Физические основы пластической деформации, страница 12

Контактное трение9.1. Понятие контактного касательного напряжения.Парность сил тренияПри взаимодействии деформируемого тела с инструментом на контактных поверхностях возникают силы трения, которые оказывают большое влияние на силы деформирования, на характер формоизменения, качество детали ит.д. Например, при осадке цилиндрической заготовки, чем больше шероховатость бойков, тем больше величина образующейся бочки. При осадке кольцевой заготовки на шероховатых бойках внутренний диаметр уменьшается, а нагладких смазанных - увеличивается и др.Контактное трение - это механическое взаимодействие двух тел, препятствующее их относительному перемещению в плоскости соприкосновения тел.РдTтечениеметаллаTRзТзТиFиFзРдRиРис.67Рассмотрим осадку образца силами Рд , на торцовых плоскостях которого действуют силы трения Т (см.

рис. 67) .Сила взаимодействия элементов заготовки и инструмента на площадках Fз и Fи в общем случае направленапод углом  к нормали. Касательная составляющая Т силы взаимодействия R называется силой трения. В соответствии с 3-м законом Ньютона силе Rз, действующей на заготовку, соответствует такая же сила Rи, действующая на инструмент.Таким образом, на контактной поверхности заготовки Fз возникает сила трения Тз сопротивления перемещению заготовки относительно инструмента, а на контактной поверхности Fи инструмента возникает сила трения Тиактивного действия, которая стремится увлечь инструмент в направлении движения заготовки.Сила Тз влияет на качество поверхности заготовки, а сила Ти влияет на износ инструмента.

Это положение известно, как закон о парности сил контактного трения сопротивления и активного действия. Силы трения относят кединице площади поверхности трения и величину к = lim T/F при F0называют контактным касательным напряжением.При анализе силового режима и формоизменения заготовки оперируют напряжением кз, действующим со стороны инструмента на заготовку, при анализе нагрузки на инструмент оперируют напряжением ки , действующим состороны заготовки на инструмент.45Трение в обработке давлением качественно отличается от трения в машинных парах.

Во-первых, при пластическом деформировании контактная поверхность детали и инструмента непрерывно обновляется, т.к. увеличиваетсяплощадь контактной поверхности. Во-вторых, относительное перемещение деформируемого тела и инструмента вбольшинстве операций значительны и различны для различных точек контактной поверхности. В-третьих, при обработке металлов давлением имеют место высокие давления и температуры на контактных поверхностях.Например, если в подшипниках и направляющих машин общего назначения контактные давления не превышают 20-40 МПа, в тяжелонагруженных парах трения кухнечно-штамповочного оборудования они возрастаютдо50-100 МПа, то при холодной пластической деформации на контактных поверхностях давления доходят до 2000-2500МПа. При горячей обработке металлов давления ниже, но на контактных поверхностях действует высокая температура - 800-1000 0С и более. Совместное влияние высоких давлений и температур вносит еще более существенное изменение в процесс взаимодействия инструмента с заготовкой по сравнению с трением в машинных парах.9.2.

Виды тренияВ процессах обработки давлением различают три вида трения: сухое, жидкостное и граничное.Сухое трение возникает между заготовкой и инструментом, когда их контактные поверхности не разделены каким-либо третьим телом (смазка, окислы, воздух и др.).

В момент контакта поверхность соприкосновения небольшая,т. к. соприкосновение осуществляется по вершинам выступов микронеровностей (см. рис.68).Фактическая поверхность контакта Fкф в момент соприкосновения значительно меньше номинальной площадиFкн. Поэтому пластическая деформация начинается на поверхностях фактического контакта, например Fi. После достижения предела текучести начинается деформация гребешков и приработка поверхности заготовки к поверхностиинструмента.В области выступов в условиях больших контактных давлений и значительной местной деформации образуютсятак называемые «узлы схватывания», т.

е. поверхности Fi , на которых вследствие агдезии образуется металлическоесоединение трущихся тел. При сухом трении прочность такого металлического (местного) соединения в узле схватывания в большинстве случаев выше, чем прочность материала заготовки. Поэтому дальнейшее относительное перемещение заготовки по поверхности инструмента возможно лишь при разрушении материала заготовки.ZFкнИFi Fi+1`ЗХРис.68Рассмотрим процесс на площадке Fi (см. рис. 69).46В начальный момент контакта деформация локализуется у вершины выступа, т.к. в этом месте площадь наименьшая и, следовательно, напряжения наибольшие. По мере увеличения площадки от Fи до Fд очаг пластическойдеформации распространяется вглубь выступа по нормали n. Деформация сопровождается упрочнением, поэтому напряжение текучести на сдвиг s в объеме выступа является переменным.

