Трение, износ и долговечность инструментов при обработке металлов давлением

Теоретические основы внешнего трения
Внешнее трение было и продолжает оставаться объектом экспериментальных исследований и теоретических обобщений многих ученых. Несмотря на то, что проведено большое число теоретических работ по анализу внешнего трения, в толковании ряда вопросов нет единого мнения. Известные теоретические выводы и экспериментальные данные, полученные начиная с XV в., можно обобщить в шесть основных теорий трения.
 1. Механическая теория. К этой теории относятся экспериментальные и теоретические разработки Леонардо да Винчи, С. Амонтона, А. Парана, Н. Ойлера и др.
 2. Молекулярная теория, основоположниками которой являются Ж Т. Дезагюл, Б. В. Дерягин и др.
 3. Молекулярно-механическая теория, предложенная Ш. Кулоном, И. В. Крагельским, П. А. Ребиндером и др.
 4. Теория сопротивления срезу поверхностных слоев, разработанная П. Бриджменом, Г. И. Епифановым и др.
 5. Теория жидкостного трения, созданная И. Ньютоном, Н. П. Петровым и др.
 6. Обобщенный закон трения Е. И. Исаченкова. Механическая теория. Эта теория базируется на том, что силы трения пропорциональны нормальному давлению и не зависят от площади контактной поверхности. Этот закон выражается зависимостью Амонтона  T = N, (9.1) где Т. — сила трения; | — коэффициент трения; N — нормальное усилие. К недостаткам этой теории следует отнести то, что выпуклости и впадины контактных поверхностей принимаются абсолютно твердыми и идеально упругими. Этот закон используется для расчета сил трения между деталями, а в некоторых случаях и при обработке методов давлением при небольших давлениях, контактной поверхности при наличии смазки
Молекулярная теория. Она обобщена Б. В. Дерягиным и выражается следующим образом:
 Щ В| 1 (N + /?„%), (9.2) где ро — давление; ф. — действительная контактная поверхность в области действия молекулярных сил сцепления (площадь поверхности среза).
 Это уравнение отличается от закона Амонтона членом который учитывает влияние молекулярных сил на трение. При отсутствии молекулярных сил, т. е. при р0 — 0, или когда фактически контактная поверхность, по которой действуют эти силы, равна нулю, т. е. при 5Ф = 0 уравнение получает вид уравнения Амонтона.
 Из уравнения следует также, что если нормальное усилие N = 0, то сила трения Т. = ip0sф, или это сила, которая в некоторых случаях необходима для разделения трущихся тел.
 Предложенная схема о механизме трения относится к идеальному случаю чистого скольжения и не учитывает явление истирания поверхностей, наклеп металла, его неоднородность и др. Молекулярная теория не дает ответа на ряд вопросов, связанных с трением. Например, при плотной упаковке атомов (что почти невозможно в металлах с поликристаллическим строением), т. е. когда атомы верхней трущейся поверхности лежат плотно во впадинах, образованных атомами нижней трущейся поверхности, возможный максимальный наклон границы верхнего контакта атомов 30° или возможный максимальный коэффициент трения в идеальном случае х. = 0,57. Следовательно, базируясь на молекулярной теории трения, можно заключить, что для реальных тел коэффициент трения не должен быть выше 0,57, что противоречит условиям практики. Поэтому эта теория не полностью раскрывает механизм трения. Г. И. Епифанов отмечает, что «...самый выразительный и противоречащий эксперименту факт — это факт, что основной член уравнения, который определяет силу трения, оказывается в теории Б. В. Дерягина независимым от величины действительной площади контактной поверхности Яф между трущимися телами, а адгезионный член, который зависит от размера этой поверхности, не связан в этой теории с выводами закона Амонтона, а основывается на отклонении в этом законе». Ф. П. Боуден разъясняет закономерности трения, предполагая, что при взаимном соприкосновении двух тел часть соприкасающихся шероховатостей по контакту между телами сваривается и что трение между металлическими поверхностями не может рассматриваться, как чисто поверхностное явление. Во время скольжения образуются и разрушаются крупные (по сравнению с размерами молекулы) соединения между металлами. Кроме того, при разной твердости трущихся поверхностей более твердая из них царапает менее твердую с силой Гц.
 Согласно этим рассуждениям сила трения определяется как сумма силы, необходимой для срезания сваренных участков Тс и силы Гц, с которой более твердый металл воздействует механически на более мягкий: где т5 — сопротивление срезу в области сваренных участков; sc — площадь сваренных участков; т0 — сопротивление среза в зонах механического сцепления; s — площадь криволинейных поверхностей царапин.
