WICZENIE NR III PODSTAWY PROCESÓW OBRÓBKI PLASTYCZNEJ -TARCIE W PROCESACH OBRÓBKI PLASTYCZNEJ-

Transkrypt

1 1. Cel wiczenia WICZENIE NR III PODSTAWY PROCESÓW OBRÓBKI PLASTYCZNEJ -TARCIE W PROCESACH OBRÓBKI PLASTYCZNEJ- Celem wiczenia jest zapoznanie si ze zjawiskiem i rol tarcia w procesach obróbki plastycznej. Zwraca si uwag na nastpujce zagadnienia: istot zjawiska tarcia i jego rodzaje w procesach obróbki plastycznej, wpływ tarcia na parametry siłowe i energetyczne oraz na stan odkształcenia (niejednorodno odkształce) podczas kształtowania plastycznego, sposoby ograniczania działania sił tarcia, modelowanie sił tarcia oraz metody dowiadczalne słuce do wyznaczania współczynnika tarcia.. Tematyka prac badawczych i technicznych Tematyka prac badawczych i technicznych obejmuje: wyznaczanie współczynnika tarcia metod spczania piercieni, badania wpływu przeciwcigu na sił cignienia, badania niejednorodnoci odkształce w procesie spczania. 3. Schematy metod badawczych i procesów F P 0 P c Rys. III/1. Schemat spczania piercienia Rys. III/. Schemat procesu cignienia z przeciwcigiem przez cigadło stokowe F d m V b Rys. III/3. Schemat spczania próbki walcowej d c

2 4. Zalecenia 4.1. Przedstawienie wyników pomiarów Temat 1. Wyznaczanie współczynnika tarcia metod spczania piercieni Tabela III/1. Wyniki bada współczynnika tarcia metod spczania piercieni Materiał badany:... Lp Stan powierzchni kowadeł Rodzaj smaru Wymiary pocztkowe piercienia [mm] Wymiary piercienia po spczaniu [mm] Współczynnik tarcia µ 1 3 rednica zewn. D 0 [mm] rednica wewn. d 0 [mm] Wysoko h 0 [mm] rednica wewn. d 1 [mm] Temat. Pomiary sił cignienia bez przeciwcigu i z przeciwcigiem Wysoko h 1 [mm] Tabela III/. Wyniki pomiarów sił cignienia bez przeciwcigu i z przeciwcigiem Materiał badany:... Lp Wyniki pomiarów rednica pocztkowa rednica kocowa Współczynnik wydłuenia Siła przeciwcigu Siła cignienia P c [kn] d 0 [mm] d 1 [mm] d P 0 [kn] 0 λ = d 1 3 Rónica sił cignienia z przeciwcigiem i bez przeciwcigu [kn]:. Temat 3. Spczanie próbek walcowych Tabela III/3. Wyniki bada spczania próbek walcowych w rónych warunkach tarcia Materiał badany:... Wymiary pocztkowe: rednica d 0 =... [mm], wysoko h 0 =...[mm] Lp 1 3 Stan powierzchni kowadeł i rodzaj smaru Współczynnik tarcia µ Wysoko po spczaniu h 1 [mm] 1 rednica na czole próbki d c [mm] rednica maksymalna d m [mm] h h ε = h Odkształcenie Współczynnik beczkowatoci Vb λ b = V

3 4.. Opracowanie wyników pomiarów Naley okreli wartoci współczynników tarcia korzystajc z wykresu zalenoci rednic otworów piercieni od wysokoci po spczaniu (temat 1), obliczy rónice sił cignienia bez przeciwcigu i z przeciwcigiem (temat ) oraz odpowiednie wartoci odkształce i współczynników beczkowatoci (temat 3). Wyznaczone wartoci naley wpisa do tab. III/1 - III/ Wnioski Wnioski winny dotyczy: wpływu stanu powierzchni kowadeł i smarowania na wartoci współczynników tarcia, roli przeciwcigu w procesie cignienia i jego wpływu na wartoci siły cignienia, wpływu współczynnika tarcia na wartoci współczynnika beczkowatoci przy spczaniu (przy ustalonym odkształceniu). 5. Zagadnienia kontrolne Istota zjawiska tarcia i rodzaje tarcia w procesach obróbki plastycznej. Czynniki wpływajce na siły tarcia suchego i płynnego oraz podstawowe zalenoci słuce do obliczania sił tarcia. Rola tarcia w procesach obróbki plastycznej: wpływ tarcia na parametry siłowo - energetyczne oraz stan odkształcenia. Metody dowiadczalnego wyznaczania współczynników tarcia w procesach obróbki plastycznej. Sposoby ograniczania działania sił tarcia w procesach kształtowania plastycznego. Rodzaje smarów i wymagania stawiane rodkom smarujcym w obróbce plastycznej. Rola przeciwcigu w procesach cignienia. Wpływ tarcia na przebieg procesu spczania.

