Ж) Влияние фактической площади контакта

Зависимости t—q, получаемые при обработке результатов экспериментов путем деления соответствующих усилий на фактическую площадь контакта губок и испытываемого материала, несколько отличаются от ранее полученных.

Рис.30.Зависимости t – q для прямой и перекрещивающейся насечек симметричного профиля при одной ширине притупления профиля зуба

Рис. 31.Зависимости t – q для насечек различного профиля

За фактическую площадь контакта принималась площадь площадок притупления зубьев насечки.

На рис. 32, 33 и 34 приведены результаты испытаний материалов 1Х18Н9Т (1,3; 3 мм) к ЭИ654Н, обработанные с учетом фактической площади контакта.

Как видно из представленных результатов испытаний, характер кривой t—q (см. рис. 32) определялся осредненными удельными давлениями, испытываемыми фактической площадью контакта вне зависимости от насечки и размера губок.

Рис.32.Зависимости t – q для материала 1Х18Н9Т (1,3 мм), построенные для различных насечек в зависимости от размера площадок притупления зубьев насечек

Та же картина была получена при работе различных губок с материалами ЭИ654Н (1,5 мм) и 1Х18Н9Т (3 мм) (см. рис. 33, 34).

Однако полученные в этом случае зависимости не имеют такого совпадения, как в случае, показанном на рис. 31, а отмечаемое несовпадение результатов экспериментов становится более значительным при переходе материала за предел текучести и чаше наблюдается у высокопластичного материала.

Р ис.33. Зависимости t – q для материала 1Х18Н9Т ( 3 мм), построенные для различных насечек в зависимости от фактической площади контакта

Рис.34.Зависимости t – q для материала ЭИ654Н (1,5 мм), построенные для различных насечек в зависимости от фактической площади контакта

5. Механизм работы губок с насечкой в экспериментальной установке

В результате проведенных экспериментов удалось установить механизм работы губок с насечкой при растяжении плоских образцов.

Как отмечалось ранее, механизм работы губок с насечкой при растяжении плоских образцов (то есть в условиях работы, близких к реальным) значительно отличался от механизма работы пуансонов, наблюдаемого при определении усилий трения на экспериментальной установке с вращающимся образцом.

И в том, и в другом случае механизм работы контактирующих пар условно можно разбить на две стадии:

1-я стадия — приложение усилия прижима к контакту испытуемой пары, сопровождаемое упругими и пластическими деформациями зажимаемого листа;

2-я стадия — приложение к материалу образца усилий, стремящихся переместить зажатый металл относительно второго образца контактирующей пары, то есть вызвать скольжение.

Первые стадии работы при испытаниях на обеих установках близки между собой, вторые имеют существенные отличия.

Поскольку механизм работы на экспериментальной установке с вращением одного из образцов пары существенно отличается от механизма работы губок, имеющего место в условиях реальной работы зажимных устройств, на описании его особо не будем останавливаться, а перейдем к рассмотрению механизма работы губок с насечкой. при растяжении плоских образцов.

Первая стадия работы губок заключается в углублении зубьев насечки в тело плоского образца и может рассматриваться как задача о внедрении системы клиньев, имеющих определенную форму, в пластическое тело, обладающее упрочнением. Как отмечалось выше, современное состояние теории пластической деформации не дает возможности разрешить эту задачу.

Процесс внедрения зубьев насечки заканчивается тогда, когда сопротивление материала образца уравновесит усилие прижима Q, приложенное к зажимам.

Таким образом, величина углубления зубьев зажима зависит, с одной стороны, от механических свойств материала листа, способности его к упрочнению и толщины материала, с другой — определяется давлением зуба насечки на материал, г следовательно, шагом насечки, углом профиля насечки, остротой зуба, установкой губок относительно друг друга и другими факторами.

Особенно большое значение для углубления зубьев насечки в образец имеет шаг насечки и величина площадки притупления зубьев насечки. Увеличение притупления профиля зуба на несколько десятых долей миллиметра резко снижает глубину проникновения насечки в тело образца.

