ЗОВНІШНЯ (КОНТАКТНА) ТРАННЯ В ПРОЦЕСАХ ОБРОБКИМЕТАЛІВ ТИСКОМ
ЗОВНІШНИЙ (КОНТАКТНИЙ) ТРАННЯ В ПРОЦЕСАХ ОБРОБКИ МЕТАЛІВ ТИСКОМ
Роль та особливості контактного тертя у процесах обробки металів тиском
У процесах обробки металів тиском на поверхнях контакту деформованого тіла з інструментом виникають нормальні та дотичні напруги. Дотичні напруги (сили зовнішнього тертя) виникають при зсувах контактних частинок оброблюваного металу щодо інструменту контактної поверхні. Ці усунення є наслідком перебігу металу обсягом тіла.
Сили тертя при пластичній деформації визначають величину та розподіл нормальних напруг по контактній поверхні, рівнодіюча яких складає зусилля, необхідне для здійснення процесу обробки.
З появою сил тертя пов'язана і нерівномірність розподілу деформації за обсягом. Характер цієї нерівномірності також залежить насамперед від величини та розподілу дотичних напруг. Сили зовнішнього тертя вирішально впливають на механіку процесів деформації загалом.
Здійснення прокатки, наприклад, взагалі неможливо без наявності сил тертя, оскільки тільки за допомогою їх може передаватися потужність від валків до смуги, що прокочується. Сили зовнішнього тертя при пластичній деформації визначають напружений та деформований стан. При теоретичних розрахунках є граничними умовами, визначальними те чи інше приватне рішення.
Важлива роль зовнішнього тертя викликає необхідність систематичного вивчення закономірностей цього явища стосовно процесів пластичного деформування.
Контактне тертя при пластичній деформації істотно відрізняється від тертя ковзання при переміщенні одного твердого тіла поверхнею іншого.Тому уявлення фізики твердого тіла про закономірності сухого тертя можна поширювати на тертя при пластичній деформації з урахуванням відмінностей від звичайного тертя ковзання.
У процесах обробки металів тиском через суттєву різницю в механічних властивостях інструмент деформується пружно, а заготівля пластично.
Особливості тертя при обробці металів тиском визначаються тим, що зміщення контактних частинок матеріалу, що деформується відносно поверхні інструменту виникають внаслідок деформації металу в об'ємі (у деяких випадках, наприклад при волочении, контактні зміщення є результатом пластичної деформації і жорстких переміщень). Крім того, відмінність у механічних властивостях деформованого металу та інструменту дуже велика, особливо при гарячій обробці тиском. Якщо залежно від попереднього зміщення сила тертя спокою змінюється від нуля до максимального значення сили статичного тертя і потім з розвитком ковзання продовжує змінюватися певним чином, то розподіл дотичних напруг знаходиться у відповідному зв'язку з кінематичними умовами на контактній поверхні, які пов'язані з деформацією в обсязі оброблюваного тіла.
Дійсно, як відомо з фізики твердого тіла, при додатку зміщувальної сили відбуваються відносні переміщення тіл, що труться. При малих значеннях зміщувальної сили ці переміщення (попередні усунення) невеликі. За деякого граничного значення сили тертя відбувається перехід від малих зсувів до ковзання.
При машинному терті величина зсувів визначається кінематикою механізму і найчастіше стала для всієї поверхні зіткнення. Нормальні тиски часто також однакові для всієї контактної поверхні тавизначаються з динамічних умов. Таким чином, при машинному терті для всієї поверхні дотику нормальний тиск і зсув однакові. Зазвичай ці усунення великі, і явища деформування в приконтактних шарах і зношування мають характер.
У процесах обробки металів тиском нормальні тиску та зміщення різні в різних точках контактної поверхні. Якщо немає різниці у зсувах двох сусідніх точок, це означає відсутність деформації у цій галузі. Таким чином, дотичні напруги за розглянутими фізичними уявленнями про зв'язок між напругами та зсувами для точок контактної поверхні відповідатимуть різним точкам кривих, що відповідають різним тискам
Фізична природа залежності сил тертя від нормального тиску та усунення, очевидно, єдина як при звичайному терті ковзання, так і при контактному терті у процесах обробки металів тиском. Однак у процесах пластичної обробки металів нормальні тиски та контактні зміщення перебувають у складній залежності від деформації в обсязі тіла. Тому процес взаємодії на контактних поверхнях необхідно розглядати у зв'язку з деформацією в обсязі. Тільки сукупний розгляд процесу деформації дозволяє з'ясувати особливу сутність контактного тертя під час пластичної деформації. При цьому найважливішими характеристиками цих процесів є роботи сил зовнішніх і внутрішніх опорів. Співвідношення між цими роботами підпорядковується певним законам, які описуються енергетичними принципами механіки суцільних середовищ.