4 6. Informacja merytoryczna 6.1. Definicja tarcia Jeeli dwa ciała: stykaj si ze sob, wystpuje pomidzy nimi siła wzajemnego oddziaływania o składowej normalnej do powierzchni styku rónej od zera, jedno ciało przemieszcza si wzgldem drugiego z prdkoci wzgldn styczn do powierzchni kontaktowej - to przemieszczenie wzgldne tych ciał wymaga pewnej siły F stycznej do powierzchni kontaktowej S, niezbdnej do pokonania siły tarcia T (rys. III/4 a). Przedstawiona sytuacja jest typowa dla procesów obróbki plastycznej, gdzie narzdzie oddziaływuje na powierzchni przedmiotu kształtowanego pewn sił normaln, a równoczenie materiał przemieszcza si wzgldem narzdzia w kierunku stycznym do powierzchni kontaktu, a wic wystpuj siły tarcia (rys. III/4 b). Pojcie siły tarcia stosuje si globalnie do całej powierzchni kontaktowej. Lokalnie (w okrelonym punkcie) tarcie moe by okrelone przez podanie jednostkowej siły tarcia (naprenia tarcia) σ yx : T σ yx = ± lim S S 0 (III.1) gdzie T jest sił tarcia działajc na elemencie powierzchni S, kierunek y jest normalny do powierzchni kontaktowej, x jest kierunkiem wektora prdkoci materiału v wzgldem narzdzia. Znak + lub - wybiera si w zalenoci od zwrotu wektora prdkoci v. rednie naprenie tarcia t yx okrela zaleno: T t yx = ± (III.) S 6.. Charakterystyka i mechanizmy tarcia w obróbce plastycznej. Czynniki wpływajce na siły tarcia Tarcie wystpujce podczas obróbki plastycznej jest zjawiskiem bardzo skomplikowanym, poniewa: rzeczywista powierzchnia kontaktowa nie jest równa nominalnej, lecz składa si z wielu mikroobszarów przylegania, których sumaryczna powierzchnia zwiksza si wraz ze wzrostem nacisku, a pozostałe czci obydwu powierzchni oddzielone s szczelinami; obydwie stykajce si powierzchnie nie s idealnie czyste, lecz pokryte tzw. warstwami adsorpcyjnymi o gruboci ok mm, które składaj si z atomów lub czsteczek substancji znajdujcych si w atmosferze i utrzymywanych na powierzchniach oddziaływaniem sił atomowych []; oprócz warstw adsorpcyjnych na stykajcych si powierzchniach tworz si w temperaturze otoczenia warstwy tlenków o grubociach ok mm [];

5 a) N v N F T T S b) y N S σ yx (x) ds v σ yx σ yy x σ yy (x) Rys. III/4. Schemat działania sił tarcia: a) podczas przesuwania ciała po powierzchni: N - składowa normalna siły nacisku, T - siła tarcia, F - siła wywołujca przemieszczenie, v - wektor prdkoci wzgldnej, S - nominalna powierzchnia styku, T - siła tarcia działajca na elemencie powierzchni S; b) przy prasowaniu płyty pomidzy dwoma kowadłami: σ yx - jednostkowa siła tarcia (naprenie tarcia), σ yy - naprenie normalne warstwy tlenkowe i adsorpcyjne tworz warstw graniczn, której własnoci wywieraj istotny wpływ na wartoci sił tarcia; naciski jednostkowe na powierzchniach narzdzi mog osiga wartoci rzdu 500 MPa, s wic bardzo due w porównaniu z typowymi naciskami, wystpujcymi pomidzy powierzchniami współpracujcych ze sob czci maszyn (10 MPa, wyjtkowo 0-50 MPa) [4]; wektory przemieszcze i prdkoci wzgldnych styczne do powierzchni kontaktowej nie s jednakowe na całej powierzchni (np. w pewnych obszarach przemieszczenia wzgldne nie wystpuj wcale); wystpuj niejednorodne rozkłady nacisków normalnych i jednostkowych sił tarcia na powierzchni styku narzdzia i przedmiotu kształtowanego, a take anizotropia tarcia (zaleno naprenia tarcia σ yx od orientacji osi x wzgldem kierunkowego układu ladów obróbki na powierzchni narzdzia kształtujcego);

