Коэффициент трения при прокатке

На низких и средних очагах деформации практически все деформационные и силовые параметры прокатки определяются коэффициентом трения р. Общие сведения о коэффициенте трения уже были изложены при рассмотрении процесса осадки. Для прокатки экспериментально получены более глубокие результаты. Подробно трение при прокатке изучено А.П. Грудевым. Если за коэффициент трения по-прежнему принимать отношение касательных напряжений к нормальным, то приходится признать, что он непостоянен по длине дуги захвата. Коэффициентом трения часто называют некоторое среднее его значение, хотя это принципиально неправильно. Только при трении, подчиняющемся закону Кулона т = ра, т. е. в зонах опережения и отставания, коэффициент трения р выступает как постоянная величина и служит физической характеристикой трения. При пластической деформации на средних и высоких очагах деформации, когда закон Кулона в зонах прилипания не выполняется, можно говорить только о “кажущемся”, или условном, коэффициенте трения. В таких условиях коэффициент трения следует рассматривать только как усредненное отношение напряжений контактного трения к нормальным напряжениям. В связи с этим он должен зависеть как от метода, так и от места определения тех и других напряжений.

В зависимости от метода определения при прокатке различают три разновидности коэффициента трения, которые существенно отличаются при одинаковых условиях на контактной площадке и состоянии поверхности металла и валков:

при захвате;

при буксовании по контактной поверхности;

при установившемся процессе.

Коэффициент трения при захвате определяется по методу предельного захвата. К валкам, зазор между которыми заведомо мал, подводится прямоугольный образец, захвата полосы не происходит. Затем валковый зазор медленно увеличивается до захвата образца. В этот момент имеем равенство р = ос. Угол захвата вычисляется по формуле а = arccos (1 — Дh/D).

Полученный коэффициент трения — это не тот коэффициент трения, который формируется при установившемся процессе. Коэффициент трения при захвате отражает взаимодействие сил, формирующихся на площадке смятия, которая образуется в момент захвата. Коэффициент трения при захвате хорошо изучен и используется при исследовании вопросов захвата. Впервые С. Экелунд экспериментально получил численные значения такого коэффициента трения. Широко известна формула Экелунда

Коэффициент к_х зависит от материала валков: к_х - 1,0 для стальных валков и к_х = 0,8 для чугунных валков. Коэффициент к₂ учитывает влияние скорости прокатки на условия трения. Ранее указывалось, что с увеличением скорости коэффициент трения снижается (см. рис. 1.19). Коэффициент к_г учитывает влияние химического состава стали. Для углеродистых сталей к₂ = 1,0, для перлитно-мартенситных (ШХ15 и др.) к₂ = 1,3, для сталей аустенитного класса типа 12Х18Н9Т к₃ = 1,4—1,47, для ферритных сталей (1Х17Ю5) к_ъ — 1,55. Как видно, с ростом температуры коэффициент трения по Экелунду снижается, по этой формуле он определяется только для процессов горячей прокатки (1 °С > 700 °С).

Коэффициент трения можно вычислить методом пробуксовки полосы при прокатке. Существует несколько экспериментальных методов создания условий пробуксовки. Например, можно клещами удерживать полосу в очаге деформации при вращающихся валках и померить усилие, при котором движение полосы прекращается. Чаще используют другой прием: в момент прокатки быстро сближают валки до пробуксовки полосы в валках. В этот момент горизонтальные составляющие сил трения Т_х и нормального давления Р_х (см. рис. 3.5) равны, выполняется условие р = у. Нейтральный угол у рассчитывается по формуле Павлова. Такой коэффициент трения отражает отношение касательных напряжений к нормальным в условиях скольжения металла относительно валков в экстремальном случае установившейся прокатки.

Экспериментальное значение коэффициента трения р_б всегда ниже, чем при захвате (для углеродистых сталей — в 1,25—2,00 раза). Это объясняется тем, что, как и при осадке, отношение касательных напряжений к нормальным снижается с ростом нормального напряжения. Последнее, естественно, больше в установившемся процессе, чем при захвате. По гой же причине коэффициент трения твердых сталей будет ниже, чем мягких. Смазка сильно влияет на коэффициент трения при установившемся процессе, но меньше изменяет коэффициент трения при захвате. Для горячей прокатки (при Г °С > 700 °С) клещевым методом Н.Н. Гетом получена формула

Например, при 1000 °С и при к_х - к₂ = к_г — 1 по формуле Экелунда р = 0,55, а по формуле Гета р = 0,3. Это — разные коэффициенты трения, поскольку получены разными методами.

При нормальных условиях установившегося процесса прокатки коэффициент трения можно определить методом опережения. Если на валках нанести два керна на расстоянии Ь_а, то после прокатки расстояние между отпечатками

кернов увеличится до ?_п, и опережение будет таким: . Измеренное

таким способом опережение можно подставить в формулу Головина—Дрездена и найти значение нейтрального угла у, а затем из формулы Павлова определить коэффициент трения.

Помимо описанных существует несколько методов, в которых непосредственно в процессе прокатки измеряются касательные и нормальные напряжения, а коэффициент трения является их отношением. Можно усреднить его значение по дуге захвата. Естественно, коэффициент трения в этих случаях получается отличным от полученных при захвате, пробуксовке и опережении.

Каждый новый метод определения коэффициента трения вносит дополнительные сведения о его свойствах. Например, с помощью методов непосредственного замера напряжений было установлено, что коэффициент трения при прокатке (усредненный, “кажущийся” коэффициент трения) зависит от высоты очага деформации, которая характеризуется отношением //й . Чем больше это отношение, т. е. чем ниже очаг деформации (или чем тоньше полоса), тем ниже коэффициент трения.

Несмотря на то что коэффициент трения при прокатке не является физической константой, он широко используется в теории ОМД. С его помощью можно достаточно емко характеризовать условия контактного трения. Исследование влияния на коэффициент трения различных технологических параметров позволяет правильно выбрать оптимальные значения этих параметров и правильно отразить общие закономерности изменения средних условий трения на контакте при изменении технологических условий прокатки. Например, по значению коэффициента трения, независимо от способа его определения, из многих смазок легко выбрать ту, которая наилучшим образом снижает силы трения на контактной площадке. Другой пример. Понятие “коэффициент трения” можно использовать при анализе поперечной и продольной деформации металла при прокатке. Ранее говорилось, что поперечную деформацию можно оценить показателем А, а продольную — соответственно 1 — А. Сопротивление истечению в продольном и поперечном направлении определяется силами трения. На узком образце с увеличением коэффициента трения, каким бы способом его ни определяли, уширение растет, соответственно, уменьшается вытяжка. На широких образцах зависимость обратная. Это объясняется законом наименьшего периметра: с ростом коэффициента трения подпирающие силы трения по длинной стороне очага деформации в плане возрастают более интенсивно, чем по короткой стороне.