[科普中國]-邊界摩擦

簡介

當(dāng)坯料與模具之間的接觸界面上有潤滑劑存在，由于潤滑劑與金屬表面的吸附作用，因而在金屬表面上形成極薄的邊界油膜，狹義地說，這種邊界油膜只是在金屬表面上物理吸附或化學(xué)吸附的有機(jī)薄膜，其機(jī)理是潤滑劑(礦物油)中總含有一些極性物質(zhì)，它的一端能牢固地吸在金屬表面上，通常由3～4層分子形成邊界吸附膜，當(dāng)接觸表面相對移動時，與金屬表面相吸附的分子層不發(fā)生相對位移，而是上面的分子之間發(fā)生位移，代替了部分金屬之間的直接摩擦，起到一定的潤滑作用。由于這種有機(jī)膜的厚度僅約為10-6mm，不足以將坯料與模具之間的接觸界面完全分隔開，所以相互運(yùn)動時，兩金屬表面微觀的高峰部分仍將相互搓削，這種潤滑狀態(tài)稱為邊界潤滑，這種狀態(tài)下產(chǎn)生的摩擦稱為邊界摩擦，此時，坯料與模具接觸界面之間的摩擦和磨損不是取決于潤滑劑的粘度，而是取決于潤滑劑的化學(xué)特性和接觸界面本身的的特性。一般而言，金屬表面覆蓋一層邊界油膜后，雖然不能絕對消除表面的磨損，卻可以起到減輕磨損的作用。若這層邊界油膜完全被擠掉，則坯料與模具直接接觸，此時會出現(xiàn)粘?，F(xiàn)象。大多數(shù)汽車覆蓋件沖壓成形中的摩擦屬于邊界摩擦。

典型的邊界潤滑劑是油、脂肪油、脂肪酸和皂。邊界膜通?？梢栽谇鍧嵉谋砻嫔涎杆傩纬?鈦和不銹鋼金屬表面例外)，且通常是在模具表面而不是在坯料表面形成邊界膜。在邊界潤滑時，摩擦系數(shù)大約為0.1～0.4，具體數(shù)值取決于邊界膜的強(qiáng)度和厚度。1

邊界摩擦成形條件與特點(diǎn)邊界摩擦是一種客觀存在。經(jīng)過大量的試驗(yàn)和研究人們漸漸了解到，邊界摩擦只有在低速和高比壓下才有可能出現(xiàn)前蘇聯(lián)學(xué)者格魯別夫認(rèn)為：摩擦副的相對滑動速度高于5m/s，其間的單位壓力小于0.98MPa(10kgf/cm2)不會出現(xiàn)邊界摩擦。

必須具備一定的條件才會出現(xiàn)邊界摩擦。

1)兩個密封端面是平行的，在外徑邊兩者不平行度之和不大于0.06μm/cm

2)在某一具體的表面粗糙度下，端面比壓和介質(zhì)壓力之比達(dá)到一定程度，使縫隙中不能形成液膜壓力；

3)端斷比壓Pg>65N/cm2

這三條必須同時滿足，才能出現(xiàn)邊界摩擦。

邊界摩擦的特點(diǎn)：

對具體的摩擦副材料，各種介質(zhì)的摩擦系數(shù)均相同j從圖86可知，盡管載荷系數(shù)和滑動速度不同，進(jìn)入邊界摩擦狀態(tài)以后(A點(diǎn)以后)摩擦系數(shù)不變。2

邊界摩擦的機(jī)理兩個作相對運(yùn)動的物體表面僅被分子大小厚度的潤滑劑油膜所隔開的摩擦狀態(tài)，稱為邊界摩擦。近代對于邊界摩擦機(jī)理的研究進(jìn)一步指出，邊界摩擦是兩個作相對運(yùn)動物體表面之間的摩擦和磨損取決于表面性能和潤滑劑性質(zhì)(除黏度外)的一種摩擦狀態(tài)。