6 w pewnych warunkach moe nastpi przywieranie materiału do narzdzia kształtujcego (przemieszczanie czstek materiału zachodzi wtedy wewntrz jego objtoci, a nie bezporednio na powierzchni); własnoci powierzchni narzdzia i przedmiotu odkształcanego kontaktujcych si ze sob mog ulega istotnym zmianom - zachodz procesy zuycia narzdzia i cierania warstwy materiału, przebiegajce na ogół z rón intensywnoci w rónych miejscach powierzchni styku (róne naciski jednostkowe!), co wywiera wpływ na stan powierzchni wyrobu; podczas nagrzewania materiału do obróbki plastycznej na jego powierzchni tworz si grube warstwy tlenków (zgorzelina) o rónorodnych własnociach fizycznych i składzie chemicznym zalenym od temperatury i atmosfery pieca grzewczego, przy czym skład chemiczny warstwy wierzchniej materiału równie moe ulega zmianie - w efekcie zmiana warunków nagrzewania i temperatury obróbki moe spowodowa zarówno wzrost, jak i spadek sił tarcia; w czasie odkształcania przy duych naciskach i wysokich prdkociach wzgldnych dyssypacja cieplna pracy tarcia moe doprowadzi do lokalnego wzrostu temperatury w mikroobszarach przylegania a do temperatury topnienia - co prowadzi do spadku sił sczepnoci i zmniejszenia tarcia; stosuje si róne rodzaje smarów, które w wikszym lub mniejszym stopniu oddzielaj od siebie powierzchnie narzdzia i przedmiotu kształtowanego - wskutek wysokich nacisków jednostkowych utrzymanie cigłej warstwy smaru nie zawsze jest moliwe, co ma wpływ na wystpowanie rónorodnych mechanizmów tarcia (tzw. warstwy podsmarne o porowatej strukturze, nanoszone metodami chemicznymi na powierzchni wyrobu, sprzyjaj zachowaniu cigłej warstwy smaru). W zalenoci od warunków panujcych na powierzchni kontaktowej rozrónia si: tarcie czyste - przy oddziaływaniu czystych powierzchni; tarcie suche - w obecnoci warstw adsorpcyjnych, tlenków i zanieczyszcze, bez smaru; tarcie płynne - warstwa orodka lepkiego całkowicie oddziela od siebie powierzchnie narzdzia kształtujcego i przedmiotu odkształcanego; tarcie graniczne - warstwa ciekłego smaru oddzielajca współpracujce powierzchnie jest granicznie cienka, a smar jest powierzchniowo aktywny [4]; tarcie półpłynne - powierzchnie narzdzia kształtujcego i przedmiotu odkształcanego s tylko czciowo oddzielone od siebie warstw smaru (orodka lepkiego), gdy wskutek duych nacisków jednostkowych warstwa ta uległa w pewnych miejscach przebiciu; tarcie półsuche - warstwa smaru wystpuje jedynie na niewielkich fragmentach powierzchni kontaktowej. Tarcie czyste jest przypadkiem wyidealizowanym i moe wystpowa tylko w specjalnych warunkach (np. w próni). W obróbce plastycznej zazwyczaj wystpuj przypadki tarcia półsuchego i półpłynnego, rzadziej - tarcie płynne i graniczne. Szczegółowy opis mechanizmów tarcia mona znale w literaturze (np. [,3]). W dalszym cigu podamy jedynie najwaniejsze informacje. Istotne znaczenie dla powstawania sił tarcia suchego ma sczepno mikroobszarów przylegania. Zblienie dwóch fragmentów czystych powierzchni metalicznych wskutek działania siły normalnej na odległo oddziaływania sił atomowych powoduje powstanie połczenia metalicznego. Jest to zjawisko adhezji. Na powierzchni kontaktowej tworzy si szereg połcze (mostków). Sumaryczna powierzchnia mikroobszarów przylegania zaley od rodzaju stykajcych si materiałów, wartoci nacisku jednostkowego i charakterystyk chropowatoci obydwu stykajcych si powierzchni. Sił tarcia mona wyrazi jak nastpuje:

7 T = τ S = τ S = τ ϕs (III.3) o i i o p o gdzie: τ 0 - rednia warto naprenia stycznego, wywołujcego cinanie połczenia metalicznego, S p - suma powierzchni S i mikroobszarów przylegania. Współczynnik wyraa stosunek powierzchni S p do nominalnej powierzchni kontaktowej S: ϕ = S p S (III.4) W procesach obróbki plastycznej pod wpływem wysokich nacisków nastpuje uszkodzenie warstwy granicznej i ułatwiony kontakt czystych powierzchni. Ponadto przedłuenie czasu styku powierzchni powoduje wzrost sił sczepnoci w mikroobszarach przylegania. Siła tarcia wzrasta wic wraz ze wzrostem nacisku, stopnia odkształcenia oraz powierzchni styku, maleje natomiast, gdy zwiksza si prdko ruchu wzgldnego. Siła tarcia moe ulega okresowym zmianom, odpowiadajcym kolejnym fazom cinania istniejcych połcze i tworzenia nowych (drgania przy tarciu). Jeeli rzeczywista powierzchnia S p (wzór (III.3)) narasta proporcjonalnie do wartoci siły normalnej N, to (przy załoeniu stałej wartoci τ 0 ) otrzymujemy prawo tarcia suchego (Amontonosa - Coulomba): T = µn (III.5) lub, dla jednostkowych sił tarcia: σ = ±µ (III.6) yx σ yy gdzie: µ - współczynnik proporcjonalnoci, zwany współczynnikiem tarcia, σ yy - naprenie normalne. Warunki tarcia przy stałym nacisku s inne w momencie rozpoczcia ruchu, a inne podczas jego trwania. W zwizku z tym rozrónia si zwykle dwie wartoci współczynnika tarcia: statyczn, odnoszc si do momentu rozpoczcia polizgu, oraz kinematyczn - gdy ruch ma ju charakter ustalony. Wartoci te mog si znacznie od siebie róni, jednak dla niektórych materiałów (np. dla porowatych spieków) s bardzo zblione, a nawet identyczne. Jak wiadomo z elementarnego kursu fizyki, współczynnik tarcia µ jest - dla danej pary materiałów - wielkoci stał (przy małych naciskach i ustalonej charakterystyce chropowatoci powierzchni). Wykorzystanie tego stwierdzenia do opisu tarcia w obróbce plastycznej byłoby znacznym uproszczeniem, ze wzgldu na złoono mechanizmów, warunkujcych powstawanie sił tarcia. W zwizku z tym stosowanie zwizków (III.5) lub (III.6) wymaga przyjcia dodatkowych załoe: współczynnik µ naley traktowa jako pewien współczynnik proporcjonalnoci pomidzy napreniem stycznym i normalnym na elemencie powierzchni kontaktowej w konkretnym procesie kształtowania, przy czym jego warto moe si zmienia w szerokich granicach, w zalenoci od wartoci lokalnych nacisków jednostkowych, stanu powierzchni, prdkoci wzgldnej, sposobu smarowania i rodzaju smaru (w warunkach tarcia półsuchego i półpłynnego), a take temperatury i innych czynników; w analizie i modelowaniu konkretnych procesów obróbki plastycznej naley stosowa adekwatne wartoci współczynników tarcia wyznaczane dowiadczalnie, przy czym

