Опыты на стальных образцах не подтвердили линейной зависимости изменения силы среза от усилия прижима, что не согласуется с теоретическими положениями, предусматривающими линейный закон ее изменения. Исследования показали, что кривая, выражающая зависимость между тс р и оП9 имеет максимум, который приблизительно совпадает с пределом текучести материала (рис. 9.4). В области упругих деформаций при сжатии, с увеличением нормального напряжения в образце, растет и напряжение среза. В области пластической деформации наблюдается обратное явление с увеличением нормального напряжения, напряжение среза изменяется. Так как при трении во время пластической деформации металла изменением напряжения среза в пластичной области пренебречь нельзя, то следует учитывать и другую ветвь кривой в расчетах трения.
Теория жидкостного трения. При обработке металлов давлением жидкостное трение возникает тогда, когда жидкий смазочный материал разделяет (изолирует) контакт между инструментом и обрабатываемым металлом.
Силу трения во внутренних слоях жидкого смазочного материала определяют согласно уравнению Ньютона
Из уравнения [заключаем, что сила трения Т не зависит от давления, а зависит от площади контактной поверхности F, вязкости смазочного материала т], скорости скольжения v и толщины смазочного слоя h. Обобщенный закон трения Е. И. Исаченкова. Этот закон выражается уравнением где т — удельная сила трения; и— коэффициент трения; q — давление; у — коэффициент непрерывности смазочного слоя; r — динамический коэффициент вязкости смазочного материала. Анализом уравнения (9.18) можно установить, какие условия контактного трения возникают на поверхности заготовки в зависимости от вида обработки металлов давлением. Если отсутствует смазка в зоне очага деформации, то у = 0 и выполняются условия закона сухого трения, т. е. При v= l (т. е. при условии непрерывности смазочного слоя) выполняется условие жидкостного трения
Если условия контактного трения неоднородны, т. е. 1 > у > О, то соблюдаются условия граничного трения.
Особенности трения при обработке металлов давлением. Трение — постоянный элемент всех видов обработки металлов давлением.
Трение при обработке металлов давлением влияет на характер напряженного состояния деформированного тела и рабочего инструмента, а также на распределение давления по рабочей поверхности инструмента; на сопротивление деформации по объему заготовки; на абсолютную величину усилия деформации; на расход энергии при обработке металлов давлением; на стойкость и износ рабочего инструмента; на состояние и качество поверхности обрабатываемого изделия; на характер и степень развития неравномерности деформации; на неоднородность внутреннего строения и свойств тела после его обработки; на формообразование очага деформации и протекание процесса при различных видах обработки металлов давлением. Трение при обработке металлов давлением существенно отличается от трения между твердыми телами. Это взаимосвязано с отличительными особенностями пластического трения, вызванного пластической деформацией обрабатываемого металла, частичной деформацией вершин шероховатостей инструмента; увеличенным механическим сцеплением шероховатостей контактной поверхности; относительным скольжением обрабатываемого металла по контакту (для большинства форм очагов деформаций) и сваркой. Сварка может быть следствием скольжения, температурных условий контакта, величины давления, обновления контактной поверхности, продолжительности трения и др. Обновление контактной поверхности. Во время пластической деформации металла контактная поверхность обрабатываемой заготовки (в большинстве случаев) увеличивается, и ее обновление не является равномерным. Характер этих изменений зависит от степени деформации обрабатываемого металла и от метода его обработки. Обычно, контактная поверхность при осадке разделяется на три зоны (рис. 9.5): зона прилипания, в которой отсутствует обновление поверхности, если не учитывать незначительные пластические деформации пиков шероховатостей металла; зона скольжения, в которой наблюдается изменение поверхности контактного слоя, причем здесь проявляется интенсивное обновление контактной поверхности; зона выхода боковой поверхности заготовки на ее торцовую часть, где также во время пластической деформации металла происходит обновление поверхности, которое зависит от соотношений размеров исходной заготовки. Для некоторых процессов обработки металлов давлением контактная поверхность уменьшается в деформационном пространстве (процесс прессования). Уменьшение наступает вследствие проникновения части поверхностного слоя заготовки в ее глубину, а механизм изменения контактной поверхности принципиально отличается от всех остальных. Изменения контактной поверхности наступают также и при других способах обработки металлов давлением (вальцовке, штамповке, прокатке, волочении и др.), но при каждом способе эти изменения зависят от особенностей процесса, которые влияют на характер обновления поверхности. Обновление металла в контактном слое при пластической деформации металлов значительно усложняет условия трения и способствует увеличению роли адгезионных сил.
