Трение при ОМД

Трение на контакте резко меняет схему напряженного состояния во всем объеме деформируемого металла. Под действием сил трения металл всегда деформируется неравномерно, что приводит к неравномерной его структуре и неравномерности свойств после деформации. Под их влиянием возрастает сопротивление деформации, которое иногда значительно превышает предел текучести металла. От характера и значений сил трения зависит износ инструмента и качество поверхности изделия. Подавляющее большинство технологических процессов, таких как прокатка, ковка, штамповка, прессование, волочение и т. д., протекают при активном участии сил трения, а большинство из них, например прокатку, невозможно осуществить при отсутствии сил трения.

Существует несколько механизмов трения на контактных поверхностях. Еше Леонардо да Винчи был знаком с законом сухого трения между трущимися поверхностями. В 1781 г. закон получил окончательную формулировку в трудах Кулона. Кулон (а раньше его Амон- тон) установил, что при взаимном перемещении инструмента и металла их поверхности вступают в механическое зацепление своими неровностями. В результате на поверхности контакта одновременно осуществляется упругая и пластическая деформация выступов (рис 1.16). В окончательном виде закон Кулона описывается выражением

Рис. 1.16. Схема возникновения сил трения

где Т — сила трения; Р — сила, направленная по нормали к поверхности контакта; ц — коэффициент трения.

В теории ОМД его записывают в виде связи между касательными и нормальными напряжениями, действующими на контактной площадке:

Закон Кулона справедлив только при небольших нормальных контактных напряжениях, когда в процессе взаимодействия трущихся поверхностей преобладают упругие деформации выступов. При увеличении нормального давления о начинается пластическая деформация микронеровностей, и при значительном ее развитии касательные напряжения на контакте приобретают максимально возможные значения, равные пределу текучести материала на сдвиг:

Здесь К — предел текучести металла.

На рис. 1.17 приведена зависимость контактного касательного напряжения от нормального напряжения, полученная экспериментально Е.И. Епифановым. Коэффициент трения ц = т/о, равный тангенсу угла наклона кривой к горизонтали, при малых давлениях постоянен. Он является физической характеристикой условий на трущихся поверхностях. Коэффициент трения при больших нормальных контактных напряжениях, строго говоря, теряет смысл. По кривой Епифанова он равен 0. Но если в этой области, как и в упругой, определить коэффициент трения как отношение касательных напряжений к нормальным

Рис. 1.17. Экспериментальная зависимость касательных напряжений от нормальных на поверхности контакта трущихся тел

то при максимальных касательных напряжениях, равных т = т_тах = 0,5(о, — о₃), получим “кажущийся” коэффициент трения:

Здесь о, и ст₃— соответственно максимальное и минимальное главные нормальные напряжения: о, > о₂ > о₃. Как видно, “кажущийся” коэффициент трения в зоне больших нормальных давлений зависит от схемы напряжений. Он может быть и больше, и меньше 1/2 (с учетом знака напряжений). С увеличением нормальных напряжений о, “кажущийся” коэффициент трения падает. Опыты

И.М. Павлова показали, что при увеличении давления о, в 20 раз “кажущийся” коэффициент трения при прокатке снижается в 2,0—2,5 раза. Следует напомнить, что фактический коэффициент трения, который служит характеристикой трущихся поверхностей, не должен зависеть ни от схемы напряженного состояния, ни от значения нормального напряжения о,.

Экспериментально было показано также, что “кажущийся” коэффициент трения зависит еще от ряда технологических факторов, от которых нормальный коэффициент трения зависеть не должен (например, от предела текучести металла). Кроме того, оказалось, что он в некоторых условиях может не зависеть от состояния поверхностей трения, что совсем противоречит назначению этой характеристики.

Авторы многих работ считают, что в области больших нормальных нагрузок нельзя пользоваться коэффициентом трения. Необходимо оперировать только касательными напряжениями трения т, причем рассматривать их как вектор, направленный в сторону, противоположную скольжению. При этом связь между касательными и нормальными напряжениями будет иметь вид

где / — единичный вектор скорости скольжения инструмента по металлу; и — скорость скольжения; о — нормальное контактное напряжение.

Здесь роль коэффициента трения играет функция, зависящая от нормальных напряжений и вектора скорости скольжения металла относительно инструмента, но это не коэффициент трения.

Так как максимальное касательное напряжение направлено под углом 45° к главным осям, то в этом направлении будем иметь равенство

Условие пластической деформации в упрощенном виде имеет вид О] -о₃ =К, где коэффициент Лодэ изменяется в пределах 1,000—1,155, следовательно, предельное значение максимальной удельной силы трения т_тах= (0,5—0,58) АГ.

Следует заметить, что в теории ОМД многие ученые считают неточным утверждение о том, что первая часть кривой Епифанова реализуется при упругих и малых пластических деформациях металла, а вторая — при развитой пластической деформации. Опыты показывают, что в обоих случаях пластическая деформация может быть достаточно развитой, и переход от первого участка кривой ко второму зависит не от интенсивности деформации. Он происходит в результате смены механизма пластической деформации, о чем подробнее мы будем говорить ниже.

По характеру контакта металла и инструмента различают несколько видов трения. Закон Кулона характерен для сухого трения, когда между трущимися поверхностями отсутствует смазка (или иное разделяющее их вещество). При наличии тонкого слоя смазки, не превышающего высоты выступов трущихся поверхностей, механизм взаимодействия поверхностей принципиально тот же, что и при сухом трении. Но слой смазки при этом ведет себя как твердое тело, и его свойства оказывают влияние на значение коэффициента трения. Такой вид трения называется граничным. При граничном трении также применим закон трения Кулона, но коэффициент трения определяется не только состоянием трущихся поверхностей, но и свойствами смазки.