У поверхности контакта s больше, чемвглубь выступа, т.е. градиент механических свойств - отрицательный. В этих условиях внешнее трение переходит втрение внутреннее, и дальнейшее перемещение заготовки и инструмента в направлении ux возможно только, если узелсхватывания разрушится по поверхности среза «ав», для которой произведение sFав (сила сопротивления срезу) будет наименьшим.Если деформируемый металл и металл инструмента близки друг к другу по своим механическим характеристикам, то узел схватывания на поверхности контакта очень прочен, и при трении поверхностей материал заготовки налипает на инструмент. Особенно это характерно при повышенных температурах, при которых материалы более легкообразуют металлическое соединение в узлах схватывания (адгезия).Если сродство материалов инструмента и заготовки невелико, то металлический контакт при низких температурах непрочен, и с повышением температуры его прочность изменяется незначительно.Поэтому в случае деформирования инструментом, свойства которого сильно отличаются от свойств заготовки,сопротивление срезу по поверхности «ав» больше, чем по поверхности «cd» границы раздела.

В этих условиях схватывание происходит, но налипания не наблюдается.Сухое трение приводит к резкому ухудшению качества поверхности заготовки, повышенному износу инструмента. В чистом виде сухое трение возникает только при обработке в вакууме. В обычных условиях деформации безсмазки на поверхностях инструмента и заготовки всегда имеются оксиды, пленки влаги, газовые прослойки, различные загрязнения. Поэтому условия, близкие к сухому трению, существуют лишь на отдельных участках поверхности,главным образом тех, которые образовались в результате увеличения общей площади контакта и выхода на поверхность глубинных слоев металла заготовки.Гидродинамическое трение (чаще называемое жидкостным трением)возникает при холодной пластической деформации при обильной смазке поверхностей. Особенность такого трениясостоит в том, что во всех точках контактные поверхности разделены толстой (более 10-4 мм) пленкой смазки.

Дляэтого вида трения контактные касательные напряжения определяются формулой Ньютонаτk  μsdVcdnгде s - динамическаявязкость смазки, dVс / dn - градиент скорости в слое смазки в направлении нормали к контактной поверхности ( рис.70).d Vсdn47Рис.70При использовании эффективных смазок толщина слоя пленки оказывается достаточно большой, трущиеся поверхности надежно разделены, и контактные касательные напряжения оказываются минимальными, примерно на 2порядка ниже, чем при сухом трении. В результате резко снижается деформирующая сила, повышаются качество поверхности изделия и стойкость инструмента.Граничное трение встречается чаще, чем другие виды трения и характеризуется тем, что поверхности заготовкии инструмента разделены тончайшим слоем смазки (не более 10-6 - 10-4 мм).

Контактные касательные напряжения приграничном трении на порядок больше, чем при жидкостном.Большое значение при граничном трении имеют свойства смазки и состояние трущихся поверхностей.Причины значительного повышения к при граничном трении по сравнению с жидкостным, состоят в следующем:-смазочные пленки толщиной менее 10-4 мм (граничный слой) качественно отличаются от нормальной жидкости, изкоторой они образованы.-неровности контактирующих поверхностей местами прерывают смазочную пленку, образуя узлы схватывания. Еслипленка имеет малую механическую прочность, то количество узлов схватывания может быть большим, и граничноетрение приближается к сухому.9.3.

Граничные условия. Законы Амонтона-Кулона и ЗибеляДля теоретического анализа процессов обработки металлов давлением необходимо задать закон, по которомуизменяются касательные напряжения на контактных поверхностях инструмента и заготовки. Этот закон входит в число граничных условий.В зависимости от состояния контактных поверхностей граничные условия задаются по-разному.По закону Амонтона-Кулона контактные касательные напряжения распределяются пропорционально нормальным напряжениям в плоскости контакта (рис.

71): к =  n, где n - нормальное напряжение на контактной поверхности.Рассмотрим площадку Fз в окрестности т. А с координатами x, y, z. Пусть n = s и  = 0,4, что соответствует реальным значениям в условиях горячей пластической деформации.Тогда к = 0,4 s .При пластической деформации существует закон:мах - мин = 2мах = s , откуда мах = s / 2 .Очевидно, что к должно быть меньше мах, следовательно, закон Амонтона - Кулона (граничные условия к =  n)можно применять, если по условиям техпроцесса на поверхности контакта действуют нормальные напряжения n, прикоторых  n < s / 2.nRзnкFзРис.71Для деформации в условиях граничного трения сопротивление сил трения на площадке F зависит не только от сопротивления сдвигу самого деформируемого металла, но и от сопротивления сдвигу граничной смазки:48T = sFс + смF смгде Fc - часть площадки F, по которой происходит сухое трение, а F см - часть площадки, по которой заготовка иинструмент взаимодействуют через слой смазки.Обозначим Fс / F см=  и учтем, что s = s / 2Разделим почленно T на выражение F = Fc + Fcм:ΔTτ s ΔFсτ ΔF см см ,ΔF ΔFс  ΔFсм ΔFс  ΔFсмτк τcмτsταττ α  τ смτ1 s  см  s τ s (α  см )ΔFcмΔFс1α1α1ατ1αс11ΔFсΔFсмτ смτα  смτsτs0,5σ s [)]  σ s [0,5()]  μσ s ,1 α1 ατα  смτsгде μ  0,5() , т.е.