Закономірності тертя у процесах обробки
Металів тиском
Аналіз попередніх робіт
При розрахунку тертя у деталяхмашин зазвичай вважають, що сила тертя пропорційна силі нормального тиску [9]. Дослідження тертя у процесах обробки металів тиском (ОМД) показало, що залежність має складніший характер [12,28]. Це може бути пояснено особливостями, властивими процесам ЗМД, головними з яких є високий рівень контактних тисків і суттєва відмінність у механічних властивостях тіл, що труться, внаслідок чого деформація одного з труться тіл (інструменту) завжди є пружною, у той час як іншого (заготівлі) – пластичної. А це, у свою чергу, призводить до суттєвої відмінності у площах фактичного контакту при терті в деталях машин та процесах ЗМД. Так, якщо в першому випадку площа фактичного контакту зазвичай становить від 0,0001 до 0,1 номінальної площі [8], то в другому вона може бути близькою до нормальної.
В даний час для розрахунків тертя в процесах ЗМЗ зазвичай використовують дві залежності. Закон тертя Амонтона
(7.1)
(7.2)
Тут - контактні дотичні напруги; – нормальні Тим часом, як було зазначено вище, зв'язок сил тертя та нормального тиску не обмежується залежностями (7.1) та (7.2). Причому обгрунтування правомірності застосування тієї чи іншої висловлювання визначення сил тертя за конкретних умов обробки немає. Крім того, коефіцієнт тертя, що міститься в цих виразах, не може бути розрахований аналітично, а повинен визначатися експериментально. Все це ускладнює розрахунок сил тертя при пластичній формозміні. У зв'язку з цим постає завдання побудови аналітичної моделі тертя у процесах ЗМД, яка б теоретично розраховувати сили тертя.
Спроба теоретично пояснити результати експериментів міститься у роботі [16], проте запропонована у ній модель невраховує напружений стан, що виникає у місцях локального контакту при терті. Цього недоліку позбавлені моделі тертя, запропоновані на роботах [13, 24]. У роботі [13] визначено опір ковзанню при впровадженні в гладку поверхню пластичного матеріалу одиничного клинового виступу для випадку, коли адгезійна складова сил тертя дорівнює нулю (рис. 7.1). Показано, що в даному випадку сила тертя пропорційна силі нормального тиску, а коефіцієнт тертя дорівнює
(7.3)
де - Кут нахилу гребінців інструменту до площини контакту.
Мал. 7.1. Схеми різних фаз руху одиничного клинового виступу по поверхні пластичного матеріалу за відсутності адгезійної складової сил тертя.
У роботі [24] показано, що при контактній взаємодії шорсткої поверхні інструменту з гладкою поверхнею заготівлі (рис. 7.2) у процесі пластичного формозміни в залежності від ступеня заповнення западини між гребінцями інструменту хвилею пластично деформованого матеріалу мають місце три стадії з різними законами тертя. На першій стадії досі досягнення пластичною хвилею вершини гребінця має місце закон тертя Амонтона. На другій стадії, до моменту повного заповнення западини між гребінцями - двочленний закон тертя, і на третій стадії - закон Зібеля.
Мал. 7.2. Схеми стадій заповнення западин між гребінцями при контактній взаємодії шорсткої поверхні інструменту з гладкою поверхнею заготівлі
За відсутності адгезійної складової першої та другої стадіях заповнення має місце закон тертя Амонтона, а коефіцієнт тертя визначається виразом (7.3).
Нормальний тиск, що відповідає моменту повного заповнення западини міжгребінцями, так само
(7.4)
де K – постійна пластична матеріалу заготівлі, – адгезійна складова сил тертя.
Слід зазначити, що в роботах [13,24] аналіз обмежений випадком взаємодії шорсткої поверхні інструменту з гладкою поверхнею заготівлі.
Насправді обидві поверхні шорсткі, причому в переважній більшості випадків шорсткість інструменту на кілька класів вище шорсткості заготовки.
Взаємодія шорстких поверхонь інструменту та заготівлі для випадку граничного тертя на контакті розглянуто у роботі [13]. Встановлено зв'язок відносної площі фактичного контакту із рівнем нормальних тисків. Розв'язано завдання зминання нерівностей заготівлі та впровадження гребінців інструменту в метал, що зминається, при їх взаємодії (процеси, що визначають формування площі контакту). Показано, що як при зминанні, так і при впровадженні слід розрізняти дві стадії (незалежну стадію та із взаємним впливом гребінців).
Перша стадія застосування визначається полем вдавлювання клинових пуансонов (рис. 7.2, а), і відповідна їй глибина застосування лежить у межах 0 0,5Н починається друга стадія взаємодії. Вона визначається полем течії в щілину, що звужується (рис. 7.3, б).
Мал. 7.3. Поле ліній ковзання для різних стадій впровадження гребінців інструменту в поверхню заготівлі: а – перша стадія; б – друга стадія
Нормальний тиск на номінальній площі контакту для другої стадії впровадження гребінців інструменту визначається виразом
(7.7)
Перша стадія зминання гребінців заготівлі визначається полем стиску клина (рис. 7.4 а). Їй відповідає величина зминання в межах 0 К п