Внешнее трение при обработке металлов давлением

В любом процессе обработки металлов давлением смещаемый объем деформируемого тела стремится к некоторому перемещению по поверхности инструмента. 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 сопротивлением 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 разнородности его структуры, возникновению растягивающих напряжений в металле, которые иногда приводят к нарушению сплошности изделия. От характера 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 контакты поверхностей трущихся тел;

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

При обработке давлением наблюдается трение полу­сухое или полужидкостное.

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

Коэффициент трения зависит от многих технологических факторов процесса пластической деформации, таких как состояние поверхности инструмента, 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 перемещения 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 строжке 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 метал­ла 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 эксплуатации – шероховатость поверхно­сти увеличивается, коэффициент трения повышается.

Состояние поверхности деформируемого металла также оказывает влияние на коэффициент трения. Особенно большое влияние состояния поверхности 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 трения выше, чем на чугунных. Чем больше твердость инструмента, тем ниже коэффициент 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 Установлено, 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.

Рисунок 11 – Зависимость коэффициента трения от температуры

обрабатываемого металла

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

Сувеличением скорости деформирования коэффициент трения сни­жается. Чем больше скорость, тем меньше длительность контакта на площадках соприкосновения инструмента и деформируемого тела и тем меньше роль молекулярного взаимодействия. Интенсивность снижения коэффициента трения с ростом скорости уменьшается.

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 удельных давлений смазка не всегда полностью изолирует трущиеся поверхности. Поэтому получается трение полужидкостное.

Для того чтобы смазка в достаточной степени изолировала деформируемое 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 зависит 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 высокой 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 – снижения коэффициента трения, должна охлаждать инструмент и обрабатываемый 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 позволит предохранить инструмент от чрезмерного перегрева.

Помимо указанных основных свойств, смазка долж­на удовлетворять ряду технологических требований: лег­ко наноситься на металл и инструмент, быть химиически пассивной (не разъедать металл и инструмент), иметь минимальное количество остатков, чтобы не загрязнять поверхность после термической обработки, быть без­вредной для рабочих.

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, обладаютхорошей 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, свинец), 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 Вы знаете?

2 Прокатное производство