8 metody badawcze winny uwzgldnia rzeczywiste warunki realizacji procesów technologicznych. Przy bardzo duych naciskach jednostkowych suma powierzchni mikroobszarów przylegania staje si bliska nominalnej powierzchni kontaktowej. Zwizek (III.5) (lub (III.6)) przestaje obowizywa, a naprenie tarcia osiga warto maksymaln, uwarunkowan wytrzymałoci połcze sczepnych na całej powierzchni (ϕ = 1 we wzorze (III.4)). Jeeli τ 0 jest mniejsze od granicy plastycznoci na cinanie materiału odkształcanego, to cicia połcze metalicznych nastpuj na powierzchni kontaktowej. W przypadku przeciwnym - materiał przywiera do narzdzia, tworzc narosty. Jest to zjawisko niepodane, gdy powoduje zł jako powierzchni wyrobu. Maksymalna warto naprenia tarcia σ yx max jest równa granicy plastycznoci na cinanie k materiału kształtowanego: σ p σ yx max = k = (III.7) 3 zgodnie z warunkiem plastycznoci Hubera - Misesa, lub: σ p σ yx max = (III.8) przy warunku Treski. Jest to przypadek stałego tarcia, niezalenego od wartoci nacisków jednostkowych σ yy. Zamiast (III.6) obowizuje zwizek: σ yx = ±k (III.9) W analizie procesów obróbki plastycznej zwizki typu (III.6) lub (III.9) s wykorzystywane jako warunki brzegowe dla napre na powierzchni kontaktowej. Zwraca si uwag, e równanie (III.9) okrela bezporednio jedn ze składowych tensora naprenia, jest wic bardzo dogodne w konkretnych obliczeniach. Moe by jednak stosowane tylko w ograniczonym zakresie - gdy naprenia tarcia s due w porównaniu z wartoci naprenia uplastyczniajcego (obróbka plastyczna na gorco), lub przy bardzo duych naciskach jednostkowych (prasowanie płyt o małych wysokociach). Równanie (III.6) podaje jedynie zwizek pomidzy składowymi σ yx i σ yy tensora naprenia (warunek typu mieszanego), co komplikuje obliczenia. W zwizku z tym czsto wykorzystuje si warunek przybliony: σ = ±µ k (III.10) yx który zakłada stał (niezalen od nacisku normalnego) warto naprenia tarcia mniejsz od maksymalnej (0 < µ* < 1 jest stałym współczynnikiem). Dla tarcia płynnego obowizuj zalenoci, wynikajce z prawa liniowej lepkoci Newtona: v x T = ± η S (III.11) h v x σ yx =± η (III.1) h

9 gdzie: η - współczynnik lepkoci dynamicznej smaru, h - grubo warstwy smaru, v x - prdko materiału wzgldem narzdzia w kierunku x. Zwraca si uwag, e: bezwzgldna warto siły tarcia jest wprost proporcjonalna do powierzchni kontaktowej S i prdkoci v x oraz odwrotnie proporcjonalna do gruboci warstwy smaru (wzór (III.11)); bezwzgldna warto naprenia tarcia ronie ze wzrostem prdkoci v x (wzór (III.1)), odwrotnie ni w przypadku tarcia suchego. Przedstawione wyej uwagi dotycz sił tarcia wystpujcych na powierzchniach kontaktowych przedmiotu odkształcanego z narzdziem (tarcie zewntrzne). Podczas kształtowania plastycznego materiałów rozdrobnionych (np. proszków metali) połczenia sczepne tworz si nie tylko pomidzy narzdziem i materiałem obrabianym, ale równie wewntrz odkształcanej objtoci (pomiedzy poszczególnymi czstkami materiału rozdrobnionego), co utrudnia ich wzgldne przemieszczenia. Zjawisko to okrela si mianem tarcia wewntrznego (przez analogi do podobnego zjawiska zwizanego z niesprystym zachowaniem si materiałów litych przy małych obcieniach, powodujcego m. in. tłumienie drga swobodnych, wystpowanie histerezy sprystej itp.) Wpływ tarcia na przebieg procesów obróbki plastycznej Praca L siły zewntrznej F potrzebna do realizacji procesu obróbki