5.9. Контактное трение при пластическом деформировании

5.9.1S Особенности пластического трения

Подавляющее число операций обработки металлов давлением осуществляется в условиях соприкосновения обрабатываемого металла с давящим инструментом. При этом частицы деформиру­емого металла скользят по поверхности инструмента, в результате чего возникают силы контактного трения, затрудняющие это скольжение.

Трение при обработке металлов давлением, за исключением отдельных операций, когда оно играет активную роль (например, прокатка, вальцовка, некоторые операции листовой штамповки и др.), является вредным фактором.

1. Контактное трение ведет к возникновению неоднородности деформации или усиливает эту неоднородность, если последняя определяется самим характером осуществляемой операции. Это объясняется тем, что в каждой точке поверхности контакта воз­буждаются элементарные касательные силы трения, что вызывает появление касательных напряжений на контактных поверхностях деформируемого тела, направленных противоположно направле­нию скольжения металла относительно поверхности инструмента е каждой данной точке. В результате может измениться и сама схема напряженного состояния. Например, наличие сил трения при осадке создает объемную схему напряжений, в то время как при отсутствии трения напряженное состояние было бы линей­ным. Действие трения от контактных поверхностей распространя­ется в глубину деформируемого тела, и создаются зоны затруднен-

ной деформации. Неоднородность деформации нарушает идентич­ность условий протекания упрочняющих и разупрочняющих про­цессов в объеме тела, в результате чего может возникать неодно­родность металла (различная степень упрочнения по объему по­ковки, различная величина зерна и т. п.).

2. Контактное трение в конечном итоге преодолевается актив­ной нагрузкой. Следовательно, контактное трение увеличивает необходимое деформирующее усилие и работу деформации. Уве­личение усилия бывает весьма заметным — в несколько раз.

3. Контактное трение снижает стойкость инструмента как в результате непосредственного износа контактной поверхности, так и вследствие дополнительного нагрева поверхности и увели­чения напряжений в связи с ростом деформирующего усилия.

4. Контактное трение вызывает необходимость применения тех­нологических смазок. Это усложняет технологический процесс, а также иногда требует предварительной обработки исходного ма­териала (например, нанесения пластмассовых пленок, фосфатиро-вания).

Трение при пластическом деформировании существенно отли­чается от трения скольжения в кинематических парах.

Большое внимание особенностям пластического трения уделил И. М. Павлов, которым и сформулированы основные отличия его от непластического («машинного») трения, излагаемые далее [64].

В кинематических парах давление между соприкасающимися поверхностями относительно мало, и последние находятся в упру­гом деформированном состоянии. При пластическом деформиро­вании поверхность инструмента деформирована упруго, а обраба­тываемое тело деформируется пластически, его поверхность подвергается смятию и стремится принять форму поверхности инструмента.

В результате действительная (фактическая) площадь контакта пластически деформируемой заготовки с инструментом увеличи­вается с повышением степени деформации, а равно и при выпол­нении процессов с высоким сжимающим средним нормальным напряжением. При этом действительная площадь контакта необра­тимо приближается к номинальной, т. е. к геометрической пло­щади трущихся поверхностей. Так, например, эксперименты на сжатие в контейнере холодных образцов из чистого алюминия по­казали, что при давлении, превышающем предел текучести в 4 раза, значение действительной площади контакта составляет 95% от номинальной при отсутствии смазки, 55% — при смазке мине­ральным маслом и 25% — касторовым маслом [133].

Понятно, что действительная площадь контакта при горячей деформации растет более интенсивно.

В кинематических парах происходит износ и приработка тру­щихся поверхностей с механическим отделением продуктов износа. При пластическом деформировании главное значение имеет не­прерывное «обновление» поверхности контакта деформируемого

160', тела, так как в процессе деформации на эту поверхность непре­рывно поступают из глубины новые частицы металла.

При обработке металлов давлением трущиеся поверхности, особенно при горячей обработке, нагреты до температур значи­тельно более высоких, чем обычные кинематические пары.

Значительное влияние вместе с тем имеет окалина как обра­зовавшаяся при нагреве, так и возникающая во время самой го­рячей обработки давлением, а также поверхностные окислы при обработке без нагрева. В последнем случае на условия трения также влияет деформационное упрочнение металла.

И. М. Павлов указывает, что существенным является также то, что движение частиц пластически деформируемого тела по поверхности контакта в общем случае происходит одновременно в разных направлениях, причем это сложное движение обладает реальной физической основой [64].