NIERÓWNOMIERNOŚĆ TARCIA I ODKSZTAŁCENIA

W PROCESACH PRZERÓBKI PLASTYCZNEJ

Tarciem nazywamy zjawisko powstawania oporu przy przesuwaniu się jednego ciała po powierzchni drugiego, dla pokonania którego konieczna jest określona siła, nazywana siłą tarcia. W procesach przeróbki plastycznej występuje tarcie poślizgowe.

W każdej operacji kształtowania plastycznego, pomiędzy narzędziem odkształcającym, a kształtowanym plastycznie pasmem, występują określone warunki tarcia powierzchniowego, oddziałującego na straty energii odkształcenia, wynikających ze strat na pokonanie określonych oporów tarcia powierzchniowego. Zazwyczaj w rzeczywistych procesach odkształcenia, dla poprawienia ich sprawności (obniżenia tych strat), pomiędzy warstwy wierzchnie narzędzi i pasma wprowadzane są (najczęściej w sposób zamierzony) różne media, zmieniające warunki tarcia stykających się obu powierzchni trących. W związku z tym można przyjąć cztery przypadki współdziałania wierzchnich warstw stykających się powierzchni, określających warunki:

• tarcia płynnego, gdy μ = 0,001 ÷ 0,01,

• tarcia mieszanego, tj. współdziałania tarcia granicznego z płynnym, gdy μ = 0,03 ÷ 0,10,

• tarcia granicznego, gdy μ = 0,1 ÷ 0,3,

• tarcia suchego, gdy μ = ≥ 0,3.

Zmienne warunki tarcia w dwóch wzajemnie do siebie prostopadłych kierunkach, wynikające np. ze specyfiki obróbki powierzchniowej narzędzi roboczych lub oddalenia od powierzchni tarcia, spowodują, iż opory płynięcia w tych kierunkach będą się znacznie różnić. Wywoła to w tej strefie tzw. różnokierunkowość wielkości tarcia (anizotropię tarcia), narzucającą zmienne warunki płynięcia pasma w tych kierunkach, a zatem jego anizotropię odkształcenia, a w konsekwencji - wskutek różnego stopnia przerobu plastycznego, anizotropię własności mechanicznych wyrobu, poddawanego odkształceniom plastycznym. Tarcie powoduje więc nadmierne miejscowe zużywanie i nierównomierne wyrabianie się narzędzi odkształcających, a wady powierzchni narzędzia pozostawiają ślady na powierzchni wyrobu, pogarszając jego jakość.

Współczynnik tarcia - czynnik tarcia

Różnorodność zjawisk fizycznych, zachodzących przy współpracy narzędzi z odkształcanym pasmem i tworzenie odkształceniem plastycznym innych powierzchni trących, wskazuje na potrzebę uwzględnienia zjawisk tarcia przy omawianiu procesów przeróbki plastycznej. Praktycznie przy uwzględnieniu tarcia korzysta się ze współczynnika tarcia μ i czynnika tarcia m, przy czym:

- współczynnik tarcia opisywany jest wzorem opracowanym przez Amontons'a, a rozwiniętym szerzej przez Coulomba , oraz (2.1) - czynnik tarcia definiuje zależność podana przez Epifanowa (2.2) gdzie: - współczynnik tarcia, - kąt tarcia, m - czynnik tarcia, p - nacisk normalny, σp - naprężenie uplastyczniające, - jednostkowa siła tarcia, τmax - maks. naprężenie styczne.
		Rys.2.1. Orientacyjna zależność między współczyn-nikiem tarcia μ, a czynnikiem tarcia m [16]

Współczynnik tarcia μ (wz.2.1) przyjmuje się jako stały dla danego narzędzia i materiału (przy ustalonych warunkach temperaturowych i określonej mikrogeometrii powierzchni) oraz jako niezależny od prędkości ruchu względnego.

W omawianych poprzednio przypadkach mechanizmów tarcia wielkości współczynnika (czynnika) tarcia można określić jako:

• μ = 0,001 ÷ 0,010; m = 0,002 ÷ 0,017 - przy tarciu płynnym,

• μ = 0,03 ÷ 0,10; m = 0,052 ÷ 0,173 - przy tarciu mieszanym,

• μ = 0,1 ÷ 0,3; m = 0,173 ÷ 0,520 - przy tarciu granicznym,

• μ = 0,3 ÷ 0,577; m = 0,52 ÷ 1,00 - przy tarciu suchym.