Углубление зубьев насечки сопровождается упругопластической деформацией материала образца. Если материал листа достаточно упругий, а давление относительно невелико, углубление зубьев насечки происходит без перерезания волокна материала (рис. 35,а). При больших давлениях происходит перерезание волокна зубом насечки (рис. 35,б, в), зуб вытесняет материал, который, деформируясь, перераспределяется вокруг зуба. При этом из материала листа создается валик вокруг зуба, подобный тому, который образуется вокруг индентора при измерении твердости пластичного образца.

Усилия прижима Q, задаваемые при проведении данных экспериментов (максимум их определялся усилием прижима, необходимым для разрушения при растяжении образца), обычно не оставляют отпечатков зубьев на образце, если образец не подвергался растяжению. Так, если после приложения давления к губкам образец разгрузить, то остающийся на образце отпечаток практически незаметен.

Рис. 35 – Микроструктура образца из материала 1Х18Н9Т с отпечатками зубьев образца – пуансона, полученных при различных давлениях.

След от зажима становится резко выраженным лишь после приложения к образцу усилия растяжения.

Усилие прижима Q, прикладываемое к зажимным губкам, распределяется между зубьями насечки губок. С некоторым допущением можно сказать, что усилие Q по зубьям насечки распределяется равномерно (рис. 36, а).

Равномерность распределения усилия прижима по зубьям во многом зависит от плоскостности поверхностей образца и губок, то есть от равномерного прилегания зубьев насечки к образцу.

Качественная работа губок также в значительной степени определяется равномерностью прилегания зубьев насечки к образцу.

Вторая стадия работы губок является более сложной с теоретической точки зрения. При решении задачи теоретического анализа второй стадии процесса должны тесно переплетаться теория пластической деформации с наукой о трении.

Рис. 36.Эпюры распределения усилия прижима по зубьям насечки для различных моментов процесса растяжения образца

Вторая стадия работы губок начинается с момента приложения к образцу усилия растяжения Р_раст . которое передается от верхних губок к образцу и от образца к экспериментальным губкам посредством контакта трения и механического зацепления. Нормальные и касательные усилия в образце в каждый данный момент приложения нагрузки Р_раст будут уравновешиваться сдвигающими усилиями на контактной поверхности губок и образца. Механизм работы губок (во второй стадии) во многом определяется усилием прижима Q, вернее, теми удельными давлениями которые испытывает фактическая площадь контакта зубьев насечки. При равномерном распределении усилия прижима Q по поверхности губок под q_ф можно подразумевать

где Q – общее усилие прижима,

F_ф – фактическая площадь контакта,

F_з - площадь притупления зуба,

n – число зубьев.

К моменту приложения усилия растяжения губки прижаты к образцу давлением q_ф, то есть при Р_раст =0 нагрузку на зубья насечки (с некоторым приближением) можно характеризовать эпюрой, представленной на рис. 36,а. Усилие прижима, воспринимаемое зубом, в этом случае зависит от усилия Q и числа зубьев n

С момента приложения усилия растяжения к образцу зуб насечки, находящийся под нагрузкой Q₃ , подвергается загрузке усилием сдвига. При заданном усилии прижима на зуб Q₃ (при заданном давлении q_ф) каждый зуб насечки, обладая вполне определенной удерживающей способностью, может удерживать материал образца от перемещений до определенной нагрузки Р₃, прикладываемой к зубу в процессе растяжения образца.

Удерживающая способность зуба Р₃ увеличивается с увеличением давления на зуб и зависит от места, где протекает процесс трения (поверхностный слой, слой собственно-материала). При переходе процесса трения в слой собственно-материала удерживающая способность зуба резко возрастает, так как сильно изменяется сопротивление сдвигу.

Таким образом, нагрузка Р₃ является той максимальной нагрузкой, до которой при данном усилии прижима Q₃ (или q_ф) можно загрузить зуб, не вызывая проскальзывания материала образца под зубом.

В первый момент приложения усилия растяжения к образцу (при малом Р_раст) зубья насечки загружаются усилием сдвига неравномерно: передние зубья оказываются наиболее загруженными (рис. 37,I, II).

