Роль трения при обработке давлением

ТЕМА. Трение при обработке металлов давлением

Внешним трением называют такое явление, когда при перемещении одного тела по поверхности другого возникает сопротивление. Процесс трения заключается во взаимном зацеплении микровыступов контатирующих поверхностей деформируемого металла и обрабатывающего инструмента. При наличии смещающего воздействия от внешних сил или благодаря деформации появляется сила трения, препятствующая смещению

Различные условия трения определяются природой трущихся тел, а также твердостью и шероховатостью их поверхности, наличием промежуточного слоя, скоростью движения одного тела относительно другого, и многими другими факторами Обычно разделительной средой служит смазка, специально вводимая в область контактных поверхностей трущихся тел для уменьшения трения и износа поверхности инструмента. Различают следующие виды трения (рис.1)

1 - чистое — на поверхности трения нет ни окислов, ни смаз­ки; механизм чистого трения может наблюдаться только в усло­виях физического опыта;

2 - сухое — на поверхности трения имеются пленки окислов и загрязнения, но нет искусственной смазки (рис.1, а);

3 - граничное — пленка жидкой смазки, разделяющая поверх­ности трущихся тел, мономолекулярна и настолько тонка, что в ней не проявляются объемные свойства смазки (рис.8.1, б);

4 - жидкостное — поверхности трущихся тел полностью изо­лированы друг от друга смазкой;

5 - полусухое — между трущимися телами имеются лишь от­дельные участки, заполненные какой-либо вязкой средой;

6 - полужидкостное — при наличии смазки имеются непосред­ственные контакты поверхностей трущихся тел;

При обработке давлением наблюдается трение полусухое или полужидкостное.

Рис.1 Схемы контактирования поверхностей при сухом (а), граничном (б) и жидкостном (в) трении.

При обработке металлов давлением происходит значительное обновление и увеличение поверхности контакта инструмента с деформируемым металлом в связи с общим увеличением поверхности последнего. В результате пластической деформации происходит

смещение (скольжение) частиц деформируемого металла по контактной поверхности; величина и скорость смеще­ния различны для разных точек контакта. В некоторых случаях скольжение отсутствует по всей поверхности контакта, т.е. происходит «прилипание» и пластическая деформация в этом случае осуществляется смещением частиц внутри объ­ема тела.

При горячей обработке металлов давлением на контактной поверхности имеется окалина, свойства которой зависят от хими­ческого состава деформируемого металла и температуры.

Для осуществления деформации металла при наличии трения необходимо приложить усилие больше требуемого естест­венной прочностью металла в данных условиях, т. е. сопротивле­нием деформации. Чем больше трение, тем большее усилие нужно для деформации и тем больше расход энергии на дефор­мацию.

Трение является одной из причин неравномерности деформа­ции. В частях деформируемого тела, расположенных вблизи по­верхности трения, действие сил трения, затрудняющих деформа­цию, больше, чем в частях тела, удаленных от контакта с инстру­ментом. Неравномерность деформации ухудшает свойства металла.

При обработке давлением происходит значительное измене­ние свойств во всем объеме деформируемого тела и особенно в тонких слоях вблизи поверхности контакта с инструментом. Из­менение свойств деформируемого тела зависит от скорости и сте­пени деформации при горячей пластической деформации и от степени деформации при холодной обработке давлением

Трение приводит к износу и неравномерной выработке поверхности рабочего инстру­мента, что отрицательно сказывается на качестве готового изделия.

Внешнее трение при обработке металлов давлением представляет собой сложный физико-химический процесс и является нежелательным, поэтому приме­няют различные способы для снижения трения.

Французский ученый Амонтон (1699 г.) так сформулировал закон сухо­го трения: сила трения Т пропорциональна нормальной нагруз­ке Р и не зависит от площади контакта:

T = ƒР (ƒ — коэффициент трения).

Кулон (1785 г.) приводит другое выражение для силы трения: T = ƒР + А (А — сила молекулярного сцепления трущихся тел). По Кулону сила трения не равна нулю при отсутствии силы нормального давления. Силы молекулярного взаимодействия обычно малы, поэтому в практических расчетах ими пренебрегают, принимая А = 0.

