Роль сил трения в процессах ОМД

  Роль  сил трения в процессах  ОМД.

  При обработке металла давлением  смещаемый объем деформируемого тела стремится (или имеет тенденцию) к некоторому перемещению по поверхности инструмента. При этом возникают силы трения, затрудняющие это скольжение. Такое трение принято называть контактным или внешним.

  Контактное  трение препятствует перемещению металла  по поверхности инструмента, создавая условия объемного напряженного состояния деформируемого тела. Это мешает свободному заполнению металлом рабочего пространства инструмента, ускоряя износ рабочих поверхностей, что во многих случаях может оказывать заметное влияние на качество продукта обработки, определяет силовые и энергетические параметры процесса и пр.

  Условия трения при обработке металла  давлением существенным образом  отличаются от условий трения при  работе трущихся поверхностей различных механизмов и устройств. При нормальной работе трущиеся машинные пары испытывают главным образом упругие деформации, а обновление поверхностей происходит благодаря истиранию.

  Как известно, существует два вида трения: трение скольжения и трение качения. При анализе процессов обработки  металлов давлением сталкиваются главным образом с трением скольжения.

  Коэффициент трения имеет непосредственное отношение  к силовым и энергетическим условиям обработки, износу рабочей поверхности инструмента, состоянию и качеству поверхности готового продукта, а также определяет степень неравномерности деформации обрабатываемого тела и в связи с этим неоднородность его строения и свойств после обработки.

  При пластической деформации металлов можно  наблюдать следующие виды контактного трения скольжения: сухое, жидкостное и полусухое (полужидкостное).

  В условиях сухого трения соприкасающиеся  тела свободны от различного рода пленок, разделяющих контактирующие поверхности» т. е. происходит взаимодействие чистых металлических поверхностей. Такое  трение создается лишь в специальных  условиях, а вследствие схватывания  коэффициент трения при этом достигает  значительных размеров.

  Жидкостное  трение характеризуется наличием непрерывного слоя смазывающего вещества, препятствующего  контактированию чистых металлических поверхностей, что обеспечивает низкий коэффициент трения.

  В практических условиях обработки металлов давлением как сухое, так и  жидкостное трение в чистом виде встречается  редко. Это объясняется тем, что, с одной стороны, на сухую металлическую поверхность всегда попадают вещества, создающие условия трения, не отвечающие сухому, с другой стороны, при наличии даже обильной смазки в процессе деформирования металла происходит выдавливание смазывающей пленки, а также разрушение и потеря ее физических свойств, что приводит к появлению контактирующих участков, свободных от смазывающего слоя. Поэтому в практических условиях наблюдается преимущественно полусухое трение. Коэффициент трения при этом будет тем ниже, чем эффективнее действие смазки.

  Силовое взаимодействие контактирующих поверхностей при деформировании металла описывается рядом закономерностей. Не останавливаясь на рассмотрении различных теорий трения, отметим, что наибольшее практическое значение получила механическая теория трения, выраженная законом Амонтона.

  Природу трения можно объяснить как результат  взаимного зацепления всегда имеющихся неровностей инструмента и деформируемого тела. Поэтому контактирование поверхностей осуществляется на некоторых микроучастках, число которых зависит от величины нагрузки и степени шероховатости. В местах контакта, даже при сравнительно малых усилиях, происходят упругая и пластическая деформация выступов и их срез, т. е. истирание с образованием новых поверхностей.

  Установленные некоторые зависимости коэффициента контактного трения относятся главным  образом к сухому трению. Параметрами, определяющими коэффициент трения, являются: состояние поверхности инструмента и деформируемого изделия, химический состав обрабатываемого изделия и инструмента, температура и скорость деформации, удельные усилия на контактной поверхности, наличие смазки и пр.

  Существуют  несколько параметров влияющих на коэффициент  трения.

  Состояние поверхности инструмента (с уменьшением шероховатости инструмента, т.е. повышением класса шероховатости поверхности, коэффициент трения падает).

