Трение в процессах ОМД и методы его снижения. Смазки

Различают два вида трения: качения и сколь­жения.Для обработки металлов давлением характерно трение скольжения.

Основные особенности трения при обработке металлов давлением и трения в подшипниках сле­дующие.

При обработке металлов давлением на поверх­ности трения действуют высокие давления, дости­гающие 2500 Мн/м² (250 кГ/мм²) и более. В под­шипниках скольжения общего назначения, в направ­ляющих ползунов и в других узлах машин возникают давления не выше 10 Мн/м² (1 кГ/мм²) и только в тяжело нагруженных подшипниках прокатных ста­нов давления достигают 20—50 Мн/м² (2— 5кГ/мм²).

При обработке металлов давлением происходит значительное обновление поверхности контакта инструмента с деформируемым металлом в связи с общим увеличением поверхности последнего. В подшипниках на­блюдается незначительное обновление поверхности контакта, происходящее только в результате износа.

Смещение частиц металла по контактной поверхности тру­щихся деталей в машинах одинаково во всех точках контакта, а при обработке металлов давлением величина и скорость смеще­ния различны для разных точек контакта. Так, при осадке ци­линдрического образца в центре контактной поверхности смеще­ние деформируемого металла относительно инструмента отсут­ствует. В некоторых случаях скольжение отсутствует по всей поверхности контакта, т.е. происходит «прилипание». 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 обработке давлением и от степени деформации при холодной.

Трение приводит к износу и неравномерной выработке инстру­мента, т.е. к порче его поверхности.

Дефекты поверхности инструмента оставляют отпечатки на поверхности деформируемого тела и портят его поверхность.

Таким образом, трение при обработке металлов давлением является нежелательным. Для снижения трения обычно приме­няют различные способы.

С увеличением удельного давления при пластической дефор­мации коэффициент трения уменьшается. При машинном трении, наоборот, с увеличением удельного давления коэффициент тре­ния повышается. Уменьшение коэффициента трения с ростом удельного давления можно объяснить следующим. Чем больше удельное давление при пластической деформации данного мате­риала и в данных условиях, тем сильнее выражено прилипание и больше расширяется область постоянства напряжений трения. Поэтому сила трения растет медленнее, чем нормальное давле­ние. В результате усредненное значение коэффициента трения уменьшается.

Влияние температуры обрабатываемого материала на коэф­фициент трения очень сложное. При изменении температуры изменяются сопротивление деформации, физико-химические свой­ства окалины, образующей промежуточный слой между метал­лом и инструментом. Поэтому при определении зависимости коэффициента трения от температуры получают различные дан­ные. Однако установлено, что при нагревании коэффициент тре­ния сначала растет, достигает максимального значения, затем уменьшается (рис. 72) [9]. Такой ход зависимости можно объяс­нить тем, что сначала коэффициент трения растет в связи с окис­лением поверхности; в этом интервале температур образуется твердая окалина, повышающая коэффициент трения. При даль­нейшем повышении температуры происходит размягчение окали­ны и она начинает играть роль смазки. Максимального значения коэффициент трения для стали достигает при температуре при­мерно 800—900° С (по данным некоторых исследователей 800— 1050°С). Влияние температуры и химического состава окалины на коэффициент трения подтверждает опыт прокатки автоматных (сернистых) сталей. Окалина, содержащая сернистые соедине­ния, снижает коэффициент трения при высоких температурах.

В результате захват металла валками затрудняется и возможен только после подстуживания поверхности.

Горячая обработка давлением стали происходит при темпера­турах выше 850—950° С, т. е. в основном в области уменьшения коэффициента трения с повышением температуры. Экелунд на основании эк­спериментальных данных при прокатке углеродистой стали установил линей­ную зависимость коэффициента трения от температуры:

где — коэффициент, учитывающий влияние материала валков и равный 0,8 для чугунных вал­ков и 1,0 для стальных; t — температура обработки, ^СС.

Как показали более точные эксперименты, формула Экелунда дает завышенные значения коэффициента трения.

С увеличением скорости относительного скольжения при су­хом и полусухом трении коэффициент трения снижается.

Чем больше скорость, тем меньше длитель­ность контакта на площадках соприкос­новения инструмента и деформируемого тела и тем меньше роль молекулярного взаимодействия. Этим объясняется то, что коэффициент трения покоя больше коэффициента трения скольжения. Интенсивность снижения коэффициента тре­ния с ростом скорости уменьшается. Од­нако при пластической деформации уп­рочнение приконтактных слоев тем боль­ше, чем больше величина и скорость скольжения. Этот фактор приводит к повышению напряжений и коэффициента трения, но в меньшей степени, чем снижение из-за первого фактора.