Wielu badaczy preferuje inny opis naprężenia stycznego na powierzchni styku dwóch ciał, zgodnie z którym naprężenie to jest stałe i niezależne od nacisku normalnego p, występującego pomiędzy dwoma ciałami. Przyjmuje się w tym wypadku, że naprężenie pochodzące od sił tarcia τ jest proporcjonalne do maksymalnego naprężenia stycznego, które opisać można czynnikiem tarcia m (wz.2.2), przyjmującym wartości 0 ≤ m ≤ 1 (rys.2.1). Przy braku tarcia współczynnik i czynnik tarcia przyjmują wartość μ = m = 0. Natomiast maksymalna wartość naprężenia stycznego, jaka może wystąpić na powierzchni przylegania dwóch ciał, ma miejsce gdy μ = 1/
≅ 0,577, to wówczas m = 1. Wielkość rzeczywistych ich wartości jest ściśle związana z rodzajem i warunkami odkształceniowymi realizowanego procesu odkształcania plastycznego wyrobów stalowych, kształtując się na poziomie: μ = 0,07÷0,15 i m = 0,12÷0,26 - przy ciągnieniu i tłoczeniu na zimno, μ = 0,05÷0,20 i m = 0,09÷0,35 - przy walcowaniu na zimno, μ = 0,25÷0,55 i m = 0,43÷0,95 - przy walcowaniu na gorąco, μ = 0,30÷0,58 i m = 0,52÷1,00 - przy kuciu na gorąco.

Klasyfikacja metod pomiaru współczynnika tarcia

Istnieje wiele metod (rys.2.2) pomiarów wielkości współczynnika (czynnika) tarcia, które można podzielić na grupy, obejmujące:

• metody analityczno-doświadczalne, w których wartość współczynnika (czynnika) tarcia wyznacza się z zależności, określających doświadczalnie siłę lub pracę odkształcenia plastycznego w badanym procesie technologicznym, przy czym jednakże korzysta się z zależności opartych o wiele innych uproszczeń;

• metody doświadczalne, w zależności od mierzonej wielkości, oparte mogą być na bezpośrednim pomiarze: kąta tarcia, odkształceń lub naprężeń stycznych i normalnych w strefie styku materiał-narzędzie w różnych procesach technologicznych.

Rys.2.2. Klasyfikacja metod wyznaczania współczynnika tarcia w procesach przeróbki plastycznej metali

Wielkość współczynnika tarcia w różnych procesach przeróbki plastycznej

Istotną grupę metod określania współczynnika tarcia stanowią metody doświadczalne w kuźnictwie, które polegają na wykorzystaniu i pomiarze nierównomierności sił tarcia w różnych operacjach procesu kucia swobodnego, tj. przy spęczaniu (metoda stożków), wydłużaniu (metoda klina) lub przy dużych naciskach jednostkowych (metoda pierścieni).

Proces przeróbki plastycznej - warunki realizacji technologii			Współczynnik tarcia μ
Proces przeróbki plastycznej	Warunki realizacji technologii
Walcowanie	wyrobów stalowych na gorąco	walcownie wstępne	0,45 ÷ 0,62
				walcownie kształtowników	0,36 ÷ 0,47
				walcownie płaskowników	0,35 ÷ 0,48
				walcownie blach	0,27 ÷ 0,40
			wyrobów stalowych na zimno	walce szorstkie, suche	0,15 ÷ 0,18
				walce szlifowane zgrubnie, smarowane	0,10 ÷ 0,12
				walce szlifowane dokładnie, smarowane	0,05 ÷ 0,09
				walce polerowane, smarowane emulsją	0,04 ÷ 0,07
Kucie	wyrobów stalowych na gorąco		0,25 ÷ 0,58
Wyciskanie	wyrobów stalowych na gorąco		0,15 ÷ 0,28
Ciągnienie	wyrobów stalowych na zimno	ciągadła stalowe	0,06 ÷ 0,08
				ciągadła z węglików spiekanych	0,05 ÷ 0,07
				ciągadła diamentowe	0,04 ÷ 0,05

Rola tarcia w różnych technologiach przeróbki plastycznej - z uwagi na wpływ sił tarcia na wielkość sił zewnętrznych koniecznych do odkształcenia i wielkość nierównomierności odkształcenia podczas tego procesu rola tych sił jest:

1. pozytywna jedynie dla technologii walcowania na gorąco, gdyż wystąpienie tzw. aktywnych sił tarcia jest wymagane do spełnienia warunku chwytu i rozpoczęcia procesu walcowania, a także im wyższy jest współczynnik tarcia, tym można zadać większy gniot bezwzględny, a zatem i jednostkowe odkształcenie w przepuście;

2. negatywna we wszystkich innych technologiach przeróbki plastycznej na zimno, w których obniżamy maksymalnie wielkość sił tarcia:

• odpowiednio przygotowujemy narzędzia robocze (ze stali narzędziowych do pracy na zimno, utwardzamy je powierzchniowo i szlifujemy),

• dobieramy odpowiednie technologie odkształcenia (walcowanie, ciągnienie czy tłoczenie) oraz narzędzia robocze,

• intensywnie chłodzimy oraz smarujemy narzędzia robocze i odkształcane wyroby (aby odpowiednio zredukować opory płynięcia w kotlinie odkształ-cenia, a zatem obniżyć parametry siłowe procesu i nierównomierność własności na przekroju odkształcanego wyrobu).

Doświadczalne metody określania współczynnika tarcia w kuźnictwie

Inną grupę metod stanowią metody określania współczynnika tarcia w kuźnictwie, które polegają na wykorzystaniu i pomiarze nierównomierności sił tarcia w różnych operacjach procesu kucia swobodnego, tj. przy spęczaniu (metoda stożków Siebela-Pompa) i wydłużaniu (metoda klina Šarapina) lub przy dużych naciskach jednostkowych (metoda pierścieni Burgdorfa).

Metoda stożków Siebela - Pompa

Istota metody polega na spęczaniu - ze stałą siłą nacisku F, cylindrycznych próbek o wymiarach h_o/d_o<2,0÷2,5 , które na swoich powierzchniach czołowych (górnej i dolnej) mają stożkowe wcięcie o kącie α. Używane do spęczania płyty naciskowe (kowadełka) mają również nacięte stożkowe wcięcie o kącie α.

Na stożkowej powierzchni próbki działają: normalna siła nacisku F_n i siła tarcia T (rys.5.5). Siłę F_n - nacisku na pobocznicę stożka można rozłożyć na składowe:

• siłę równoległą do osi próbki

(5.23)

• siłę działającą na tworzącej stożka

, (5.24)

która przeciwdziała sile tarcia na tworzącej stożka
.

Rozważmy możliwe przypadki spęczania:

- przypadek A, gdy T > F₂, czyli

, wobec tego
oraz
, (5.25)

wówczas ściskana próbka przyjmuje kształt wypukły (beczkowaty);

- przypadek B, gdy T = F₂, czyli

, wobec tego
oraz
, (5.26)

wówczas ściskana próbka przyjmuje kształt cylindryczny;

- przypadek C, gdy T < F₂, czyli

, wobec tego
oraz
, (5.27)

wówczas ściskana próbka przyjmuje kształt wklęsły (hiperboloidy obrotowej).

Rys.5.5. Schemat działania sił (a) oraz kształt próbek cylindrycznych po ściskaniu: beczkowaty, gdy (b); cylindryczny, gdy (c) i wklęsły, gdy (d)

Wyznaczenie współczynnika tarcia metodą klina Šarapina

W tej części ćwiczenia użyjemy 2 próbek klinowych, wykonanych z aluminium, o kącie nachylenia α ≅ 3^o oraz parę płyt ściskających na powierzchni których nacięto równoległe rowki, dające czwartą klasę chropowatości powierzchni, usytuowane raz - wzdłuż pochylenia tworzącej klina, a drugi raz - poprzecznie do niej. Kliny poddajemy kolejno ściskaniu pomiędzy niesmarowanymi płytami, przy czym raz klin ustawiony jest wzdłuż rowków, drugi raz - w poprzek ich położenia. Kąt α klina można określić z dużą dokładnością na podstawie uprzednio wykonanych pomiarów jego wymiarów początkowych h₁, h₂ i L. Przyjmujemy, iż szerokość klina - przed i po odkształceniu, jest wielkością stałą. Próbka odkształca się, zachowując po zgnieceniu tzw. przekrój neutralny A-A, w którym materiał nie płynie wzdłuż, lecz wszerz próbki. W miejscu, w którym szerokość - po ściskaniu będzie największa, jest umiejscowiona strefa neutralna A-A (rys.5.8). Znając kąt pochylenia klina α i położenie strefy neutralnej w oparciu o wymiary x₁ i x₂, możemy wyznaczyć wielkość współczynnika tarcia wzorem

(18.12)

Pomiary kształtu klina, przed i po ściskaniu, pozwolą wyznaczyć wartość współczynnika tarcia, które zestawiamy w tabeli 18.13.