  Состояние поверхности деформируемого тела, определяемое видом предварительной обработки (пластическая деформация в горячем или холодном состоянии, отжиг, травление, механическая обработка), существенно влияет на коэффициент контактного трения. Коэффициент трения зависит от физико-химического состояния поверхности деформируемого тела, наличия окисных пленок, смазки и пр.

  Химическое  сродство деформируемого тела и металла  инструмента определяет величину коэффициента трения. Считается, что коэффициент трения имеет меньшие значения, если трущиеся поверхности относятся к разным металлам. Коэффициент трения зависит от прочностных и упругих характеристик металла. При этом, чем мягче металл, тем выше коэффициент трения, особенно если оба металла имеют одинаковую податливость.

  Смазка  контактных поверхностей определяет условия трения. Сухого трения практически не существует. Контактные поверхности всегда покрыты какими-либо посторонними веществами — адсорбированные из воздуха молекулы газа, конденсированный пар и пр. Смазка, уменьшая коэффициент трения, влечет за собой заметное падение силовых и энергетических условий обработки. Применение смазки при холодной, теплой и горячей обработках улучшает условия службы инструмента, заметно увеличивает его долговечность. При сжатии соприкасающихся тел смазка, испытывая действие высокого гидростатического давления, заполняет углубления контактных поверхностей и значительно уменьшает шероховатость.

  Удельное  усилие на контактной поверхности при деформации металла может влиять на значение коэффициента трения. Однако вполне однозначной зависимости коэффициента трения от удельного усилия на контактных поверхностях получить не удалось.

  Температуры обрабатываемого  изделия и инструмента оказывают заметное влияние на коэффициент трения. Зависимость условий трения от температуры контактных поверхностей представляется весьма сложной, так как температурные условия обработки влияют на состояние контактных поверхностей деформируемого тела и инструмента, состояние и поведение смазки, рабочее усилие деформации и пр.

  Скорость  относительного смещения инструмента и деформируемого тела оказывает существенное влияние на коэффициент трения. При обработке металла давлением увеличение скорости контактного скольжения уменьшает коэффициент трения. Поскольку скорость смещения контактных поверхностей определяется скоростью действия машины-орудия, то изменением этого показателя можно регулировать размер контактного трения.

  Сущность, назначение и характерные  особенности поперечной и поперечно-винтовой прокатки

  Характерным для этих методов пластической обработки  является то, что валки вращается  в одном направлении, а исходным продуктом служат заготовки (или  слитки) круглого сечения. Получаемые изделия также являются телами вращения: валы, трубы, шары, шестерни и пр.

  При поперечной прокатке круглая заготовка, соприкасаясь с валками, также начинает вращаться. Продвигая тем или иным способом заготовку в щель между валками или изменяя расстояние между валками в процессе деформирования, заготовку обжимают по диаметру и получают соответствующую осевую вытяжку.

  При таком деформировании обрабатываемое тело по характеру возникающих в нем напряжений разделяется на зону, находящуюся в сфере непосредственного действия инструмента, и зону, находящуюся в данный момент деформирования вне сферы действия инструмента. У контактных поверхностен благодаря сосредоточенному характеру внешних нагрузок можно наблюдать преимущественное развитие активно действующих напряжений, а следовательно, и интенсивное деформирование. По мере удаления от поверхности контакта действие сосредоточенной нагрузки со стороны инструмента затухает, так как нагрузка распределяется на большую площадь. Вполне очевидно, что возможность развития пластической деформации также уменьшается.

  При поперечной и косой прокатке можно  обнаружить, что деформируемое тело в одном направлении подвергается радиальному обжатию, в другом — имеется некоторое увеличение размеров благодаря расплющивающему действию инструмента. Сечение тела приобретает овальную форму, а это указывает на ярко выраженную неравномерность деформирования.

  При поперечной и косой прокатке его  периферийные слои обжимаются по толщине и удлиняются значительно интенсивнее центральных. Из этого следует, что периферийные слои полосы стремятся оторваться от центральных: в осевой зоне заготовки появляются растягивающие напряжения по двум или трем осям. Если при этом учесть накопление растягивающих напряжений вследствие отставания релаксационных явлений, то, следовательно, некоторый объем металла в данном случае находится в условиях двух- или трехстороннего неравномерного растяжения. Все это ослабляет (разрыхляет) центральную зону тела, а когда наибольшее растягивающее напряжение превзойдет сопротивление отрыву, то в этой части заготовки будет нарушена сплошность.

