Трение при ОМД

Рассмотрим подробно силы трения на контакте металла с инструментом. 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 сильно превышает предел текучести металла. От характера и значений сил трения зависит износ инструмента и качество поверхности изделия. Подавляющее большинство технологических процессов, основанных на пластическом сжатии каких-то объемов металла, такие 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. Еще Леонардо да Винчи был известен закон сухого трения между трущимися поверхностями. В 1781 окончательную формулировку он получил в трудах Кулона. Кулон (а раньше его Амонтон) установили, что в процессе взаимного перемещения инструмента и деформируемого металла их поверхности вступают в механическое зацепление своими неровностями. В результате на поверхности контакта одновременно осуществляется упругая и пластическая деформация выступов (рис 16). Кроме того, между соприкасающимися поверхностями действуют силы молекулярного сцепления. Закон Амонтона - Кулона выражается соотношением:

T = m P + F,

Рис.16.Схема возникновения сил трения

где Т – сила трения, Р – нормальная сила, направленная по нормали к поверхности контакта, F – сила молекулярного сцепления и m - коэффициент трения.

Силы молекулярного сцепления при обработке давлением пренебрежимо малы по сравнению с первым членом, поэтому закон Кулона используют в упрощенном виде, известном еще со школы. В теории ОМД его записывают в виде связи между касательными и нормальными напряжениями, действующими на контактной площадке:

t = ms,

гдеt = Т/S, s = P/S, S – площадь контактной поверхности.

Однако закон Кулона справедлив только при небольших нормальных контактных напряжениях, когда в процессе взаимодействия трущихся поверхностей преобладают упругие деформации их выступов. При увеличении нормального давления s доля пластической деформации возрастает, и при значительном ее развитии касательные напряжения на контакте приобретают максимально возможное значение, равное пределу текучести материала на сдвиг:

t = К/2.

Здесь К – истинное сопротивление металла деформации (истинный предел текучести) при данных условиях обработки металла.

Рис. 17. Экспериментальная зависимость касательных напряжений от нормальных на поверхности контакта (кривая Епифанова Е.И.)

На рис. 17 приведена зависимость контактного касательного напряжения от нормального напряжения, полученная экспериментально Епифановым Е.И. Видно, что напряжения трения сначала растут по закону Кулона до своего предельного значения, а затем не меняются, несмотря на рост нормального давления. Коэффициент трения m, равный тангенсу угла наклона кривой к горизонтали, при малых давлениях постоянен, он является физической характеристикой условий на трущихся поверхностях. Коэффициент трения при больших контактных нормальных напряжениях, строго говоря, теряет смысл. По кривой Епифанова он близок к нулю. Но если в этой области, как и в упругой, определить его как отношение касательных напряжений к нормальным

то, при максимальных касательных напряжениях, равных , получим «условный» коэффициент трения:

[В1].

Здесь s₁ и s₃ - соответственно максимальное и минимальное главные нормальные напряжения (s_{1 >}s_{2 >}s₃, s₃<0, при прокатке). Как видно, «условный» коэффициент трения в зоне больших нормальных давлений зависит от схемы напряжений, и может быть и больше, и меньше 1/2 (с учетом знака напряжений s₁). С увеличением нормальных напряжений s₃ коэффициент трения падает. Следует напомнить, что истинный коэффициент трения, который должен служить характеристикой трущихся поверхностей, не должен зависеть ни от схемы напряженного состояния, ни от нормального напряжения s_1. Опыты И. М. Павлова показали, что при увеличении давления s₃ в 20 раз «кажущийся» коэффициент трения при прокатке снижается в 2 – 2, 5 раза. Было показано также, что он зависит еще от ряда технологических факторов, от которых истинный коэффициент трения зависеть не должен. С другой стороны, оказалось, что условный коэффициент трения не зависит от состояния поверхностей трения, что совсем противоречит физическому смыслу этой характеристики.

Авторы многих работ считают, что в области больших нормальных нагрузок нельзя пользоваться и нельзя исследовать коэффициент трения. Необходимо оперировать только касательными напряжениями трения t, 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,

u – скорость скольжения и s - нормальное контактное напряжение.

Здесь роль коэффициента трения играет функция трения, зависящая от нормальных напряжений и вектора скорости скольжения металла относительно инструмента, но это не коэффициент трения. Так как максимальное касательное напряжение направлено под углом 45⁰ к главным осям, то в этом направлении будем иметь равенство:

.

Условие пластической деформации в упрощенном виде имеет вид , где коэффициент Лодэ изменяется в пределах от 1 до 1,155, следовательно, предельное значение максимальной удельной силы трения

t_мах = (0,5 ¸ 0,58) К.

Неправильно считать, что первая часть кривой Епифанова Е.И.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 при рассмотрении конкретных процессов.

Дата добавления: 2014-01-07