Внешние силы

Внешние силы – это силы, приложенные к телу со стороны инструмента для его деформации. К ним относят силы давления и трения. Силы давления создаются подвижными частями инструмента (бойками, штампами, валками и др.). Направлены они по нормали к поверхности контакта. Силы трения возникают при перемещении частиц деформируемого тела по поверхности инструмента. Действуют силы трения в плоскости контактной поверхности по касательной к ней. Силы трения, возникающие со стороны инструмента, сдерживают перемещение деформируемого тела, затрудняют ее деформацию.

В процессах ОМД различают силы, приложенные на всю контактную площадь металла с инструментом, и силы, действующие на единицу контактной площади.

Силы давления и трения, действующие на всей контактной площади, называют, соответственно, силой деформации и силой трения.

Обозначают эти силы большими буквами РиТ. Размерность этих силН,кН,МН.

Силы давления и трения, приложенные к единице контактной площади, называют, соответственно, средним давлением и средним значением силы трения. Обозначают их маленькими буквами pиt.

Среднее давление равно

,

где F_к – площадь контакта,м².

Среднее значение силы трения равно:

.

Размерность средних сил ;;МПа.

Внешнее (контактное) трение

Внешним или контактным трением называют сопротивление, возникающее при перемещении одного тела по поверхности другого. Силу сопротивления относительному тангенциальному смещению тел называют силой трения. Вектор силы трения лежит в плоскости касания тел и направлен в сторону, противоположную действию сдвигающего усилия.

Препятствуя скольжению металла по поверхности инструмента, трение приводит к повышению усилия и неравномерности деформации по толщине обрабатываемого металла. Таким образом, расходуется дополнительная энергия на преодоление сил трения. С ростом сил трения увеличивается износ инструмента, что во многих случаях может оказывать заметное влияние на качество обработки. Дефекты поверхности инструмента оставляют отпечатки на поверхности деформируемого тела и портят его поверхность. Применение технологических смазок является основным способом уменьшения силы трения и, соответственно, износа инструмента и уменьшения деформирующего усилия и работы деформации. Это усложняет технологический процесс. Однако, несмотря на негативные стороны влияния внешнего трения невозможно, например, без трения захватывать при прокатке полосу валками и осуществлять процесс деформации и часто для увеличения обжатия приходится искусственно увеличивать трение. Поэтому, чтобы повысить эффективность процессов обработки металлов давлением, необходимо управлять трением.

На величину сил внешнего трения при пластическом деформировании влияет ряд факторов: состояние поверхности и химический состав давящего инструмента, состояние поверхности обрабатываемого тела, химический состав обрабатываемого сплава, температура деформации, скорость относительного смещения инструмента и деформируемого тела, технологические смазки, контактное давление.

Основными причинами возникновения сил трения являются:

1. механические зацепления неровностей трущихся поверхностей;

2. молекулярное схватывание поверхностей в точках контакта, образование так называемых мостиков сварки с последующим их разрушением;

3. преодоление сопротивления сдвигу в слое промежуточных веществ, т. е. в микрообъемах разделительной среды.

Как известно, существует два типа трения: скольжения и качения. Для обработки металлов давлением характерно трение скольжения. Трение скольжения характеризуется тем, что все точки поверхности одного тела движутся по касательной к поверхности другого тела.

Между поверхностями трущихся тел практически всегда находятся в том или ином количестве различные вещества (пленки окислов, смазка, загрязнение, влага, газы и др.), свойства которых резко отличаются от свойств основных тел. Это так называемые промежуточные или разделительные среды. Механизм внешнего трения существенно зависит от состава и количества этих промежуточных продуктов.

В зависимости от свойств разделительной среды различают следующие виды трения.

1. Сухое трение.Наблюдается, когда поверхности трущихся тел совершенно свободны от смазки, загрязнений и молекул окружающей среды (влаги, газов и др.). Идеально сухое трение почти не встречается в практических условиях. На практике под сухим трением обычно подразумевают трение несмазываемых тел.

2. Граничное трение.Наблюдается при наличии на контактных поверхностях тончайших пленок смазки (толщиной порядка сотых долей микрона), при этом неровности поверхностей тел входят в непосредственное зацепление.

3. Полусухое трение. Является наиболее распространенным видом трения в процессах ОМД. При этом контактные поверхности инструмента и обрабатываемого металла разделены слоем окислов, следами смазки.

4. Полужидкостное трение. Характеризуется наличием на контактных поверхностях участков, разделенных слоем смазки, толщина которого не превышает высоты микронеровностей поверхностей.

5. Жидкостное трение.Имеет место при большой толщине разделительного смазочного слоя, когда неровности поверхностей тел не входят в непосредственное зацепление.

При полусухом трении изменение величины силы трения в зависимости от условий нагружения описывается законом Амонтона, который формулируется так: сила трения пропорциональна нормальной нагрузке.

В качестве коэффициента пропорциональности широко используется понятие коэффициента трения.

Тогда сила трения Травна:

T=fP,

где f– коэффициент трения скольжения;

P– сила деформации.

Среднее значение напряжения трения t_срравно:

t_ср=fp_ср, ;,.

где p_ср– среднее давление.

Коэффициент трения является безразмерной величиной. Определяется коэффициент трения в процессах обработки металлов давлением экспериментальными методами.

На величину коэффициента трения влияют многочисленные факторы: температура деформации, химический состав металла, материал и шероховатость инструмента, скорость скольжения металла по поверхности инструмента, смазки и др.

В технической литературе приведены значения коэффициента трения для конкретных условий деформации и формулы для расчетов коэффициента трения.