1.前言
金属加工用油泛指经过机械切割或电火花切割除去金属或经过冲压、挤压等成型金属所用的润滑油水基润滑液和油膏(包括润滑脂)。与三大油(发动机油、液压油和齿轮油)不同，金属加工用油仅占润滑油消耗量的1～2%，却因摩擦工况而千差万别，所需的金工油品种繁多。三大油用量很大，发动机油用量占润滑油总量的一半，预计到2005年我国车辆总数达三千万辆，发动机油年消耗量达170万吨。但开发发动机油成本很高，国外开发一个配方所需的台架试验等费用高达几百万美元。跨国公司凭借其强大的经济实力和专利技术抢占领我国高档发动机油市场。虽然我国自己研制的发动机油的水平与国外相比并不低，但由于销售渠道不通等原因，中石化与中石油的高档产品只占3%的市场份额。金属加工用油除少数几种外，一般是数量少，品种多，跨国公司难以全面垄断中国市场。另一个特点是附加值高，特别是稀缺的品种，利润率可达100%或以上。还有一个特点是金工油一般没有像三大油那样很严格的、标准化的台架试验程序，更缺乏有效的统一的模拟试验方法，主要靠现场试验评价其质量的优劣。在这种情况下，开展摩擦学的应用研究，对于提高金工油的质量，解决面临的形形色色的润滑问题，以及发展行之有效的模拟试验方法，都有积极意义。本文讨论了几大类金工油的摩擦学问题，并对今后研究方向提出自己的看法。
2.金属切削润滑剂
2.1概况
切削润滑剂约占金工用油消耗量的一半，其中的切削油主要用于难加工的低速、小进给的加工条件，而大量使用的是有利于环保、不冒烟和着火的水基切削液，80年代发达国家的水基切削液约占切削润滑剂总量的90%以上。水基切削液又分为乳化液、合成液和微乳液三类。虽然这些水基切削液均具有冷却作用、清洗作用、防锈作用和润滑作用，但是微乳液的综合性能更优越，而且不易发霉，废液处理容易，而独占鳌头，成为今后的发展方向。
2.2切削中的摩擦磨损
除了电火花加工是采用脉冲放电，使金属局部熔化而达到切割金属的目的，其它切削均采用刀具(包括硬质合金刀和陶瓷刀具)和磨料进行金属加工。
2.2.1切削中的摩擦机理
切削过程中的切削力来源于前刀面和后刀面。一是被切削金属、切屑和工件表面金属的弹、塑性变形抗力，另一是刀－屑和刀－工件间的摩擦阻力，而切削力来源的比例，随着切削体系的变化而变化。切削热由切削产生，并经由刀具、工件、切屑和切削液而传出。由于切削力和切削温度较易实现在线检测，常作为刀具摩擦和破损的间接物理量。
2.2.2切削中的磨损机理
切削是一种剧烈的摩擦磨损过程，刀具的磨损不但缩短刀具寿命而且直接影响被加工零件的精度和表面粗糙度。刀具的磨损机理包括热磨损和机械磨损，前者是发动机齿轮和液压系统中未遇到的特殊的磨损机理，后者则与之有共同特点。
2.2.2.1热磨损
包括扩散磨损、热电磨损和氧化磨损。
- 扩散磨损
- 切削过程中，刀具承受的切削压力达到2～3GPa，切削温度高达900～1100℃。在切削高温和高速的条件下，刀具的扩散磨损要比一般机械零件大的多。它不只是使刀具扩散而损失材料，还增大刀具与切屑间的粘着，增大刀具的粘着磨损。刀具粘结剂以及硬质相(WC及TiC)的向外扩散和工件成分向工具扩散还引起刀具的脆化和软化，降低表面强度，增大刀具的粘着磨损和磨粒磨损，使前刀面呈月牙形。
- 热电磨损
- 另一种热磨损是热电磨损，在切削区高温作用下，刀具与工件两种不同材质的接触会产生热电势和热电流，使刀具磨损加剧。
- 氧化磨损
- 切削温度高时，刀具材料剧烈氧化形成一系列松软的氧化物，并被切削带走，造成“氧化磨损”，造成刀具“烧伤”，使刀具出现沟槽。
2.2.2.2机械磨损
包括磨粒磨损、粘着磨损和疲劳磨损，与机械中常见的磨损机理有共同之处。
2.2.2.3各种磨损机理的相对重要性
图1
①磨粒磨损②疲劳磨损③粘着磨损
④氧化磨损⑤热电磨损⑥扩散磨损 |
图2
(a)高速钢(b)硬质合金(c)陶瓷 |
在低温下，刀具的磨损以机械磨损为主，在高温下，因热磨损量随切削温度的升高比机械磨损快的多，因此占主导地位，在各种不同温度下各种磨损对刀具的磨损强度(单位切削过程的磨损量)的贡献不同(图1)，不同材质的刀具的磨损特性也不同(图2)。
2.3切削润滑剂减磨抗磨机理
2.3.1渗入机理