При этом, поскольку каждый зуб насечки снимает какую-то долю общего усилия растяжения, усилие растяжения убывает от начала зажима к концу его.

Аналогию такой загрузки можно увидеть при работе заклепочных, сварных и резьбовых соединений, схема которых несколько напоминает соединение насечки с образцом.

Так, например, в многорядном заклепочном шве усилия распределяются неравномерно. Больше всего нагружаются крайние заклепки за счет недогрузки средних, причем неравномерность распределения усилий в ряду растет с увеличением шага.

Ту же неравномерность распределения усилий можно наблюдать в резьбовом соединении.

Аналитическое решение задачи о распределении усилий между витками резьбы на длине свинчивания (выполненное проф. Н. Е. Жуковским) покапало, что усилия распределяются по закону геометрической прогрессии, убывая к верху от опорной поверхности (от первого нагруженного витка резьбы). При нагружении до предела упругости основную часть усилий воспринимают 3—5 витков резьбы, при этом на первый виток приходится 0,34 Р, на второй — 0,23 Р, на третий —0,15 Р, на десятый — 0,009 Р.

Итак, в начальный момент процесса растяжения зубья насечки загружаются усилием сдвига неравномерно ( см. рис. 37, I)

Рис. 37.Характер распределения загрузки усилием сдвига зубьев насечки при растяжении образца

По мере возрастания усилия растяжения загрузка усилием сдвига как первого зуба насечки, так и последующих увеличивается (см. рис. 37,II).

До проскальзывания образца контакт образца с губками представляет собой одну зону — зону относительного покоя, где и реализуется суммарное сдвигающее усилие.

Увеличение загрузки зуба усилием сдвига происходит до достижения зубом своего, определенного при данном усилии Q3 максимального усилия сдвига Р₃.

В то же время усилия прижима Q., (давления могут быть столь значительными, что усилие сдвига, действующее на передние зубья, не достигает их максимальной удерживающей способности во все время процесса растяжения. Тогда в зоне контакта вплоть до разрушения образца сохраняется зона покоя, проскальзывания под зубьями не наблюдается, и в течение всего процесса растяжения сохраняется загрузка насечки усилием сдвига, подобная приведенной на рис. 37,I и II.

Подобный вид загрузки зубьев усилием сдвига и отсутствие проскальзывания материала под передними зубьями способствует возникновению концентрации напряжений в материале по передним зубьями насечки и в конечном итоге перекусыванию материала в насечке.

При меньших давлениях когда максимальная удерживающая способность Р₃ зуба может быть превзойдена усилием сдвига, действующим на зуб: происходит проскальзывание материала под зубом.

С момента проскальзывания материала образца под первым зубом, когда усилие растяжения не превышает еще полной силы трения покоя, контакт образца с губками разбивается на две зоны: зону скольжения и зону относительного покоя. С этого момента порядок загрузки зубьев изменяется.

В зависимости от усилия Q₃ (от давления q_Ф), испытываемого зубом, проскальзывание под первым и последующими зубьями может наступить как в области незначительных упругих деформаций при растяжении, так и в области деформаций, где утонения материала значительны.

В нервом случае после проскальзывания материала под передним зубом загрузка усилием сдвига, оставаясь примерно постоянной для первого зуба, для последующих зубьев увеличивается по мере роста общего усилия растяжения и возрастает для каждого последующего зуба до усилия сдвига, максимального для каждого из последующих зубьев (рис. 37,III). При этом рост общего усилия растяжения ограничивается моментом, когда зона скольжения распространится полностью на всю поверхность контакта образца и насечки.

Если при этом общая длина контакта невелика, проскальзывание наступает быстро, практически почти одновременно по всем зубьям и усилие сдвига распространяется почти равномерно в зоне контакта.

Таким образом, картина распределения усилий сдвига по зубьям насечки, представленная на рис. 37,I, II, III, будет соответствовать действительности в случае, когда утонение материала в губках слишком мало, чтобы оказать влияние на перераспределение усилий в зажиме или отсутствует вовсе в зажиме.

Приведенный вид загрузки зубьев (см. рис.37.III) может иметь место при малых усилиях прижима Q₃, и начальных нагрузках растяжения образца Р_раст.

