。(图/文www.wxlgjx.cn)

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