Трение в процессах ОМД и его количественные характеристики

Условия трения в контакте между металлом и инструментом оказывают большое влияние на энергосиловые параметры процессов ОМД и на качество поверхности обрабатываемого металла. Кроме того, трение является основной причиной износа рабочей поверхности инструмента, вызывая отклонения от заданных размеров и формы металла. Чтобы этого не происходило, требуются периодические замены инструмента, что связано с дополнительными затратами и потерями рабочего времени. Поэтому вопросам исследования и моделирования механизмов трения, уменьшения его негативного влияния на качество обрабатываемого металла и на производительность агрегатов, осуществляющих ОМД, в теории и технологии обработки давлением уделяют большое внимание.

В большинстве известных учебников и справочников по теории ОМД рассматривается один вид контактного трения между металлом и инструментом – трение скольжения. Оно характеризуется двумя главными признаками:

1. Наличие сил, прижимающих инструмент и металл друг другу (давления).

2. Неравенство скоростей инструмента и металла на поверхностях их контакта.

Второй признак означает, что контактная поверхность металла скользит относительно контактной поверхности инструмента со скоростью:

.

где – скорость контактной поверхности инструмента, м/с;

– скорость контактной поверхности металла, м/с.

При этом в контакте между металлом и инструментом возникает сила трения скольжения F_тр, действующая в том же направлении, что и , т.е. по касательной к контактной поверхности (перпендикулярно к нормальной силе P_н, прижимающей инструмент к металлу).

Величину F_тр в теории ОМД чаще всего определяют с помощью известного из физики закона Амонтона:

, Н (2.24)

где m – коэффициент трения скольжения (безразмерная величина).

Поскольку в разных точках контактной поверхности могут быть разные условия трения, в большинстве расчетов процессов ОМД, вместо формулы (2.24), используют имеющую тот же смысл другую формулу:

= m∙ρ, ( 2.25)

где t – касательное напряжение (напряжение трения), Па;

ρ – нормальное напряжение, Па

величины t и ρ могут определяться отдельно в каждой точке контактной поверхности или их принимают средними (t_ср, ρ_ср) для этой поверхности.

Величина m, строго говоря, может быть разной в разных точках контакта, но, как правило, её принимают усредненной – постоянной для всей контактной поверхности. Значения m для различных процессов ОМД приводятся в справочной литературе [4; 23]. Основные факторы, влияющие на величину m - параметры шероховатости инструмента (высота микронеровностей и их количество на единице площади или длины зоны контакта), смазывающие свойства жидкости, используемой в качестве смазки, удельное давление между инструментом и металлом, температура металла, а также величина его сопротивления деформации. Кроме того, величина m зависит от скорости относительного скольжения инструмента и металла и от давления, с которым смазка подается в зону контакта.

На практике имеют место три вида трения скольжения:

· сухое – когда микронеровности поверхности инструмента и металла соприкасаются, а смазка (если она имеется), заполняет впадины между микронеровностями. При сухом трении имеют место самые большие коэффициенты трения (m = 0,2 – 0,6);

· жидкостное – характерно тем, что микронеровности инструмента и металла не соприкасаются. Они разделены слоем смазки, имеющей достаточную высокую вязкость и подаваемой под давлением. При жидкостном трении имеет место самый низкий коэффициент трения (m = 0,003-0,009). Чтобы этого добиться, рабочую поверхность инструмента полируют до высокой степени чистоты поверхности. Этот вид трения характерен, например, для холодной прокатки на многовалковых станах, прокатывающих фольгу;

· полужидкостное (граничное) – промежуточный вид трения скольжения между сухим и жидкостным, когда инструмент и металл разделены слоем смазки частично, т.к. отдельные их микронеровности соприкасаются. Этот вид трения имеет место на большинстве станов горячей и холодной прокатки и характеризуется широким диапазоном m = 0,01-0,2.

Значения m , приводимые в справочной литературе [4; 23], получены разными исследователями экспериментальным путем, т.е. являются эмпирическими.

Помимо трения скольжения, в контакте металла с инструментом может иметь место другой тип трения – трение покоя. Его отличительный признак – отсутствие относительного скольжения между металлом и инструментом. Наиболее часто трение покоя возникает в контакте между вращающимися валками и полосой при горячей прокатке стальных полос, происходящей в диапазоне температур 800÷1200°С.

Причина появления трения покоя заключается в том, что касательные напряжения трения t, определяемые формулой (2.25), могут возрастать пропорционально нормальным напряжениям р только до определенного предела:

(2.26)

где t_S – сопротивление чистому сдвигу материала полосы.

При горячей прокатке средние значения р находятся в диапазоне 300-1050 МПа, коэффициенты трения - в диапазоне 0,3 -0,56, а сопротивления чистому сдвигу материала полосы – в диапазоне 70-160МПа [25].

Следовательно, по формуле (2.25) диапазон значений напряжения трения:

t = 90÷500 МПа, что значительно больше диапазона величин t_S. Таким образом, на большей части зоны контакта валков и полосы закон трения скольжения (2.25) не действует. Поверхностные слои полосы не в состоянии сопротивляться большому давлению со стороны валков и проскальзывать относительно их поверхности, они как бы «прилипают» к бочке валка и движутся с её скоростью. Поэтому зона контакта полосы и валков, в которой, вместо трения скольжения, действует трения покоя, называется зоной прилипания. В ней трение скольжения смещается во внутренние слои обрабатываемого металла, являясь одним из механизмов пластической деформации. Касательные контактные напряжения в этой зоне зависят не от коэффициента трения скольжения m, а от сопротивления чистому сдвигу материала полосы t_S. Таким образом, смысл трения покоя в процессе ОМД состоит в том, что внешнее трение скольжения (в контакте инструмента и металла) переходит во внутреннее трение, при котором скольжения происходят внутри металла по поверхностям действия максимальных касательных напряжений, достигших величины сопротивления сдвигу.