При давлениях по зубьям насечки, когда образец получает возможность растягиваться до больших нагрузок Р_раст , в области значительных пластических деформаций, проскальзывание образца под передними зубьями зажима сопровождается утонением материала. При этом удерживающая способность всей губки резко возрастает благодаря перераспределению давлений по зубьям, вызванному наличием утонения материала в губках.

В этом случае механизм работы губок удобнее рассматривать по частям:

а) при нагружении образца в области упругих и незначительных пластических деформаций;

б) при растяжении образца в области значительных пластических деформаций.

При нагружении образца в области упругих и незначительных пластических деформаций характер загрузки зубьев насечки будет подобным изображенному на рис. 37,I, II и III.

При растяжении образца в области значительных деформаций на характер загрузки зубьев усилием сдвига оказывает влияние утонение материала в насечке. Утонение материала в губках влияет на перераспределение давлений по зубьям насечки, и тем больше, чем больше величина его (величина абсолютного утонения). Величина абсолютного утонения будет тем больше, чем выше нагрузка растяжения, пластичнее и толще материал, помещаемый в зажим.

Утонение начинает сказываться на перераспределении давлений по зубьям насечки (см. рис. 36,б), а следовательно, и на распределении усилий сдвига (см. рис 37, IV,V) с момента появления на контактной поверхности зоны проскальзывания, так как, начиная с этого момента, материал получает возможность более свободно деформироваться (утоняться) в губках. По мере возрастания усилия растяжения Р_раст утонение в губках увеличивается и становится особенно заметным при переходе образца за предел текучести, в область значительных пластических деформаций.

На рис. 38 приведена картина распределения местных деформаций l_Х вдоль оси х—х после разрушения его. Как видно из рис. 38, наибольшей деформации в зажиме образец достигает у первых зубьев насечки, и в то же время, благодаря проскальзыванию, концентрации деформаций у передних зубьев не наблюдается. Удлинение образца (как и его утонение) убывает от начала зажима к концу ого и в зоне относительного покоя становится равным нулю.

Подобное распределение утонения в зажиме приводит к тому, что созданное вначале, уравновешенное сопротивлением материала, давление с появлением утонения под зубьями губки, в зоне скольжения, становится неуравновешенным.

В связи с этим происходит перераспределение давления: давление на передних зубьях насечки уменьшается (с утонением), на задних — увеличивается (см. рис. 36,б).

Перераспределение давлений сопровождается большим углублением задних зубьев насечки в тело образца и увеличением удерживающей способности задних зубьев.

Д авление на задних зубьях увеличивается тем значительнее, а следовательно, сопровождается тем большим углублением задних зубьев, чем больше абсолютное утонение материала в зажиме, чем больше зона скольжения на контактирующей поверхности образца и насечки, чем более пластичен материал. Таким образом, перераспределение давлений на губке зависит от свойств материала образца и от общего усилия прижима Q на губки (от первоначального давления q_Ф).

Рис. 38.Распределение местных деформаций вдоль оси образца ( сталь 20) после его разрушения.

При внедрении задних зубьев насечки в тело образца наблюдается падение давления в гидроцилиндре установки, и тем большее, чем больше величина абсолютного утонения. Это объясняется увеличением объема рабочей полости гидроцилиндра при сближении губок.

При испытаниях образцов из материала 1Х18Н9Т (3 мм) наблюдаемое падение давления в гидроцилиндре значительно больше, чем при испытании образцов из материала ЭИ654Н.

С перераспределением давления изменяется удерживающая способность зубьев. Удерживающая способность зубьев в зоне покоя возрастает, и характер распределения усилий сдвига по зубьям, в зависимости от величины давлений q_Ф, испытываемых зубьями, и усилия растяжения Р_раст, становится подобным изображенному на рис. 37, IV или V.

Изображенный на рис. 37, IV вид загрузки зубьев усилием сдвига будет соответствовать действительности, когда зона скольжения ограничится небольшим участком насечки, несколькими передними зубьями. В этом случае зубья насечки работают более равномерно и насечка без разрушения способна выдерживать большую загрузку (большее Р_раст).

