Методика измерения коэффициента внешнего трения

В настоящее время широко применяется методика определения коэффициента трения по боковому давлению (определяется соответствие бокового и вертикального прессующего давления).

Порошок, засыпанный в пресс-форму, во время прессования в известной степени ведет себя аналогично жидкости и стремится растекаться в стороны, в результате чего возникает давление на стенки пресс-формы, которое называется боковым.

Однако в отличии от жидкости, равномерно передающей приложенное к ней давление во всех направлениях, в порошке наблюдается значительная неравномерность его распределения.

В результате степень сжатия порошка в различных сечениях неодинакова, а на боковые стенки пресс-формы передается значительно меньшее давление, чем в направлении прессования, в основном из-за трения между частицами, заклинивания и тому подобное. Чем пластичнее порошковые материалы, тем больше коэффициент бокового трения ζ_д;

 

, где Р_б – боковое давление, то есть давление порошка на единицу поверхности стенки пресс-формы;

Р – давление прессования

Для железа ζ_д = 0,39; для меди ζ_д = 0,54; для свинца ζ_д = 0,79

Г.М.Жданов предложил методику измерения коэффициента внешнего трения при прессовании порошков и разработал специальную конструкцию пресс-формы (рис.2).

 

 

 

Рис.2 Устройство для исследования внешнего и межчастичного трения при прессовании порошков.

 

1- диск опорный

2- упорный шарикоподшипник

3- упорная втулка

4- рабочий пуансон

5- порошок

6- матрица

7- нижний пуансон

8- подкладной диск

 

Усилие пресса через опорный диск 1 передается на упорный шарикоподшипник 2 и далее через втулку 3 на рабочий пуансон 4 с гладким и рифленым торцом, который находится в контакте с прессуемым порошком 5. Пуансону 4 с помощью чувствительного специального динамометрического ключа сообщается вращательный момент М_вр.

Таким образом, динамометрическим ключом измеряют момент сопротивления вращению, примерно равный моменту сил внешнего трения на торце пуансона М_тр Коэффициент внешнего трения f рассчитывают по формуле

 

 

, где Р – усилие прессования

d – диаметр пуансона

 

Экспериментально установлено, что f уменьшается с ростом усилия прессования Р. Коэффициент трения зависит от условий трения на площадках взаимных контактов частиц порошка и торца пуансона и, следовательно, в значительной степени зависит от величины контактных давлений.

Величина f определяется механическим молекулярным взаимодействием трущихся поверхностей. Применение нейтральных и поверхностно-активных смазок позволяет уменьшить f в несколько раз. Потери давления на преодоление сил трения между частицами порошков и стенками пресс-формы могут составлять до 100% от усилия прессования.

Межчастичное трение, коэффициент которого может в несколько раз превосходить f внешнего трения, при прессовании играет определенную роль, так как на его преодоление также затрачивается работа прессования, но зато давление прессования не теряется. В результате межчастичное трение не влияет на распределение плотности в объеме брикета, поэтому прессование изделий, профиль которых изменяется в направлении прессования, затруднено, а частично вообще невозможно. Это один из важнейших недостатков метода порошковой металлургии.

Давление выталкивания всегда меньше (для малопластичных материалов) потерь давлений на трение порошка о стенки пресс-формы, что связано с изменением (увеличением) объема прессованного брикета после снятия давления в результате действия внутренних напряжений, возникающих в процессе уплотнения порошка при прессовании.

Такое изменение объема вызывает в основном (увеличение размера брикета в направлении прессования.

Явление увеличения размера прессовки при снятии давления прессования, а также при выпрессовывании брикета из формующей полости пресс-формы называют упругим последействием.

В связи с этим целесообразно при прессовании выдерживать сформированную заготовку под нагрузкой в течении времени от 5-10 секунд до 2-3 минут, что приводит к возрастанию плотности брикета.

Основная часть упругого расширения брикета при выпрессовании происходит почти мгновенно (в момент выталкивания брикета из матрицы), а остальная часть требует определенного времени, даже до нескольких дней.

По этой причине при изготовлении изделий точных размеров срок хранения прессовок перед спеканием не должен превышать нескольких часов.

Величина упругого последействия зависит от характеристик прессуемого материала (порошка):

1 – дисперсности

2 – формы и состояния поверхности частиц

3 – содержания оксидов

4 – механических свойств материала

5 – давления прессования

6 – смазки

7 – упругих свойств матрицы и пуансона и других факторов.

 

Характеристикой упругого последействия является относительное изменение

линейных размеров.

Объемная величина упругого последействия

 

, где δ – величина упругого последействия

∆l – абсолютное расширение брикета по длине или диаметру

l₀ (d₀) – длина (диаметр брикета, находящегося в пресс-форме под действием давления прессования

l₁ (d₁) – длина (диаметр) брикета после давления прессования или выпрессования из пресс-формы.

 

Эффект упругого последействия по высоте брикета больше, чем в поперечном направлении, и составляет до 5-6%. Это связано с большим осевым усилием прессования по сравнению с боковым давлением, а также с упругой деформацией матрицы пресс-формы.

Упругое последействие частично снижает напряжение на контактных участках, что приводит к уменьшению их числа и суммарной площади.

По мере увеличения Р упругое последействие сначала возрастает (в брикете происходит формирование и увеличение межчастичных контактов), а затем снижается, так как прочность контактных участков спрессованного брикета увеличивается.

Упругое расширение брикета зависит от взаимодействия упругого последействия и прочности брикета (меньшая шероховатость поверхности частиц порошка, увеличение содержания в порошке оксидов и примесей, высокая твердость прессуемого материала).

Применение смазки при прессовании позволяет уменьшить упругое последействие, особенно в случае использования поверхностно-активных смазок.