  Ряд исследователей считают, что в осевой зоне имеются только два растягивающих  напряжения (осевое и радиальное) и  одно сжимающее от действия инструмента, значение которого в центральной  зоне полосы невелико. Нарушение сплошности металла в осевой зоне и в этом случае происходит под действием растягивающих напряжений, одно из которых — радиальное — может превосходить предел прочности металла осевой части заготовки.

  Косая, или поперечно-винтовая, прокатка применяется  при производстве бесшовных труб, главным образом при прошивке заготовок. Она получила широкое распространение со второй половины XIX в. Оси вращающихся в одном направлении валков при косой прокатке образуют с осью заготовки некоторый угол, называемый углом подачи, который при прошивке труб обычно составляет 8...20°. Прокатка выполняется между двумя валками, каждый из которых имеет форму двух усеченных конусов, сложенных вместе большими основаниями. Вектор окружной скорости v в точке А (рис. 1) раскладывается на две составляющие, направленные по оси заготовки v_x и перпендикулярно ей v_y. При подходе к валкам заготовка получает вращение под влиянием составляющей v_v и продвигается в осевом направлении, что обеспечивается составляющей v_x.

  Рис. 1. Схема к определению осевой и тангенциальной скоростей валка при косой прокатке (ближний валок отброшен)

  Поскольку угол перекоса осей валков сравнительно невелик, то при деформации напряженное  состояние металла определяется в основном условиями, свойственными поперечной прокатке, т. е. наличием в осевой зоне заготовки растягивающих напряжений, что, как указывалось, может привести к разрушению металла в этой части заготовки или к заметному его ослаблению. Данное обстоятельство упрощает процесс прошивки заготовки, которая выполняется на трубопрошивных станах с применением оправки.

  Чтобы обеспечить получение труб без трещин и плён на внутренней поверхности, оправку  в области деформации располагают  по возможности глубже, во всяком случае до участка, на котором еще не появляется разрушение от действия валков. Сама оправка должна производить прошивку металла по состоянию, близкому к разрушению, но не разрушенного. Это достигается сравнительно малыми обжатиями до соприкосновения металла с носиком оправки. При увеличении обжатия заготовки до соприкосновения с носиком оправки зона разрушения возрастает. Характерно, что разрывы перед носиком оправки сохраняются на внутренней поверхности гильзы и переходят на трубу. Поэтому технологический процесс и форму оправки следует выбирать такими, чтобы предупредить появление разрывов.

  Все это указывает на то, что выбору технологического процесса косой прокатки, т. е. температурному и скоростному режиму, размеру обжатия и месту расположения оправки при прошивке, форме и размерам самой оправки, состоянию ее поверхности и другим факторам, следует уделять весьма серьезное внимание.

  Некоторые явления при косой прокатке имеют  общие черты с явлениями продольной прокатки. Например, при косой прокатке также имеется отставание металла; явление опережения из-за тормозящего действия оправки обычно не проявляется. 

  Сортамент прокатной продукции.

  Металлургическая  промышленность выпускает разнообразные виды проката, отличающиеся по форме поперечного сечения и размерам. Некоторые виды проката показаны на рис. 2. Все эти изделия, перечень которых называется сортаментом, как правило, стандартизованы, т. е. основные требования к ним сведены в особый утвержденный документ - государственный стандарт (ГОСТ).

  Основные  требования к прокатным изделиям содержатся в следующих стандартах (ГОСТах):

1. Стандарты на сортамент изделий определяют форму и размеры, допуски на размеры, требования к прямолинейности.
2. Стандарты технических требований определяют качественные показатели изделий: физико-химические свойства (прочность, твердость, термостойкость, магнитные свойства и т. п.).
3. Стандарты методов испытаний определяют способы проверки качественных показателей изделий. При этом устанавливаются форма и размеры образцов, применяемые приборы и аппаратура и условия выполнения испытаний.