В ОМД используется также режим трения, который называется гидродинамическим или жидкостным. Он имеет место тогда, когда между трущимися поверхностями толщина слоя смазки превышает глубину неровностей, и трущиеся поверхности нигде не касаются друг друга. Скольжение их происходит за счет движения по слою смазки, который ведет себя как жидкость, даже если сама смазка в обычном состоянии имеет вид твердого или порошкообразного материала. При жидкостном трении коэффициент трения резко снижается. Он зависит от скорости перемещения трущейся пары и коэффициента вязкости жидкости. При жидкостном трении закон трения хорошо описывается зависимостью

где г) — коэффициент вязкости жидкости; и — скорость перемещения металла относительно инструмента.

Жидкостное трение реализуется в очаге деформации реальных процессов только в том случае, когда в слое смазки создается давление, превышающее давление металла на инструмент, иначе смазка выжимается из очага, и трение переходит в разряд граничного. Например, на рис. 1.18 изображена сдвоенная волока для волочения толстой проволоки. Внутренний диаметр первой волоки на 0,2—0,3 мм больше, чем диаметр исходной проволоки. Деформация металла происходит во второй (рабочей) волоке. Смазка, которая чаще всего представляет собой мыльный порошок, захватывается поверхностью проволоки и через тонкий кольцевой зазор увлекается в пространство между первой и второй волоками. В этом объеме давление смазки быстро нарастает и становится больше давления металла на рабочую волоку. Смазка устремляется в канал рабочей волоки и разъединяет трущиеся поверхности. Если смонтировать регулятор давления смазки в пространстве между волоками, то устанавливается устойчивый режим гидродинамического трения.

Рис. 1.18. Сдвоенная волока

Большинство процессов ОМД протекают в режиме граничного трения. Он легче осуществляется, чем гидродинамический. Кроме того, качество поверхности металла при граничном трении выше, чем при жидкостном. При граничном трении срезание микрогребней металла при контакте с инструментом повышает чистоту поверхности металла. Металл становится блестящим, почти полированным. Чистота его поверхности на один-два класса выше, чем инструмента. Гладкую блестящую проволоку (например, струну для музыкального инструмента) получают только в режиме граничного трения. Проволока, протянутая в режиме гидродинамического трения, на поверхности содержит слой смазки, прорвавшейся через рабочую волоку, поверхность металла при этом матовая, с повышенной шероховатостью. Товарный вид ее невысокий. Однако шероховатая поверхность лучше удерживает смазку, поэтому такая проволока используется как заготовка для последующего волочения.

При граничном трении эффективность смазки сильно зависит от прочностных свойств тонкого адгезионного слоя смазки, находящегося в очаге деформации. Силы сцепления между молекулами смазки и металла зависят как от природы металла, так и от свойств смазки. Чем выше способность металла удерживать смазку и выше поверхностная активность смазки, тем меньше она выдавливается из очага деформации. Хорошие смазки, существенно снижающие коэффициент трения, представляют собой вытянутые цепочки органических молекул, на концах которых имеются так называемые полярные группы. На трущихся поверхностях эти группы прочно удерживаются металлом, а остальные участки цепочки образуют слои, через которые происходит скольжение металла и инструмента.

Помимо высокой адгезионной способности, к смазкам, предназначенным для обеспечения граничного трения, предъявляется много других свойств. Прежде всего, они должны быть дешевыми, не опасными для здоровья, не должны разлагаться при хранении на складе, не вызывать коррозию металла при деформации и в изделии и т. д.

При обработке давлением, по классификации А.К. Чертавских, наиболее употребительны смазки следующих типов:

• 1. Эмульсии масло—вода, которые представляют собой мелко распыленные капли масла в воде с различными добавками. Эмульсии применяются при волочении тонкой проволоки, холодной прокатке ленты и фольги и служат не только для снижения коэффициента трения, но и для охлаждения металла и инструмента при деформации.
• 2. Масла растительные и животные, содержащие жирные кислоты. Такие смазки обладают повышенной прочностью, поэтому применяются при высоких давлениях металла на инструмент, например при волочении, прокатке, штамповке и других операциях холодной обработки давлением. Животные жиры имеют лучшие смазочные свойства, чем растительные.
• 3. Масла с наполнителями, содержащие в качестве наполнителя такие материалы, как тальк, слюда, графит, сульфид молибдена, легкоплавкие металлы в виде пудры и др. Наполнители увеличивают толщину слоя смазки, образуют дополнительные поверхности скольжения внутри смазочного слоя. Смазки с наполнителями эффективно снижают коэффициент трения и улучшают качество поверхности изделия.
• 4. Консистентные смазки, представляющие собой смеси минеральных масел, воды и различных мыльных или парафиновых добавок (например, солидол). Такие смазки применяются при сравнительно низких давлениях металла на инструмент. Есть примеры использования таких смазок (а также смазок с наполнителями) при горячей деформации металла, например при прессовании металлов, реже — при горячей прокатке.

При горячей деформации, особенно при обработке труднодеформируемых материалов, в качестве смазки применяют стекла, обмазки из окислов металлов и пр., которые предназначены не только для снижения коэффициента трения, но и для предохранения металла от окисления при нагреве и в процессе деформации.