Факторы, влияющие на сухое и граничное трение
Сила 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 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, напряжение трения неодинаковы по поверхности контакта: они увеличиваются с ростом величины смещения.
Закономерность скольжения деформируемого тела по инструменту зависит от формы зоны деформации, а в некоторых случаях и от формы деформируемого тела.
Таким образом, внешнее трение при ОМД представляет собой сложный физико-химический процесс и значительно отличается от трения в машинах. Оценивать величину силы и напряжения трения при пластической деформации коэффициентом трения (как это было в деталях машин) неправильно, т.к. в тех участках контактной зоны, в которых скольжение отсутствует (зона прилипания), понятие коэффициента трения не имеет физического смысла. В тех процессах ОМД, в которых прилипание отсутствует (например, волочение), процесс трения приближается к процессу машинного трения.
Рассмотрим зависимость коэффициента сухого трения при пластической деформации от основных факторов.
Влияние твердости металла и внешнего давления
Закон сухого трения в деталях машин имеет вид: сила трения Т пропорциональна нормальной нагрузке N и не зависит от площади контакта:
T = f*N, где f – коэффициент трения (константа)
В ОМД используется формула Епифанова:
,
где
– сопротивление сдвигу в поверхностном
слое;
Fк – площадь контакта металла с инструментом;
к – коэффициент, учитывающий скорость
изменения касательных напряжений при
изменении нормальных напряжений, т.е.
N – нормальная сила.
Первый
член в этом уравнении показывает
изменение силы трения вследствие
изменения площади сдвига, а второй –
изменение сопротивления сдвигу при
изменении нормального давления. Разделив
обе части этого уравнения на полную
поверхность соприкосновения F,
и учитывая, что
– среднее напряжение трения, а
– нормальное напряжение, имеем:
– напряжение трения равно произведению
нормального напряжения на коэффициент
трения.
Из условия пластичности известно, что
(для
плоской деформации
)
Следовательно,
когда напряжение трения достигнет
,
вероятность скольжения металла по
инструменту и внутреннего скольжения
в металле будет одинакова. При дальнейшем
повышении нормального напряжения
скольжение металла по инструменту
замедляется. При этом напряжение трения
сохранит постоянную величину, а значит 
Условие пластичности имеет вид: . Значит коэффициент трения:
При
всестороннем сжатии (прокатка без
натяжения, ковка, прессование)
и
имеют
одинаковый знак, поэтому коэффициент
трения fmax<0,5.
При разноименной схеме напряженного
состояния минимальное главное напряжение
<0,
поэтому коэффициент трения может быть
больше 0,5. Однако, на практике при
всестороннем сжатии часто получают
коэффициент трения значительно больше
0,5. Это объясняется тем, что его определяют
как частное среднего напряжения трения
на удельное давление. Но при этом не
учитывают, что действие напряжения
трения очень локализовано и величина
его определяется повышением сопротивления
деформации приконтактных слоев, тогда
как удельное давление действует по
всему объему тела, т.е.
может
быть больше 0,5.
Влияние состояния поверхности инструмента (качество обработки и его износ) и деформируемого металла также влияет на напряжение трения. Особенно большое влияние наблюдается при горячей деформации в связи с образованием окалины.
Влияние химического состава инструмента и деформируемого металла на коэффициент трения связано с родством металлов. 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 самый низкий на алмазных.
При обработке очень мягких металлов (свинец, алюминий) наблюдается налипание частиц этих металлов на инструмент. Это приводит к повышению коэффициента трения. С увеличением удельного давления при пластической деформации коэффициент трения уменьшается (при машинном трении наоборот – увеличивается). При ОМД, когда имеет место прилипание, оно тем сильнее, чем больше удельное давление. Поэтому сила трения растет медленнее, чем нормальное давление. В результате среднее значение коэффициента трения уменьшается.
Влияние
температуры на
коэффициент трения сложное. При изменении
температуры изменяется сопротивление
деформации и физико-химические свойства
окалины, образующей промежуточный слой
между металлом и инструментом. Установлено,
что при нагревании коэффициент трения
сначала растет, достигает максимального
значения, затем уменьшается. Первоначальный
рост объясняется окислением поверхности
и образованием шероховатой окалины.
При дальнейшем повышении температуры
происходит размягчение окалины, и она
начинает играть роль смазки. Максимального
значения коэффициент трения для стали
достигает при t=800-1
000oC.
Для некоторых сталей окалина очень
сильно снижает коэффициент трения при
высоких температурах. В результате
захват металла валками затрудняется и
дальнейшая прокатка возможна только
после дополнительного подстуживания.
При
прокатке углеродистых сталей на основании
экспериментальных данных используется
формула С. Экелунда (с поправками Б.М.
Бахтинова
и М.М. Штернова):
,
где
– коэффициент, учитывающий влияние
материала валков. Для чугунных валков
он равен 0,8, а для стальных – 1,
-
коэффициент, зависящий от скорости
прокатки, определяется из графика (для
горячей прокатки при скорости меньше
2 м/с принимать 1);
-
коэффициент, учитывающий влияние
химического состава стали, определяется
из таблицы:
-
Сталь
Углеродистая (Ст1)
1,0
Ледебуритная (РФ1)
1,1
Перлитомартенситная (ШХ15)
1,3
Аустенитная (ЭИ100)
1,4
То же, с включениями феррита и ледебурита (1Х18Н9Т)
1,47
Ферритная (ЭИ341)
1,55
Аустенитная с включениями карбидов (ЭХН60)
1,6
Таким образом, в случаях сухого и граничного трения трение определяется либо по закону:
при
при
либо по закону Леванова:
где кп – константа поверхности,
равная отношению предельного напряжения
трения
к
– сопротивление деформации пограничного
слоя; предел упрочнения обрабатываемого
металла
– сопротивление сдвигу
П
о
первому закону график зависимости имеет
вид:
по
второму:
