[科普中国]-边界摩擦

简介

当坯料与模具之间的接触界面上有润滑剂存在，由于润滑剂与金属表面的吸附作用，因而在金属表面上形成极薄的边界油膜，狭义地说，这种边界油膜只是在金属表面上物理吸附或化学吸附的有机薄膜，其机理是润滑剂(矿物油)中总含有一些极性物质，它的一端能牢固地吸在金属表面上，通常由3～4层分子形成边界吸附膜，当接触表面相对移动时，与金属表面相吸附的分子层不发生相对位移，而是上面的分子之间发生位移，代替了部分金属之间的直接摩擦，起到一定的润滑作用。由于这种有机膜的厚度仅约为10-6mm，不足以将坯料与模具之间的接触界面完全分隔开，所以相互运动时，两金属表面微观的高峰部分仍将相互搓削，这种润滑状态称为边界润滑，这种状态下产生的摩擦称为边界摩擦，此时，坯料与模具接触界面之间的摩擦和磨损不是取决于润滑剂的粘度，而是取决于润滑剂的化学特性和接触界面本身的的特性。一般而言，金属表面覆盖一层边界油膜后，虽然不能绝对消除表面的磨损，却可以起到减轻磨损的作用。若这层边界油膜完全被挤掉，则坯料与模具直接接触，此时会出现粘模现象。大多数汽车覆盖件冲压成形中的摩擦属于边界摩擦。

典型的边界润滑剂是油、脂肪油、脂肪酸和皂。边界膜通常可以在清洁的表面上迅速形成(钛和不锈钢金属表面例外)，且通常是在模具表面而不是在坯料表面形成边界膜。在边界润滑时，摩擦系数大约为0.1～0.4，具体数值取决于边界膜的强度和厚度。1

边界摩擦成形条件与特点边界摩擦是一种客观存在。经过大量的试验和研究人们渐渐了解到，边界摩擦只有在低速和高比压下才有可能出现前苏联学者格鲁别夫认为：摩擦副的相对滑动速度高于5m/s，其间的单位压力小于0.98MPa(10kgf/cm2)不会出现边界摩擦。

必须具备一定的条件才会出现边界摩擦。

1)两个密封端面是平行的，在外径边两者不平行度之和不大于0.06μm/cm

2)在某一具体的表面粗糙度下，端面比压和介质压力之比达到一定程度，使缝隙中不能形成液膜压力；

3)端断比压Pg>65N/cm2

这三条必须同时满足，才能出现边界摩擦。

边界摩擦的特点：

对具体的摩擦副材料，各种介质的摩擦系数均相同j从图86可知，尽管载荷系数和滑动速度不同，进入边界摩擦状态以后(A点以后)摩擦系数不变。2

边界摩擦的机理两个作相对运动的物体表面仅被分子大小厚度的润滑剂油膜所隔开的摩擦状态，称为边界摩擦。近代对于边界摩擦机理的研究进一步指出，边界摩擦是两个作相对运动物体表面之间的摩擦和磨损取决于表面性能和润滑剂性质(除黏度外)的一种摩擦状态。

边界摩擦是介于干摩擦与液体摩擦之间的一种摩擦状态，所对应的摩擦系数一般为0.05～0.15。通常，塑性加工过程处于边界摩擦状态，或是以边界摩擦为主的混合摩擦状态。

边界摩擦机理边界摩擦机理表现为两方面：

①与接触物体表面力有关的润滑剂单分子层间的彼此相互滑动。接触表面在加入润滑剂后，润滑剂分子被物理吸附，便在固体表面上排列成一层单分子层，而且固体会穿透润滑剂，直到两表面仅仅被单分子吸附膜所隔开为止。由于润滑剂的极性端吸附在金属表面上，所以金属表面实际上没有直接接触。当表面发生相对滑动时，润滑剂单分子层间就会彼此相互滑动，摩擦就发生在润滑剂的非极性端与非极性端之间。

②由金属自身性质所导致的局部金属粘着，它也是边界摩擦时形成摩擦阻力的一个重要部分。任何一个好的边界摩擦理论，都必须能精确定量地考虑穿透润滑剂膜而发生的金属粘着。部分粘着区的形成是因为金属表面的粗糙和凹凸不平，当承受载荷时，接触面上的凸起处承受的压力最大，而且这些接触点处的温度也很高，当润滑膜的强度不能承受滑动接触处摩擦力时，一部分接触点处的边界膜就会破裂，导致两金属表面的直接接触及黏附，另有很小部分接触点由流体效应膜润滑，承受部分载荷。此时，载荷将由直接接触表面、表面界面膜和流体效应膜所共同承受。即N=NA+NB+NS

式中N——法向载荷；

NA——产生直接接触的表面承受的载荷；

NB——金属表面界面膜承受的载荷；

NS——由流体效应膜支承的载荷。

通常，如图2-11所示，在边界摩擦条件下，流体效应膜几乎不起作用，该项可忽略不计。3

边界摩擦的使用两摩擦表面加入润滑油后，在金属表面会生成一层边界膜，它可能是物理吸附膜，也可能是化学反应膜。当不满足流体动压条件，或虽有动压力，但压力较低油膜较薄时，则在载荷作用下，边界膜互相接触，边界膜也有较好的润滑作用，又称边界润滑。边界膜的强度不高，在较大压力作用下容易破坏，而且温度高时强度显著降低，所以使用中对压力和温度以及运动速度要加以限制，否则边界膜破坏将造成金属表面接触出现于摩擦状态，产生严重磨损。4

边界摩擦中边界膜由润滑剂中的极性分子吸附于金属表面而形成，且吸附分子的定向排列使其具有方向性。当吸附分子层在金属表面上达到饱和状态时，极性分子非常紧密地排列，与表面的吸附也很牢固。烃链之间很强的侧向黏附作用使边界膜有一定的膜强。当摩擦面相对运动时，边界膜可阻止接触表面凸峰部分的接触而不被破坏，使表面相互接触程度减小，从而具有良好的润滑作用。边界膜的润滑作用不仅与润滑剂油膜自身性质和状态有关，还与金属本身性质以及其他因素有关。