Механизмы трения

Различают следующие виды трения [43]:

1) чистое — на поверхности трения нет ни окислов, ни смазки; механизм чистого трения может наблюдаться только в условиях физического опыта;

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, разделяющая поверхности трущихся тел, мономолекулярна и настолько тонка, что в ней не проявляются объемные свойства смазки.

При обработке давлением наблюдается трение полусухое или полужидкостное.

Рассмотрим механизм сухого трения, который во многом аналогичен механизму полусухого трения. Поверхность всякого тела имеет неровности — выступы и впадины при любом качестве ее отделки. Часть выступов поверхности одного тела попадает во впадины поверхности другого, в результате чего происходит как бы зацепление поверхностей.Фактическая контактная поверхность в этом случае меньше кажущейся, расчетной поверхности. В процессе пластической деформации фактическая контактная поверхность увеличивается.

Для того чтобы сдвинуть одно тело относительно другого параллельно поверхности контакта, нужно приложить силу—силу трения. Эта сила должна приподнять верхнее тело над нижним для того, чтобы вывести из зацепления выступы и впадины или деформировать упруго и пластически выступы. Обычно происходит последнее — смятие и срез выступов преимущественно на более мягком материале (деформируемое тело) и в меньшей степени на более твердом (инструмент). Поэтому процесс трения при обработке давлением можно рассматривать как процесс пластической деформации тонких приконтактных слоев, протекающий в результате пластической деформации всего объема тела.

Сила трения 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 деформируемого 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 напряжения трения не одинаковы по поверхности контакта: они увеличиваются с ростом величины смещения.

Закономерность скольжения деформируемого тела по контакту с инструментом зависит от формы зоны деформации. Следовательно, распределение напряжения трения также зависит от формы зоны деформации. Если деформируется весь объем тела (например, при осадке), то распределение напряжения трения зависит и от формы тела.

Итак, внешнее трение при обработке металлов давлением представляет собой сложный физико-химический процесс и в значительной степени отличается от трения в машинах.

Французский ученый Амонтон так сформулировал закон сухого трения: сила трения Т пропорциональна нормальной нагрузке N и не зависит от площади контакта, т. е.

(4-1)

где — коэффициент трения.

Кулон приводит другое выражение для силы трения:

(4.2)

где А — сила молекулярного взаимодействия на площадках действительного контакта трущихся тел.

По Кулону сила трения не равна нулю при отсутствии силы нормального давления. Силы молекулярного взаимодействия обычно малы, поэтому в практических расчетах ими пренебрегают, принимая А = 0 в выражении (4.2). В литературе выражение (4.1) известно как закон Кулона.

Советский ученый Б. В. Дерягин предлагает следующее выражение закона сухого трения:

(4.3)

где — истинная площадь соприкосновения тел (площадь контакта); — удельная сила молекулярного притяжения (удельная
сила физического притяжения).

Г. И. Епифанов [45, 46] определяет силу трения так:

( 4.4)

где — сопротивление сдвигу в поверхностном слое; — площадь контакта металла с инструментом; — коэффициент, учитывающий скорость изменения касательных напряжений при изменении нормальных напряжений ; N — нормальная сила.

Первый член уравнения (4.4) показывает изменение силы трения вследствие изменения площади сдвига в предположении независимости сопротивления сдвигу, а второй — изменение сопротивления сдвигу при изменении нормального давления.

Разделим обе части выражения (4.1) на полную поверхность соприкосновения F, т. е.

Но —среднему напряжению трения, а— нормальному напряжению. Следовательно,

(4.5)

Напряжение трения равно произведению нормального напряжения на коэффициент трения.

С увеличением удельного давления при пластической деформации коэффициент трения уменьшается. При машинном трении, наоборот, с увеличением удельного давления коэффициент трения повышается. Уменьшение коэффициента трения с ростом удельного давления можно объяснить следующим. Чем больше удельное давление при пластической деформации данного материала и в данных условиях, тем сильнее выражено прилипание и больше расширяется область постоянства напряжений трения. Поэтому сила трения растет медленнее, чем нормальное давление. В результате усредненное значение коэффициента трения уменьшается.

Влияние температуры обрабатываемого материала на коэффициент трения очень сложное. При изменении температуры изменяются сопротивление деформации, физико-химические свойства окалины, образующей промежуточный слой между металлом и инструментом. Поэтому при определении зависимости коэффициента трения от температуры получают различные данные. Однако установлено, что при нагревании коэффициент трения сначала растет, достигает максимального значения, затем уменьшается (рис. 72) [9]. 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 (по данным некоторых исследователей 800— 1050°С). Влияние температуры и химического состава окалины на коэффициент трения подтверждает опыт прокатки автоматных (сернистых) сталей. Окалина, содержащая сернистые соединения, снижает коэффициент трения при высоких температурах.

В результате захват металла залками затрудняется и возможен только после подстуживания поверхности.

Горячая обработка давлением стали происходит при температурах выше 850—950° С, т. е. в основном в области уменьшения коэффициента трения с повышением температуры. Экелунд на основании экспериментальных данных при прокатке углеродистой стали установил линейную зависимость коэффициента трения от температуры:

где — коэффициент, учитывающий влияние материала валков и равный 0,8 для чугунных валков и 1,0 для стальных; t — температура обработки, ^СС.

Как показали более точные эксперименты, формула Экелунда дает завышенные значения коэффициента трения.

С увеличением скорости относительного скольжения при сухом и полусухом трении коэффициент трения снижается. Чем

больше скорость, тем меньше длительность контакта на площадках соприкосновения инструмента и деформируемого тела и тем меньше роль молекулярного взаимодействия. Этим объясняется то, что коэффициент трения покоя больше коэффициента трения скольжения. Интенсивность снижения коэффициента трения с ростом скорости уменьшается. Однако при пластической деформации упрочнение приконтактных слоев тем больше, чем больше величина и скорость скольжения. Этот фактор приводит к повышению напряжений и коэффициента трения, но в меньшей степени, чем снижение из-за первого фактора.