 Разница в понимании механизма трения Ф. П. Боуденом и Б.В . Дерягиным в отношении роли адгезионных сил при определении силы трения заключается в том, что согласно Ф. П. Боудену основным фактором формирования этих сил является сварка между металлами, а Б. В. Дерягин утверждает о преобладающей роли адгезии. Ф. П. Боуден утверждает, что сила трения — переменная величина вследствие прерывистого характера непрерывного срезывания новообразующихся сварных участков по контактной поверхности. В большинстве случаев размеры царапин на телах с большой твердостью незначительны, поэтому вторым членом уравнения Боудена можно пренебречь. В этом случае уравнение принимает вид. Это уравнение тождественно закону Амонтона. Отличие закона Амонтона состоит в том, что Боуден включает механические показатели трущихся тел как множитель в уравнение для расчета сил трения. В качестве недостатка теории Боудена можно указать на его утверждение, что адгезия не является первопричиной появления трения и что трение рассматривается как идеальный процесс сварки и задирания. Она не учитывает реального процесса трения, при котором с поверхности за счет механического задира отделяются частицы, которые действуют как абразив и физические свойства которых находятся в прямой зависимости от материала трущихся тел. Кроме того, механические свойства трущихся поверхностей отличаются от свойств основного металла, причем они непрерывно меняются из-за изменения напряженного состояния, разрушения и появления на поверхностях контакта обновленных участков. Молекулярно-механическая теория. По утверждению И. В. Крагельского, основоположником этой теории можно признать Кулона, который дополнил уравнение Амонтона константой А (Т = N + А). Эта константа учитывает изменение трения в результате сцепления между трущимися поверхностями. И. В. Крагельский утверждает, что трение имеет двойственную природу, выражающуюся одновременно в действии механического сцепления и молекулярного притяжения, и описывается уравнением где а и Р — параметры трения, связанные с механическими и физическими характеристиками трущихся тел; q — давление. Если разделить это уравнение на нормальное усилие N, получим коэффициент внешнего трения. Коэффициент внешнего трения состоит из двух членов: aSJ N и (3. Первый член уравнения и является коррекцией закона Амонтона. Уравнение И. В. Крагельского трудно подтвердить экспериментальным путем, что связано с отсутствием достоверной методики оценки величины зацепления контактных поверхностей и адгезионных сил. Уравнения для определения выведенные И. В. Крагельским и Ф. П. Боуденом, вносят дополнительные неизвестные, что не позволяет достоверно оценить механизм трения.
 Уравнение (9.6) согласуется с механикой процесса, но не учитывает физико-химическую сущность явлений, которые преимущественно вызывают трение. Допущение, что шероховатости поверхностей контакта абсолютно твердые или идеально упругие, не точно и не подтверждается экспериментами на реальных телах. Уравнение не объясняет некоторые основные условия трения, например, то, что силы трения увеличиваются с повышением гладкости трущихся поверхностей с определенной критической шероховатостью, присущей различным материалам.
 Теория сопротивления срезу поверхностных слоев. Она предложена Н. Ф. Куниным, П. Бриджмэном, Г. И. Епифановым и др. [32, 36]. Эти ученые исходят из концепции, что основой определения сил трения должно быть сопротивление срезу соприкасающихся слоев. Так, согласно Г. И. Епифанову взаимодействие на контактной поверхности между твердыми телами, обусловливающее появления сил трения, сводится по существу к молекулярному притяжению между поверхностями, к зацеплению шероховатостей и переходу элементов от поверхности одного тела к поверхности другого. Во всех этих видах взаимодействия основной силой, которую необходимо преодолеть при относительном перемещении тел, является сопротивление срезу тонких поверхностных слоев твердых тел. Сопротивление срезу вычисляется с помощью формулы, где = dxcp/(don) — коэффициент, который учитывает зависимость между напряжением среза и нормальным напряжением; оп — нормальное напряжение.
 При решении уравнений конкретизируется уравнение силы трения. Первый член уравнения отражает изменение силы трения в зависимости от изменений фактической контактной площади, по которой происходит срез, а второй член выражает влияние нормального напряжения на сопротивление срезу через коэффициент.
 Если принять, что Яф = N/on, и подставить в формулу (9.10), то получим. Сторонники этой теории считают, что коэффициент трения не может быть больше 0,57 и что для коэффициента внешнего трения существует определенный предел значений. Они опираются на теорию максимальных тангенциальных напряжений Трески и теорию независимости потенциальной энергии Мизиса и Генки.
 Влияние разных факторов на тс р еще недостаточно исследовано создателями этой теории. Сопротивление срезу определено уравнением (выведено И. В. Крагельским путем использования опытов П. Бриджмена), в котором учитывается влияние только нормального напряжения, при этом принята линейная зависимость. Учитывая влияние скорости, температуры и нормального давления на тср, можно записать, где wcр — средняя скорость скольжения по контакту; t — температура на поверхности контакта. Если принять, что весь процесс трения при пластической деформации металлов осуществляется при постоянной температуре, т. е.  при dt = 0, то получим С целью установления влияния давления на напряжение среза в ЦНИИТмаше (г. София) проведено исследование (рис. 9.1). Деформационная зона, т. е. плоскость среза SS, расположена между ползуном 3 и плоскостью втулки % которая неподвижно закреплена на основной плите 1. Нормальное усилие N создается гидравлическим 25-тонным прессом, конструкция которого обеспечивает изменение давления во времени, а сила среза Т обеспечивается коленчато-шатунным механизмом, закрепленным на прессе. Исследовали образцы (0 6,5X12 мм) из стали СтЗ, алюминия и меди, обжатие которых произвели соответственно при усилиях 0—25 ООО Н, 0—10 ООО Н, 0—15 ООО Н. Нормальное давление и силу среза измеряли тензопреобразователем «Хотингер». Измеренная сила среза представляет собой сумму чистой силы среза образца в плоскости SS, силы трения между ползуном и втулкой и силы инерции вследствие неравномерного движения шатунного механизма пресса. Очевидно, при этом где Тср — суммарная сила среза; Sc p — площадь среза; m — масса коленчатого механизма; х — путь перемещения ползуна; т — время.
 Так как движущаяся возвратно-поступательно масса коленчато-шатунного механизма небольшая, силой инерции можно пренебречь. Не учитывается и сила трения между ползуном и втулкой из-за их малой величины. Тогда уравнение (9.15) примет вид. Опыты проводили при температуре 20 °С. Типовые осциллограммы изменения усилия нажима и силы среза представлены на рис. 9.2. Результаты дешифровки осциллограмм показаны на рис. 9.3.