Если соотношения между усилиями прижима Q (при давлении q_Ф) и усилиями растяжения таковы, что образующаяся на контактной поверхности материала и насечки зона скольжения становится значительной, а зона относительного покоя невелика, то характер загрузки зубьев насечки благодаря перераспределению давлений q_ф, связанному с утонением материала в зоне скольжения, может стать подобным изображенному на рис. 37, V. В этом случае на последних зубьях создаются значительные давления, в результате чего основная часть усилий растяжения воспринимается последними зубьями, прочность которых подчас может быть недостаточной.

Так, при растяжении 3-миллиметрового образе из ст. 1Х18Н9Т в губках с симметричным профилем насечки (α=60°, t=3 мм. размер насечки 20 Х15 мм) при Q = 2000 кг и усилии растяжений Р_раст =3000 кг происходило разрушение двух последних зубьев насечки. При приложении к губкам более высоких давлений Q (3000—4000 кг), когда соотношение было иным, разрушения зубьев не происходило

Рис. 39.Загрузка зуба опорно – реактивным усилием

Характер разрушения зубьев насечки—расслаивание по средней части зуба.

Такой вид разрушения связан, по-видимому, с неравномерной загрузкой сторон зуба опорной; реакцией и сдвигающим усилием. Действительно при приложении сдвигающего усилия под зубе происходит перераспределение опорных реактивных усилий, поскольку в процессе растяжения с образца одна из сторон зуба насечки лишается опор создаваемой образцом (рис.. 39).

Из сказанного следует, что характер загрузки зубьев насечки усилием сдвига различен для разных стадий процесса растяжения.

В начале процесса усилие растяжения в зажатой части образца убывает вдоль зажима, и большей мере за счет передних зубьев; к концу процесса усилие убывает в большей мере сначала за счет средних, а затем за счет задних зубьев.

При еще более значительных усилиях прижима Q, когда полностью исключается проскальзывание материала в насечке, в том числе и под первыми зубьями, характер распределения загрузки зубьев усилием сдвига становится подобным изображенному на рис. 37,I, II и остается практически постоянным во все время процесса растяжек. В этом случае в материале возникает значительная концентрация напряжений (по первому зубу), что способствует разрушению материала.

Большое влияние на механизм работы зажим а следовательно, на удерживающую способно оказывает установка губок относительно друг друга: установка насечки «зуб на зуб» или «зуб в зуб».

Процесс растяжения при установке губок в положение «зуб в зуб» вызывает возникновение изгибающих моментов, приводящих к изгибу сечений образца вокруг зубьев, либо сопровождается гофрировкой материала в зажиме, когда толщина материала равна 0,5—1 мм (рис. 40).

И то и другое ведет к увеличению удерживающей способности губок.

Рис.40.Вид разрушенных образцов (материал 1Х18Н9Т) (1,3 мм)

При установке губок с насечкой в положение «зуб в зуб» снижается опасность перекусывания образцов в губках. Необходимо отметить, что при проводимых нами испытаниях образцов из материалов Д16Т, сталь 20, 1Х18Н9Т, ЭИ654Н, ВТ1Д самых различных по прочности и пластичности, создать условия для перекусывания при установке губок в положение «зуб в зуб» путем повышения усилия прижима Q на губки до значительных величин (до Q = 6000 кг, размер губок 20X50 мм, t = 3 мм) не удалось. Образцы из испытываемых материалов (Д16Т, ЭИ654Н, 1Х18Н9Т) даже при отношениях , равных 4—6, не разрушались (рис. 41).

Рис.41.Общий вид разрушенного образца из ЭИ654Н (л. 0,5 мм) ( конец образца сгофрирован в зажиме)

Более того, при установке губок в положение «зуб з зуб» с заранее созданным перекосом, когда прижимное усилие Q, доходившее до 6000 кг, передавалось, в основном, через передние зубья, разрушения в губках не наблюдалось ни для одного из испытываемых материалов.