plastycznej przy załoeniu (III.6) wyraa si wzorem: p sk ij L Fds L p L t ijd ij dv ε = = + = σ ε + µσ 0 V 0 S yy u ds (III.13) gdzie: L p - praca odkształce plastycznych, L t - praca wykonana przeciwko siłom tarcia, σ ij - składowe tensora naprenia, ε ij p - koowe wartoci składowych tensora odkształcenia plastycznego, u - długo wektora przemieszczenia wzgldnego, V - objto strefy uplastycznionej, s k - całkowite przemieszczenie narzdzia. Udział pracy tarcia L t w całkowitej pracy L okrela współczynnik sprawnoci procesu ηt: L p p η t = = (III.14) L L p L + L t Obecno tarcia w procesach obróbki plastycznej wywołuje nastpujce skutki: ulegaj zmianie parametry siłowo - energetyczne: ronie całkowita praca i moc potrzebna do realizacji procesu, wzrastaj wic take siły i naciski jednostkowe na powierzchniach narzdzi, co prowadzi do ich szybszego zuycia; wystpowanie przywierania materiału do narzdzia i tworzenie narostów wpływa na pogorszenie jakoci powierzchni wyrobu; dyssypacja cieplna pracy tarcia przy duych wartociach nacisków jednostkowych oraz prdkoci wzgldnych prowadzi do znacznego wzrostu temperatury w obszarach ssiadujcych z powierzchni kontaktow - moe si okaza, e niezbdne jest ograniczenie tych prdkoci, a tym samym obnienie wydajnoci procesu (inaczej narzdzie ulegnie zniszczeniu lub przedwczesnemu zuyciu, wzgldnie zajd niepodane zmiany w strukturze i własnociach warstwy wierzchniej materiału kształtowanego);

10 pojawienie si napre stycznych na powierzchni kontaktowej (zmiana warunków brzegowych) powoduje zmian stanu naprenia i odkształcenia w całej objtoci kształtowanego materiału - w szczególnoci tarcie jest jedn z przyczyn powstawania niejednorodnoci odkształce, a wic równie niejednorodnych własnoci materiału oraz niepodanych deformacji powierzchni swobodnych. Jak wida, tarcie wywołuje w procesach obróbki plastycznej szereg negatywnych skutków. W zwizku z tym dy si do ograniczenia (zmniejszenia) wartoci sił tarcia. Jednak obecno sił tarcia moe okaza si niezbdna w realizacji niektórych procesów obróbki plastycznej - np. podczas walcowania pewna siła tarcia jest niezbdna, gdy umoliwia uchwycenie materiału i nadanie mu okrelonego ruchu. Bezwzgldny wymóg ograniczania sił tarcia moe nie dotyczy pewnych fragmentów powierzchni kształtowanych wyrobów (na których nie wystpuj przemieszczenia wzgldne lub gdy tarcie przenosi cz siły potrzebnej do kształtowania) Ograniczanie sił tarcia Podstawowym sposobem ograniczania sił tarcia w obróbce plastycznej jest odpowiednie smarowanie. Smar po naniesieniu na powierzchni przedmiotu odkształcanego lub narzdzia tworzy warstw oddzielajc czciowo lub całkowicie obydwie powierzchnie. Do podstawowych własnoci smaru zalicza si lepko i aktywno powierzchniow, które warunkuj utrzymywanie si na powierzchni w warunkach wysokich nacisków jednostkowych. Ze wzgldu na du rónorodno warunków realizacji procesów obróbki plastycznej nie ma smarów uniwersalnych. Kady proces wymaga odrbnego podejcia do problemu smarowania i wykorzystania odpowiednich substancji smarujcych. W chwili obecnej istniej wyspecjalizowane firmy, zwykle zwizane z przemysłem naftowym, które produkuj odpowiednie smary z przeznaczeniem do konkretnych procesów, gatunków kształtowanych