Механизмы трения

Различают следующие виды трения [43]:

1) чистое — на поверхности трения нет ни окислов, ни смаз­ки; механизм чистого трения может наблюдаться только в усло­виях физического опыта;

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 контакты поверхностей трущихся тел;

6) граничное — пленка жидкой смазки, разделяющая поверх­ности трущихся тел, мономолекулярна и настолько тонка, что в ней не проявляются объемные свойства смазки.

При обработке давлением наблюдается трение полусухое или полужидкостное.

Рассмотрим механизм сухого трения, который во многом ана­логичен механизму полусухого трения. Поверхность всякого тела имеет неровности — выступы и впадины при любом качестве ее отделки. Часть выступов поверхности одного тела попадает во впадины поверхности другого, в результате чего происходит как бы зацепление поверхностей.Фактическая контактная поверхность в этом случае меньше кажущейся, расчетной поверхности. В процессе пластической де­формации фактическая контактная поверхность увеличивается.

Для того чтобы сдвинуть одно тело относительно другого параллельно поверхности контакта, нужно приложить силу—си­лу трения. Эта сила должна приподнять верхнее тело над ниж­ним для того, чтобы вывести из зацепления выступы и впадины или деформировать упруго и пластически выступы. Обычно про­исходит последнее — смятие и срез выступов преимущественно на более мягком материале (деформируемое тело) и в меньшей степени на более твердом (инструмент). Поэтому процесс трения при обработке давлением можно рассматривать как процесс пластической деформации тонких приконтактных слоев, проте­кающий в результате пластической деформации всего объема тела.

Сила трения и напряжение трения зависят от прочностных свойств деформируемого тела и закономерностей изменения их в процессе деформации. Закономерности изменения прочностных свойств приконтактных слоев зависят от тех же факторов, что и прочностные свойства в объеме деформируемого тела,— от хими­ческого состава, температуры, степени и скорости деформации.

Как правило, прочность приконтактных слоев больше проч­ности слоев в объеме тела в результате дополнительных деформаций сдвига, среза гребней при холодной деформации и охлаж­дения от соприкосновения с инструментом при горячей.

Степень деформации приконтактных слоев зависит также от величины и скорости смещения относительно инструмента. В свя­зи с этим напряжения трения не одинаковы по поверхности кон­такта: они увеличиваются с ростом величины смещения.

Закономерность скольжения деформируемого тела по контак­ту с инструментом зависит от формы зоны деформации. Следо­вательно, распределение напряжения трения также зависит от формы зоны деформации. Если деформируется весь объем тела (например, при осадке), то распределение напряжения трения зависит и от формы тела.

Итак, внешнее трение при обработке металлов давлением представляет собой сложный физико-химический процесс и в значительной степени отличается от трения в машинах.

Французский ученый Амонтон так сформулировал закон сухо­го трения: сила трения Т пропорциональна нормальной нагруз­ке N и не зависит от площади контакта, т. е.

(4-1)

где — коэффициент трения.

Кулон приводит другое выражение для силы трения:

(4.2)

где А — сила молекулярного взаимодействия на площадках дей­ствительного контакта трущихся тел.

По Кулону сила трения не равна нулю при отсутствии силы нормального давления. Силы молекулярного взаимодействия обычно малы, поэтому в практических расчетах ими пренебрегают, принимая А = 0 в выражении (4.2). В литературе выражение (4.1) известно как закон Кулона.

Советский ученый Б. В. Дерягин предлагает следующее выра­жение закона сухого трения:

(4.3)

где — истинная площадь соприкосновения тел (площадь кон­такта); — удельная сила молекулярного притяжения (удельная
сила физического притяжения).

Г. И. Епифанов [45, 46] определяет силу трения так:

(4.4)

где — сопротивление сдвигу в поверхностном слое; — площадь контакта металла с инструментом; — коэффициент, учитывающий скорость изменения каса­тельных напряжений при изменении нормальных на­пряжений ; N— нормальная сила.

Первый член уравнения (4.4) показывает изменение силы трения вследствие изменения площади сдвига в предположении независимости сопротивления сдвигу, а второй — изменение со­противления сдвигу при изменении нормального давления.

Разделим обе части выражения (4.1) на полную поверхность соприкосновения F, т. е.

Но —среднему напряжению трения, а— нормальному напряжению. Следовательно,

(4.5)

Напряжение трения равно произведению нормального напря­жения на коэффициент трения.

С увеличением удельного давления при пластической дефор­мации коэффициент трения уменьшается. При машинном трении, наоборот, с увеличением удельного давления коэффициент тре­ния повышается. Уменьшение коэффициента трения с ростом удельного давления можно объяснить следующим. Чем больше удельное давление при пластической деформации данного мате­риала и в данных условиях, тем сильнее выражено прилипание и больше расширяется область постоянства напряжений трения. Поэтому сила трения растет медленнее, чем нормальное давле­ние. В результате усредненное значение коэффициента трения уменьшается.

Влияние температуры обрабатываемого материала на коэф­фициент трения очень сложное. При изменении температуры изменяются сопротивление деформации, физико-химические свой­ства окалины, образующей промежуточный слой между метал­лом и инструментом. Поэтому при определении зависимости коэффициента трения от температуры получают различные дан­ные. Однако установлено, что при нагревании коэффициент тре­ния сначала растет, достигает максимального значения, затем уменьшается (рис. 72) [9]. 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 (по данным некоторых исследователей 800— 1050°С). Влияние температуры и химического состава окалины на коэффициент трения подтверждает опыт прокатки автоматных (сернистых) сталей. Окалина, содержащая сернистые соедине­ния, снижает коэффициент трения при высоких температурах.

В результате захват металла залками затрудняется и возможен только после подстуживания поверхности.

Горячая обработка давлением стали происходит при темпера­турах выше 850—950° С, т. е. в основном в области уменьшения коэффициента трения с повышением температуры. Экелунд на основании эк­спериментальных данных при прокатке углеродистой стали установил линей­ную зависимость коэффициента трения от температуры:

где — коэффициент, учитывающий влияние материала валков и равный 0,8 для чугунных вал­ков и 1,0 для стальных; t — температура обработки, ^СС.

Как показали более точные эксперименты, формула Экелунда дает завышенные значения коэффициента трения.

С увеличением скорости относительного скольжения при су­хом и полусухом трении коэффициент трения снижается. Чем

больше скорость, тем меньше длитель­ность контакта на площадках соприкос­новения инструмента и деформируемого тела и тем меньше роль молекулярного взаимодействия. Этим объясняется то, что коэффициент трения покоя больше коэффициента трения скольжения. Интенсивность снижения коэффициента тре­ния с ростом скорости уменьшается. Од­нако при пластической деформации уп­рочнение приконтактных слоев тем боль­ше, чем больше величина и скорость скольжения. Этот фактор приводит к повышению напряжений и коэффициента трения, но в меньшей степени, чем снижение из-за первого фактора.