Такая стойкость по отношению к перекусыванию может быть объяснена равномерностью прилегания насечки к образцу, тем, что усилие прижима Q при испытаниях на выбранной установке прикладывалось до начала растяжения и что при созданных в процессе испытаний усилиях прижима Q

обеспечивалось при растяжении материала постепенное перераспределение давлений (с разгружением передних зубьев насечки), а также установкой губок в положение «зуб в зуб».

При установке губок с насечкой в положение «зуб на зуб» условия для разрушения удалось создать только на губках с шагом мм, размером насечки 20X15 мм (число зубьев л = 5) для материала Д16Т толщиной 1,2 и 3 мм, а также для материала 1Х18Н9Т. В табл. 10 приведены результаты таких испытаний. Как видно из результатов испытаний, усилия прижима Q при разрушении образцов из Д16Т в губках незначительно превышают усилия прижима, необходимые для удержания материала от проскальзывания в губках при разрушении на свободном участке образца.

Таблица 10

Результаты испытаний

Материал образца	Усилие прижима при		Q2 - Q1	Среднее усилие на один зуб			Разрушающее усилие			Q1 - P1		Q2 - P2		Удельное давление(подсчитано при Q2)
	Разрушении на свободном участке Q1(кг)	Разрушение в губках Q2(кг)		Q1 - n	Q2 - n		При Q1, P1	При Q2, P2
Д16Т л. 1 мм Д16Т л. 2мм Д16Т л. 3мм 1Х18Н9Тл.1,3мм 1Х18Н9Т л. 2мм 1Х18Н9Т л. 3мм	1200 1800 2430 990 1980 3400	1940 2490 2790 4980 6000 -	1,62 1,58 1,15 5,02 3,2 -		240 360 486 198 396 680	387 498 558 994 1200 -		850 1755 2650-2700 1580 2490 -	830 1650 2630 1580 2490 -		1,41 1,02 0,92 0,57 0,74 0,85		2,3 1,5 1,0 3,4 2,4 -		143 184 206 368 - -

Примечание. Минимальное усилие Q при разрушении в губках не найдено: произошла поломка передних зубьев

В то же время при испытаниях материала 1Х18Н9Т усилия прижима, необходимые для разрушения материала в губках, более чем в 5 раз превышали усилия прижима, удерживающие материал от проскальзывания в губках при разрушении образца на свободном участке, при этом отношение усилия прижима к усилию растяжения равно =3,5.

Разрушение образцов во всех случаях происходило по первому зубу насечки, так как наибольшую загрузку усилием сдвига испытывали первые (передние) зубья насечки.

При испытаниях образцов из материала 1Х18Н9Т толщиной 2 мм при усилии прижима в 6000 кг произошло разрушение образца под первым зубом насечки и разрушение первого зуба у обеих губок. Таким образом, при значительных усилиях прижима Q передние зубья насечки снимают большую долю усилия растяжения по сравнению с остальными зубьями.

Таблица 11

Результаты экспериментов

Материал образца	Усилие прижима Q(кг)	Разрушающая нагрузка Рраз (кг)	Кэф	Место разрушение образца
Д16Т л.2 мм	4100 3690 3280 3075 2665	1460 1500 1540 1540 1650	0,83 0,85 0,88 0,94	В губках под первым зубом
	2050 2050 2050 2050	1750 1760 1755 1760	-	На свободном участке
Д16Т л. 3 мм	4100 3690 3280 2870	2480 2520 2640 2630	0,87 0,88 0,93 0,93	В губках под первым зубом
	2665 2460	2650 2720	-	На свободном участке
1Х18Н9Т л.1,3 мм	6150 5125 5125 5125	1450 1570 1600 1570	0,93 1 1 1	В губках под первым зубом
	5125 3690 4100 4100	1540 1600 1560 1550	-	На свободном участке

Из результатов приведенных экспериментов следует, что материал Д16Т более чувствителен к концентрации напряжений по сравнению с материалом 1Х18Н9Т. Это подтверждается и данными табл. 11, где приведены эффективные коэффициенты концентрации К_эф, вычисляемые как соотношение разрушающих нагрузок при разрушении в губках по первому зубу и при разрушении материала образца на свободном участке. При работе губок следует устанавливать насечки в положение «зуб в зуб».