Внешнее трение при обработке металлов давлением

В любом процессе обработки металлов давлением смещаемый объем де-формируемого тела стремится к некоторому перемещению по поверхности ин-струмента. При этом возникают силы трения, затрудняющие это перемещение. Такое трение называется контактным или внешним. Трение присутствует в любом процессе пластической деформации и сказывается на ходе обработки, затрудняя процесс деформации и увеличивая энергосиловые параметры. Под влиянием сил трения в ряде случаев усилие деформации возрастает в несколько раз по сравнению с тем усилием, которое обусловлено истинным сопротив-лением металла деформации. Чем больше трение, тем большее усилие нужно для деформации и тем больше расход энергии на деформацию. Кроме того, при действии сил трения металл деформируется неравномерно, что приводит к раз-нородности его структуры, возникновению растягивающих напряжений в ме-талле, которые иногда приводят к нарушению сплошности изделия. От ха-рактера и величины сил трения зависит степень износа инструмента и качество поверхности изделия.

Трение при пластической деформации в процессах обработки металлов

давлением существенно отличается от трения в узлах механизмов и машин и трения, возникающего при перемещении одного тела по поверхности другого.

При обработке давлением создаются некоторые специфические условия, которые и приводят к различию между трением пластической деформации и обычным трением скольжения:

а) высокие удельные давления на поверхности контакта инструмента с металлом, превышающие иногда 2500 МПа, в тоже время даже в самых тяжело нагруженных подшипниках прокатных станов удельные давления в 5 – 10 раз ниже;

б) высокая температура (при горячей обработке), вызывающая изменение физико-химического состояния контактной поверхности металла (образование окалины);

в) постоянное обновление поверхности деформируемого металла в связи с его пластическим течением.

Различают следующие виды трения:

1) чистое – на поверхности трения нет ни окислов, ни смазки; механизм чистого трения может наблюдаться только в условиях физического опыта и при обработ­ке в вакууме;

2) сухое – на поверхности трения имеются пленки окислов и загрязнения, но нет искусственной смазки;

3) жидкостное – поверхности трущихся тел полно­стью изолированы друг от друга смазкой;

4) полусухое – между трущимися телами имеются лишь отдельные участки, заполненные какой-либо вязкой средой;

5) полужидкостное – при наличии смазки имеются непосредственные кон-такты поверхностей трущихся тел;

6) граничное – пленка жидкой смазки, разделяющей поверхности тру-щихся тел, мономолекулярна и настолько тонка, что в ней не проявляются объемные свойства смазки.

При обработке давлением наблюдается трение полу­сухое или полужид-костное.

Трение скольжения характеризуют коэффициентом трения, оценивающим силовое воздействие двух контактирующих тел при их перемещении отно-сительно друг друга.

Коэффициент трения зависит от многих технологических факторов про-цесса пластической деформации, таких как состояние поверхности инстру-мента, материал инструмента, температура и скорость деформации, химический состав деформируемого металла, наличие смазки и др.

Состояние по­верхности инструмента определяется качеством обработ­ки и его износом в процессе эксплуатации. Чем чище по­верхность инструмента, тем ниже коэффициент трения.

При обработке инструмента на его поверхности оста­ются риски разной глубины. Направление рисок опреде­ляется направлением взаимного переме-щения резца, шлифовального круга и обрабатываемого инструмента (валков, штампов и т.п.). Так, на прокатных валках по­сле токарной обработки или шлифовки риски направле­ны по винтовой линии с малым шагом, при строж-ке бойков молота риски параллельны перемещению резца. Это приводит к анизотропии трения: коэффициент трения получается разным в различных направлениях (вдоль рисок он меньше, чем поперек них). Скольжение ме-тал­ла по инструменту поперек рисок будет затруднено в большей степени, чем вдоль рисок.

Коэффициент трения поперек рисок на 20 – 50% боль­ше, чем вдоль них. Чем чище поверхность (двойная шли­фовка), тем меньше коэффициент трения и зависимость его от направления.