В теории обработки металлов давлением находит применение закон трения, предложенный Э. Зибелем: t =ƒ_σσ_т, где ƒ _σ – показатель сил трения; σ_т – предел текучести деформируемого материала. Одним из вариантов закона Зибеля считается формула предельной силы трения: t = τ_с, которую называют также условием Прандтля (τ_с – сопротивление пластическому сдвигу).

В процессах обработки металлов давлением с применением технологической смазки, когда толщина слоя смазки относительно велика (превышает высоту неровностей на поверхности инструмента), силы трения определяют по закону жидкостного трения Ньютона: t = η∆ v/ξ (η – динамическая вязкость смазки; ∆ v – скорость скольжения; ξ – толщина слоя смазки).

По мере развития науки о трении предлагались различные варианты записи формул по определению величины силы трения, авторы которых рассматривали различные физические модели трения [3,6,8,9,19]. Однако современные расчетные методы определения сил трения в обработке металлов давлением базируются на двучленном законе трения [9] (табл.8.1).

Таблица 1. Законы трения, применяемые в обработке металлов давлением

2 Экспериментальные методы определения касательных напряжений.

Существует два способа одновременного измерения нормальных и касательных напряжений с помощью штифтов. В первом способе применяется система штифтов, подобных штифтам для измерения нормальных давлений. Наряду с радиально расположенным штифтом в этом случае устанавливается один или два наклонных штифта, что позволяет определять нормальное и полное касательное напряжение. Касательное напряжение в этом случае определяется в результате геометрического суммирования нормального и полного контактного напряжения.

Другой способ одновременного измерения нормальных и касательных напряжений основан на применении точечных месдоз: радиальной – М ₃ и двух наклонных – М ₁ и М ₂, которые располагаются в плоскости, перпендикулярной оси валка, что позволяет получить только эпюру продольной составляющей сил трения по дуге захвата (рис.2)

Рис.2. Схема установки точечных мсдоз в валке.	Рис. 3. Схема действия сил на штифт универсальной точечной месдозы.

Применение метода универсального штифта позволяет одновременно измерять составляющие касательных сил трения в двух направлениях: мездозы М ₁ и М ₂ измеряют силы трения в продольном направлении, М ₃ и М ₄ – в поперечном направлении, а месдоза М ₅ фиксирует силу нормального давления.

Метод разрезных силоизмерительных устройств, предложенный И. М. Павловым для исследования сил трения при прокатке, нашел применение при исследовании интегральных сил трения и в других процессах ОМД Сущность метода состоит в том, что в теле рабочего инструмента размещается силоизмерительная вставка, которая опирается на две месдозы М ₃ регистрирующие величину нормального усилия (рис.4). Поскольку между вставкой и инструментом имеется зазор, то при прокатке по мере вхождения силоизмерительной вставки в очаг деформации возникает и растет усилие на месдозу М ₁, вызванное действием сил трения на контактной поверхности в зоне отставания. Одновременно растет давление на месдозу М ₃. Когда передний конец вставки проходит нейтральное сечение, давление на месдозу М ₁ начинает падать. Месдоза М ₂ является контрольной. Месдозы фиксируют интегральные силы давления и трения; удельные силы трения получают дифференцированием экспериментальных кривых Т = φ(х) и Р = φ(х). Точные расчетные формулы имеют вид: t = dT/bdx и р = dР/bdx (b – ширина полосы – вставка располагается вдоль всей бочки валка).

Рис.4. Схема действия сил на вставку силоизмерительного валка.	Рис.5. Осциллограмма интегральных сил трения, полученная с помощью валкового торсиометра.

На практике применяют графическое дифференцирование кривых Т = φ(х) и Р = φ(х), для чего отрезок, соответствующий длине очага деформации l_d делят на достаточное число участков ∆ х (рис.5) и производят расчет по следующим формулам: t = ∆T/b∆x и р = dР/b∆x.

Для исследования контактных сил трения применяют также поляризационно-оптический метод, подробно изложенный в предыдущей главе.