邊界摩擦是介于干摩擦與液體摩擦之間的一種摩擦狀態(tài)，所對應(yīng)的摩擦系數(shù)一般為0.05～0.15。通常，塑性加工過程處于邊界摩擦狀態(tài)，或是以邊界摩擦為主的混合摩擦狀態(tài)。

邊界摩擦機(jī)理邊界摩擦機(jī)理表現(xiàn)為兩方面：

①與接觸物體表面力有關(guān)的潤滑劑單分子層間的彼此相互滑動。接觸表面在加入潤滑劑后，潤滑劑分子被物理吸附，便在固體表面上排列成一層單分子層，而且固體會穿透潤滑劑，直到兩表面僅僅被單分子吸附膜所隔開為止。由于潤滑劑的極性端吸附在金屬表面上，所以金屬表面實(shí)際上沒有直接接觸。當(dāng)表面發(fā)生相對滑動時，潤滑劑單分子層間就會彼此相互滑動，摩擦就發(fā)生在潤滑劑的非極性端與非極性端之間。

②由金屬自身性質(zhì)所導(dǎo)致的局部金屬粘著，它也是邊界摩擦?xí)r形成摩擦阻力的一個重要部分。任何一個好的邊界摩擦理論，都必須能精確定量地考慮穿透潤滑劑膜而發(fā)生的金屬粘著。部分粘著區(qū)的形成是因?yàn)榻饘俦砻娴拇植诤桶纪共黄?，?dāng)承受載荷時，接觸面上的凸起處承受的壓力最大，而且這些接觸點(diǎn)處的溫度也很高，當(dāng)潤滑膜的強(qiáng)度不能承受滑動接觸處摩擦力時，一部分接觸點(diǎn)處的邊界膜就會破裂，導(dǎo)致兩金屬表面的直接接觸及黏附，另有很小部分接觸點(diǎn)由流體效應(yīng)膜潤滑，承受部分載荷。此時，載荷將由直接接觸表面、表面界面膜和流體效應(yīng)膜所共同承受。即N=NA+NB+NS

式中N——法向載荷；

NA——產(chǎn)生直接接觸的表面承受的載荷；

NB——金屬表面界面膜承受的載荷；

NS——由流體效應(yīng)膜支承的載荷。

通常，如圖2-11所示，在邊界摩擦條件下，流體效應(yīng)膜幾乎不起作用，該項(xiàng)可忽略不計。3

邊界摩擦的使用兩摩擦表面加入潤滑油后，在金屬表面會生成一層邊界膜，它可能是物理吸附膜，也可能是化學(xué)反應(yīng)膜。當(dāng)不滿足流體動壓條件，或雖有動壓力，但壓力較低油膜較薄時，則在載荷作用下，邊界膜互相接觸，邊界膜也有較好的潤滑作用，又稱邊界潤滑。邊界膜的強(qiáng)度不高，在較大壓力作用下容易破壞，而且溫度高時強(qiáng)度顯著降低，所以使用中對壓力和溫度以及運(yùn)動速度要加以限制，否則邊界膜破壞將造成金屬表面接觸出現(xiàn)于摩擦狀態(tài)，產(chǎn)生嚴(yán)重磨損。4

邊界摩擦中邊界膜由潤滑劑中的極性分子吸附于金屬表面而形成，且吸附分子的定向排列使其具有方向性。當(dāng)吸附分子層在金屬表面上達(dá)到飽和狀態(tài)時，極性分子非常緊密地排列，與表面的吸附也很牢固。烴鏈之間很強(qiáng)的側(cè)向黏附作用使邊界膜有一定的膜強(qiáng)。當(dāng)摩擦面相對運(yùn)動時，邊界膜可阻止接觸表面凸峰部分的接觸而不被破壞，使表面相互接觸程度減小，從而具有良好的潤滑作用。邊界膜的潤滑作用不僅與潤滑劑油膜自身性質(zhì)和狀態(tài)有關(guān)，還與金屬本身性質(zhì)以及其他因素有關(guān)。