materiałów, zakresów temperatur itp. Rónorodno wymaga stawianych smarom mona objani na przykładach: w obróbce plastycznej na zimno - zwłaszcza przy wysokich naciskach jednostkowych i duych prdkociach wzgldnych - smar, oprócz swej podstawowej roli, jak jest zmniejszenie tarcia, winien równie intensywnie chłodzi narzdzie i materiał kształtowany (działanie chłodzco - smarujce) - oprócz odpowiedniej lepkoci i aktywnoci powierzchniowej wymagana jest wic dua pojemno cieplna; współczynnik lepkoci dynamicznej substancji smarujcej winien by odpowiednio dobrany do wartoci nacisków jednostkowych (a wic rodzaju kształtowanego materiału) oraz prdkoci wzgldnej - im wiksze naciski, tym wiksza winna by lepko smaru; podwyszenie współczynnika lepkoci, podobnie jak wzrost prdkoci wzgldnej, zwiksza wprawdzie tarcie, jednak przy duych prdkociach ronie grubo warstwy smaru, co pozwala na utrzymanie sił tarcia na odpowiednio niskim poziomie (patrz wzór (III.11)); w obróbce plastycznej na gorco - zwłaszcza gdy czas zetknicia si narzdzia z przedmiotem obrabianym jest duy - istotna jest przede wszystkim odporno smaru na temperatur (istnieje niewiele substancji, które mog spełnia rol smaru w temperaturach rzdu 1000 o C) oraz niskie przewodnictwo cieplne, ze wzgldu na zabezpieczenie narzdzia przed przegrzaniem. We wszystkich przypadkach smar powinien mie nastpujce cechy: łatwo nanoszenia na powierzchnie kształtowanego przedmiotu i narzdzia, chemiczn pasywno wzgldem materiału kształtowanego i materiału narzdzia, nieszkodliwo dla pracowników i rodowiska naturalnego,

11 łatwo usuwania z powierzchni po zakoczeniu obróbki. Stosuje si nastpujce rodzaje smarów: smary płynne: oleje mineralne i rolinne oraz emulsje (oleje z dodatkiem wody) jako orodki chłodzco - smarujce, oleje o podwyszonej lepkoci z dodatkiem parafiny lub stearyny, oleje z dodatkiem substancji powierzchniowo - aktywnych (np, zwizków chloru); smary proszkowe: mydła w postaci proszku lub płatków, grafit, dwusiarczek molibdenu (dwie ostatnie substancje stosuje si równie jako dodatki do smarów płynnych); szkło (w postaci proszku lub waty szklanej), stosowane w wysokich temperaturach [4]. Stworzenie warunków tarcia płynnego mona osign przy zastosowaniu podawania ciekłego smaru do strefy oddziaływania narzdzia i przedmiotu kształtowanego pod cinieniem (smarowanie hydrostatyczne), lub poprzez specjalne ukształtowanie profilu narzdzia: smar jest zabierany przez przemieszczajcy si materiał i wprowadzany do szczeliny o malejcej stopniowo gruboci, przez co jego cinienie wzrasta (hydrodynamiczne podawanie smaru). Utrzymanie smaru na powierzchni przy wysokich naciskach jednostkowych, oprócz odpowiednich własnoci smaru, wymaga czasem specjalnych zabiegów przygotowania powierzchni kształtowanego wyrobu. Jednym ze sposobów jest wspomniane ju nanoszenie metodami chemicznymi warstw podsmarnych (np. fosforanów lub szczawianów na powierzchnie stalowe). Warstwy podsmarne powinny mie porowat struktur, sprzyjajc utrzymaniu smaru. Innym sposobem obnienia tarcia jest stosowanie tzw. rozdzielaczy. Sposób ten polega na pokrywaniu powierzchni kształtowanego materiału cienk warstw metalu plastycznego (mied, ołów), który tworzy z materiałem narzdzia słabe połczenia