9.2. Виды трения

В 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 F_кф в момент соприкосновения значительно меньше номинальной площади F_кн. Поэтому пластическая деформация начинается на поверхностях фактического контакта, например F_i. После достижения предела текучести начинается деформация гребешков и приработка поверхности заготовки к поверхности инструмента.

В области выступов в условиях больших контактных давлений и значительной местной деформации образуются так называемые «узлы схватывания», т. е. поверхности Fi , на которых вследствие агдезии образуется металлическое соединение 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.

Z F_кн

И F_i F_i+1`

З

Х

Рис.68

Рассмотрим процесс на площадке F_i (см. рис. 69).

В начальный момент контакта деформация локализуется у вершины выступа, т.к. в этом месте площадь наименьшая и, следовательно, напряжения наибольшие. По мере увеличения площадки от F_и до F_д очаг пластической деформации 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, чем вглубь выступа, т.е. градиент механических свойств - отрицательный. В этих условиях внешнее трение переходит в трение внутреннее, и дальнейшее перемещение заготовки и инструмента в направлении u_x возможно только, если узел схватывания разрушится по поверхности среза «ав», для которой произведение _sF_ав (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 легко образуют 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 без смазки 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 трения состоит в том, что во всех точках контактные поверхности разделены толстой (более 10^-4 мм) пленкой смазки. Для этого вида трения контактные касательные напряжения определяются формулой Ньютона

где _s - динамическая вязкость смазки, dV_с / dn - градиент скорости в слое смазки в направлении нормали к контактной поверхности ( рис. 70).

d V_с

dn

Рис.70

При использовании эффективных смазок толщина слоя пленки оказывается достаточно большой, трущиеся поверхности надежно разделены, и контактные касательные напряжения оказываются минимальными, примерно на 2 порядка 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 заготовки и инструмента разделены тончайшим слоем смазки (не более 10^-6 - 10^-4 мм). Контактные касательные напряжения при граничном 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, из которой они образованы.

-неровности контактирующих поверхностей местами прерывают смазочную пленку, образуя узлы схватывания. Если пленка имеет малую механическую прочность, то количество узлов схватывания может быть большим, и граничное трение приближается к сухому.