Кинематика перемещения металла по контактной поверхности. Скольжение металла по контактной поверхности сложно и неодинаково при различных видах обработки пластической деформацией. Например, при осадке в зависимости от условий контактного трения можно наблюдать различные сочетания зон прилипания, скольжения и зон перехода боковой поверхности заготовки на ее торцовую часть. Чистое скольжение наблюдается при минимальном коэффициенте трения, что особо ярко проявляется при гидропластической обработке. Направление течения металла противоположно направлению силы трения. Кинематика перемещения металла по контактной поверхности при волочении характеризуется увеличением скольжения по мере прохождения металла через всю рабочую длину очага деформации. Характер перемещения металла в зоне его контакта с рабочими валками при прокатке зависит от формы очага деформации. При этом наряду с зонами скольжения существуют и зоны прилипания. Кроме кинематических факторов, существенное влияние на закономерности трения при обработке металлов давлением оказывают температура и химический состав обрабатываемого металла, давление и др. Виды внешнего деформационного трения. В литературе встречаются самые различные определения видов трения, но в основном их группировка связана с кинематическим признаком (трение при покое, динамическое трение); физическим признаком (трение между твердыми телами, пластическое трение), местоположением плоскостей трения (внешнее трение, внутреннее трение) и др.
Полная классификация трения сделана И. В. Крагельским, а именно: чистое трение (на трущихся поверхностях отсутствуют какие либо загрязнения); сухое трение (отсутствуют смазочные материалы по контакту); граничное трение; полужидкостное трение (когда в некоторых местах трущихся поверхностей существуют локальные контакты); жидкостное трение (когда создан жидкий промежуточный слой между трущимися поверхностями).
Обычно при совместной работе деталей машин создаются условия трения, при которых смазочный слой надежно разделяет трущиеся контактные поверхности. А при больших скоростях скольжения, нагрузках возникает граничное трение. При обработке металлов давлением почти невозможно обеспечить жидкостное трение за счет влияния различных факторов, например больших давлений, под действием которых смазывающие вещества вытесняются с контактных поверхностей; высокой температуры в очаге деформации, которая уменьшает адсорбционную способность смазки и не способствует образованию непрерывной смазывающей пленки и др. С. И. Губкин высказал предположение, что гидродинамическое смазывание наблюдается в случаях, когда создаются специальные условия, не позволяющие смазочному материалу выходить из пространства между контактными поверхностями. Неблагоприятные условия работы при обработке металлов давлением изменяют характер трения, вследствие чего жидкостное трение переходит в граничное. Граничное трение характерно для процессов обработки металлов давлением. Возникновение между контактирующими поверхностями сухого трения затруднено в связи с тем, что поверхность заготовки загрязняется еще во время ее изготовления. Например, С. И. Губкин показал, что коэффициент трения стали по алюминию непосредственно после обезжиривания алюминиевого образца равен 0,54, а по истечении определенного времени только под воздействием атмосферного воздуха коэффициент трения уменьшается до 0,30. В результате того, что соприкасающиеся и трущиеся поверхности всегда загрязнены, при пластической деформации металлов вместо сухого трения (трения без смазочного материала) возникает адсорбционное трение.
При пластической деформации металлов оба вида трения — граничное и адсорбционное — имеют существенное значение. Известно, что адгезия трущихся тел появляется тогда, когда устранены загрязнения, такие, как адсорбированные газы, жидкости, окислы на поверхности, и созданы условия для появления адгезионных сил. Возникновение адгезии и ее участие во внешнем трении при обработке металлов давлением до настоящего времени не изучено. Некоторые металлы имеют небольшую склонность к адгезии. К ним относятся серебро, кадмий, индий, олово и свинец. Следовательно, участие адгезионных сил в трении различно не только из-за степени обновления металла, вида очага деформации, скоростных условий деформации, но и из-за химического состава обрабатываемого металла.