Tabela 18.13. Współczynniki tarcia w kierunkach wzajemnie prostopadłych

Lp.	Pomiar w kierunku	Wymiary klina					Współczynnik
				h1	h2	l	x1	x2	μ	λT
				mm	mm	mm	mm	mm	-	-
1 2	wzdłużnym poprzecznym

Oznaczając wartość współczynnika tarcia wzdłuż rys - jako μ₁, oraz w poprzek rys - jako μ₂, współczynnik nierównomierności (anizotropii) tarcia określamy wzorem

(18.13)

We wnioskach należy ustosunkować się do wyników metod pomiaru współczynnika tarcia.

Nierównomierność odkształcenia w procesach przeróbki plastycznej

Nierównomierność odkształcenia przy spęczaniu kuźniczym

Stan naprężenia i odkształcenia metalu o kształcie walcowym przy jego spęczaniu w kowadłach płaskich zależy głównie od warunków tarcia powierzchniowego i tzw. warunku smukłości próbki, tj. stosunku h_o/d_o (rozdz.8.6.1).

Przy spęczaniu w kowadłach płaskich - gładkich, gdy wielkość współczynnika tarcia μ=0, wytwarza się w materiale liniowy stan naprężenia (rys.5.12a), powodujący równomierne ściskanie próbki w całej objętości, niezależnie od warunku smukłości próbki. Na powierzchniach styku próbki z kowadłami nie inicjowane są siły tarcia. Wraz ze zmniejszaniem się wysokości pasma h wzrasta jego średnica d, przy zachowaniu prostoliniowości pobocznicy walca. Nacisk jednostkowy σ_n, wywierany przez narzędzie odkształcające jest na całej powierzchni zetknięcia jednakowy i równy naprężeniu uplastyczniającemu σ_p.

Rys.5.12. Wpływ warunków procesu spęczania okrągłej próbki w kowadłach płaskich: a - proces beztarciowy (μ = 0) oraz b - proces z tarciem (μ ≠ 0) na nierównomierność odkształcenia oraz schemat naprężeń normalnych σn i stycznych τ

Rys.2.11. Nierównomierność odkształcenia w kotlinie walcowniczej przy walcowaniu wzdłużnym pasm w strefach odkształceń: ograniczonych A, maksymalnych B oraz pośrednich C i D

Przy spęczaniu w kowadłach płaskich - gdy wielkość współczynnika tarcia μ≠0 (rys.5.12b), wytwarza się w materiale stan naprężenia - zmienny w różnych punktach objętości metalu, będąc zależnym od wielkości stosunku l_o/d_o, co powoduje nierównomierne ściskanie próbki. Ponadto wytwarza się przestrzenny stan naprężenia, powodujący nierównomierne odkształcenie w całej objętości próbki. Na przekroju podłużnym spęczanej próbki cylindrycznej można wyodrębnić trzy strefy odkształceń (rys.5.12b). Strefy A - przylegające do płaszczyzn czołowych próbki, odkształcają się najmniej, wskutek styku z narzędziem roboczym i działania sił tarcia, utrudniającego tym strefom płynięcie na boki. Największe odkształcenia, zarówno w kierunku osiowym, jak i promieniowym, występują w strefie B, przy czym przejście z jednej do drugiej strefy następuje w sposób ciągły, tak że brak między nimi wyraźnie zaznaczającej się granicy. Strefa C jest obszarem średnich odkształceń. Nierównomierność odkształcania się metalu podczas spęczania pogarsza znacznie jakość wyrobu. Przy spęczaniu na zimno metal umacnia się nierównomiernie, a przy spęczaniu na gorąco zrekrystalizowane ziarna mają w różnych strefach odkuwki różną wielkość, co w konsekwencji powoduje nierównomierność własności mechanicznych i użytkowych takiej odkuwki. Nierównomierność odkształcenia wpływa także na obniżenie wskaźników plastyczności i ograniczenie stopnia spęczania dla wielu metali.

1

6

---