При обработке давлением широко применяют смазки. Основ­ное значение смазки — снижение коэффициентов трения. Смазка образует промежуточный слой между деформируемым телом и инструментом, полностью или частично изолирующий их друг от друга. Если смазка полностью изолирует трущиеся поверхности, то получается трение жидкостное. При обработке металлов дав­лением вследствие высоких удельных давлений смазка не изоли­рует полностью трущиеся поверхности, поэтому получается тре­ние полужидкостное.

Для того чтобы смазка в достаточной степени изолировала деформируемое тело от инструмента, не разрывалась и не выдав­ливалась, она должна иметь достаточную активность и вязкость.

Активность смазки — способность образовывать на поверхно­сти трения прочный защитный слой из ее полярных молекул. Активность смазки зависит от наличия в ней поверхностно актив­ных веществ, к которым относят жирные кислоты (олеиновая, стеариновая, пальмитиновая) и их соли, являющиеся мылами. Для создания активности достаточно небольшой добавки жирных кислот к смазке.

Вязкость смазки обеспечивает ее сопротивление выдавлива­нию из места контакта трущейся пары. Смазка, обладающая до­статочной активностью и вязкостью, при высоком качестве отдел­ки поверхности трущихся тел и высокой скорости скольжения мо­жет создать условия для жидкостного или полужидкостного трения.

При жидкостном трении сила необходима для преодоления внутреннего трения слоя смазки. По Ньютону сила трения

где — вязкость жидкости; — скорость скольжения; — толщина слоя смазки.

По Ньютону при жидкостном трении сила и напряжение тре­ния не зависят от нормального давления, но зависят от площади контакта в противоположность сухому трению. Сила трения тем больше, чем выше вязкость смазки. Однако высокая вязкость необходима для создания при трении прочного неразрывающегося слоя. Вязкость смазки надо выби­рать в зависимости от условий. Так, чем больше удельное давле­ние на, контакте, тем большей вязкостью должна обладать смазка.

При горячей обработке давлением (особенно при высоких температурах) с большими удельными давлениями и относитель­но большой длительностью контакта между металлом и инстру­ментом (например, прессование стальных прутков, труб) смазка должна обладать малой теплопроводностью. Это позволит предо­хранить инструмент от чрезмерного перегрева.

П. А. Ребиндер установил физико-химическое воздействие смазки на поверхностный слой деформируемого металла. Смаз­ка, обладающая достаточной поверхностной активностью, сни­жает коэффициент трения не только непосредственно (разделе­ние поверхностей трущихся тел), но и через уменьшение сопро­тивления деформации поверхностного слоя. При пластической деформации в условиях разноименной схемы напряженного со­стояния молекулы смазки проникают в поверхностные поры и микроскопические трещины и оказывают расширяющее действие на поверхностный слой. Последний делается более податливым, пластифицируется и это приводит к дополнительному снижению коэффициента трения, согласно выражению (4.9).

Помимо указанных основных свойств, смазка должна удов­летворять ряду технологических требований: легко наноситься на металл и инструмент, быть химически пассивной (не разъедать металл и инструмент), иметь минимальное количество остатков, чтобы не загрязнять поверхность после термической обработки, быть безвредной для рабочих и т. п.

В зависимости от условий применяют следующие смазки:

1. Жидкие и консистентные смазки — эмульсии, масла растительные, минеральные и смеси. Эмульсии, представляющие собой смесь воды и взвешенных в ней мельчайших капелек масла, обладают хорошей охлаждающей способностью. Их применяют главным образом при холодной обработке металлов давлением с большими скоростями.

При больших давлениях применяют масла и их смеси, обла­дающие большей вязкостью. Для повышения вязкости к маслам иногда добавляют загустители (парафин, стеарин). Для повы­шения активности масел к ним добавляют активные наполнители (серный цвет, хлористые соединения и т. п.).

Порошкообразные смазки — мыла в виде порошка или стружки, графит. Последний часто применяют в виде добавки к маслам и в виде водной суспензии с некоторыми добавками.

Стекло в виде порошка или ваты применяют при горячем прессовании сталей и тугоплавких металлов. При соприкосновении с нагретым металлом стекло размягчается, плотно прилипает к поверхности металла и, выполняя роль смазки, предохраняет
инструмент от перегрева.

При волочении проволоки и труб из высокопрочных сталей и сплавов применяют покрытие заготовки мягкими пластичными металлами (медь, свинец), на которые наносят смазку.

.