由于切削过程中摩擦副的几何结构以及高温、高压和高速的特点，切削液本来是很难进入刀－屑和刀－工摩擦接触区，有人推测由于切削在摩擦界面上强大的挤压和剪应力作用下产生微裂纹，起着毛细管的作用，把切削液带入摩擦表面，起润滑摩擦面的作用。
2.3.2冷却作用
冷却作用取决于导热系数、比热、汽化热和对金属表面的润滑性。因此，冷却能力按下列次序递减：合成液>微乳液>乳化液>切削油，冷却对于降低切削摩擦工况的苛刻程度起着关键的作用。
2.3.3 润滑机理
在切削区的极高温度和压力下，是难以形成一种机械零件那种流体润滑和弹流润滑状态的，通常工作在边界润滑状态下。因此，切削液通常加极压抗磨剂，在摩擦面形成低剪切强度的边界润滑膜来防止刀－屑和刀－工粘结，并降低切削力和切削强度。对精加工轻载荷的切削，一般添加脂肪酸，在摩擦面形成脂肪酸皂半固体膜，在90～150℃下具有一定的承载能力，而在高速重载切削时则要加S、P、Cl极压剂，形成高熔点固体润滑膜(FeS熔点高达980℃以上)在严酷条件下起润滑作用。
对于一个好的切削润滑剂，不但要求散热性好，还要求有好的切削性能，希望被切削的工件磨损大而用于切削的刀具和砂轮磨损小，切削省力，刀具和砂轮的寿命长。这与通常的机械零件的一味要求减摩和抗磨有很大的不同，也给切削性能优异的切削油液配方研究留下来很大的空间。据报道，采用新技术开发的切削液可使磨削性能提高130倍之多。过去几十年来，研究论文大量集中在钢－钢摩擦副的摩擦磨损和润滑行为的研究，但是深入探讨添加剂对钢－砂轮润滑机理的论文屈指可数。Yamanaka等人详细研究了用于CBN砂轮的研磨液中各种添加剂的作用，说明极压剂效果最佳，特别是含硫极压剂和酸性磷酸酯，其次是油性剂，而磨擦改进剂最差，油性剂中C14以上的饱和脂肪酸切削效率最高。
2.3.4润滑机理的材料依赖性
切削加工的刀具和磨料采用两大类不同的材料。，两者的润滑机理有很大的不同。由于陶瓷材料的硬脆性，在摩擦磨损过程中不如金属材料那样容易产生塑性变形，意味着不容易产生粘着磨损，陶瓷耐高温，耐腐蚀，耐磨损，同时也降低了极压抗磨剂的化学活性，无法象金属材料那样容易生成含S、 P、Cl的极压固体膜，造成润滑的困难。
2.3.5用于评价切削润滑剂的有效性的模拟试验
图3 |
除了上车床直接试验外，还常采用以下试验机：
- 四球机
- 国内评价切削润滑剂的润滑性最常用的是四球机，切削油测定PB和PD，而水基切削液按GB/T 6144规定测PB值。但是四球试验中并不存在金属的塑性流动，工厂的经验表明，PB值的高低与乳化液的切削性能并没有一定的关系，有些PB值高的乳化液中皂含量往往比较高，粘度大，容易堵塞砂轮。杨文庆等人提出用PD/PB比值作为评价润滑性的指标，指出采用较高的PD值和适当偏低的PB值得切削液可以显著减少砂轮磨损和提高磨削效率。
- 值得注意的是，用加表面活性剂提高水基切削液的油膜强度PB值很有效，但是常规的含S、P、Cl极压剂加入水基润滑液中，提高烧结负荷的效果都很差，可能是水的存在降低了这些传统极压剂的效果。例如Imperial-1070母液的PB值为85Kg，PD值高达620Kg，稀释为5%乳化液时，PB值只下降了5Kg，为80Kg，而PD值仅为160Kg，与水的烧结负荷(100－126Kg)相差不大，要有效地提高切削液的PD值还得靠纳米技术。纳米粘土就可以使水的PD值提高2级。加入1%40～60nm油酸修饰的TiO2微粒，再用茶皂素为表面活性剂将其均匀分散到水中，PD值高达4400N。
- 攻丝扭矩试验机
- 除了四球机外，评价切削液润滑性用的最多的是攻丝扭矩试验机，可直接测出攻丝扭矩，算出攻丝效率，它还能做挤压试验，用于模拟拉拔和轧制。
- 改型Timken试验机和Falex试验机
- 采用电镀等方法改变Timken环块试验机的环或Falex销块试验机的销的摩擦面的材质，用来评价润滑剂和添加剂的研磨材料。其中一种形式如图3所示。
3.金属塑性成型加工润滑剂
3.1冲压拉深工艺用润滑剂
冲压拉深是机械制造中的一类塑性变形加工工艺。由于晶格的滑移以及剧烈的摩擦产生大量的热量，难以通过模具在短时间内扩散出去。如果没有很好解决冲压和拉深过程中的润滑问题，当摩擦力达到一定程度，工件将被拉破而报废，不但直接影响