Состояние поверхности инструмента изменяется в процессе его эксплу-атации – шероховатость поверхно­сти увеличивается, коэффициент трения повышается.

Состояние поверхности деформируемого металла также оказывает вли-яние на коэффициент трения. Особенно большое влияние состояния по-верхности тела на­блюдается при горячей деформации в связи с образова­нием окалины.

Влияние химического состава инструмента и дефор­мируемого тела на коэффициент трения связано с род­ством их, механическими и упругими свойствами. Так, при прокатке стали на стальных валках коэффициент тре-ния выше, чем на чугунных. Чем больше твердость инструмента, тем ниже ко-эффициент трения. Так, при волочении проволоки наибольший коэффициент трения наблюдается на стальных волоках, меньший на твердосплавных и еще меньший на алмазных.

При обработке очень мягких металлов (свинец, алюминий и др.) наблюдается налипание частиц этих ме­таллов на инструмент, что приводит к повышению ко­эффициента трения.

При обработке давлением с нагревом химический со­став деформируемого материала определяет состав и физические свойства окалины и тем самым оказывает влияние на коэффициент трения.

С увеличением удельного давления при пластической деформации коэффициент трения уменьшается.

Влияние температуры обрабатываемого металла нa коэффициент трения сложное.

При изменении температуры изменяются сопротивле­ние деформации, физико-химические свойства окалины, образующей промежуточный слой УCтановлено, что при нагревании коэф­фициент трения сначала растет, достигает максимально­го значения, затем уменьшается (рисунок 11). 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.

Горячая обработка давлением стали происходит при температурах выше 850 – 950 °С, т.е. в основном в обла­сти уменьшения коэффициента трения с повышением температуры.

С увеличением скорости деформирования коэффициент трения сни­жается. Чем больше скорость, тем меньше длительность контакта на площадках соп-рикосновения инструмента и деформируемого тела и тем меньше роль молекулярного взаимодействия. Интенсивность снижения коэффициента тре-ния с ростом скорости уменьшается.

Рисунок 11 – Зависимость коэффициента трения от температуры

обрабатываемого металла

При обработке давлением широко применяют смаз­ки. Основное значение смазки – снижение коэффициен­та 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 уделънык давлений смазка не всегда пол-ностью изолирует трущиеся поверхности. Поэтому получается трение полужидкостное.

Для того чтобы смазка в достаточной степени изолировала деформи-руемое 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 за-висит 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 вы-сокой скорости скольжения может создать условия для жидкостного или полужидкостного трения.

При холодной обработке давлением с большими сте­пенями деформации и высокими скоростями (прокатка тонких полос и лент, волочение проволоки), когда выход тепла значителен, смазка, помимо основного требова­ния – сни-жения коэффициента трения, должна охлаждать инструмент и обрабатывае-мый металл. В связи с этим она должна обладать высокой теплоемко­стью.

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 поз-волит предохранить инструмент от чрезмерного перегрева.

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 загрязнятб поверхность после термической обработки, быть без­вредной для рабочих и т. п.

В зависимости от назначения 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).

2) Порошкообразные смазки – мыла в виде порошка, стружки, графита.

3) 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.

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

Контрольные вопросы

1. Перечислите основные процессы обработки металлов давлением.

2. Назовите основные типы кристаллических решеток.

3. Что такое упругая и пластическая деформация?

4. Каковы основные схемы напряженного и деформированного состояний металла при обработке давлением?

5. В чем заключается механизм пластической деформации металла?

6. Что такое текстура деформации?

7. Что такое наклеп и рекристаллизация? Основные стадии процесса устранения наклепа.

8. Что такое пластичность металла и сопротивление металла деформации? От каких факторов они зависят?

9. Какую роль играет трение в процессах обработки металлов давлением?

10. Какие факторы влияние на коэффициент трения?

Глава 2 Прокатное производство

Дата добавления: 2014-01-04