sczepne. Smary nanosi si rónymi sposobami, zarówno przed, jak i w czasie obróbki, wyłcznie na te fragmenty powierzchni materiału lub narzdzia, na których działanie sił tarcia wpływa niekorzystnie na przebieg procesu kształtowania. Fragmenty powierzchni, na których tarcie nie wystpuje (np. nie ma przemieszcze wzgldnych), wzgldnie przenosi cz sił kształtowania, pozostawia si nie smarowane. W przypadku kształtowania wyrobów z materiałów rozdrobnionych (np. proszków metali) istotne jest zmniejszenie sił tarcia działajcych pomidzy poszczególnymi czstkami materiału. Mona to osign przez zastosowanie rodka polizgowego, który naley zmiesza z materiałem rozdrobnionym przed procesem kształtowania. Dla proszków metali czsto stosowanym rodkiem polizgowym jest stearynian cynku. Dla ograniczenia sił tarcia istotna jest charakterystyka chropowatoci powierzchni oraz gatunek i twardo materiału narzdzia. Gładka powierzchnia i wysoka twardo materiału narzdziowego sprzyja zmniejszeniu sił tarcia. Obnienie sił tarcia mona równie osign drog poredni - obnienia nacisków jednostkowych. Uzyskuje si w to poprzez zmian panujcego stanu naprenia. Na przykład w procesach walcowania i cignienia stosuje si tzw. nacig i przeciwcig (dodatkowe rozciganie walcowanego pasma lub cignionego drutu czy prta). Cz pracy odkształcenia plastycznego jest wtedy wykonana przez naprenia rozcigajce, co powoduje zmniejszenie napre normalnych na powierzchni kontaktowej, a wic spadek sił tarcia. Eliminacj sił tarcia na pewnych fragmentach powierzchni kontaktowej mona uzyska przez zastosowanie odpowiedniej kinematyki procesu. Przykładowo, podczas wyciskania z nieruchomym wsadem, moliwo przemieszczania si wsadu wzgldem pojemnika, a wic równie siła tarcia materiału o jego cianki zostaje znacznie ograniczona. Zmniejszenie sił tarcia obserwuje si równie podczas procesów dynamicznych, gdy prdkoci wzgldne s due (krótki czas styku narzdzia z materiałem kształtowanym),

12 a take w procesach pulsacyjnych, realizowanych z czstotliwoci pulsacji siły lub przemieszczenia rzdu kilkuset Hz (bd te z czstotliwociami ultradwikowymi). Na zakoczenie dodamy, e - jeeli tylko jest to moliwe - naley dy do zamiany tarcia lizgowego na toczne (np. zamiast klasycznego cignienia stosuje si cignienie pomidzy swobodnie obracajcymi si walcami, wygniatanie gwintów wewntrznych o duych rednicach mona zastpi walcowaniem głowicami rolkowymi itp). Pozwala to na obnienie sił i momentów potrzebnych do realizacji procesów oraz umoliwia stosowanie wysokich prdkoci obróbki, a wic podwyszenie wydajnoci. Niebezpieczestwo wystpienia wysokich temperatur w stefie kontaktu narzdzia i przedmiotu obrabianego jest w przypadku tarcia tocznego znacznie ograniczone, a narzdzie zachowuje wysok trwało Dowiadczalne metody wyznaczania współczynnika tarcia Współczynnik tarcia mona wyznaczy: wykonujc niezalene pomiary sił: stycznej i normalnej, wchodzcych do wzoru (III.5), lub okrelajc stosunek tych sił, bez mierzenia ich wartoci; badajc kształt oraz wymiary odkształcanych próbek i porównujc je z wartociami wyznaczonymi teoretycznie przy załoonych z góry wartociach współczynnika tarcia (wykorzystuje si wpływ tarcia na stan odkształcenia) Wyznaczanie współczynnika tarcia przy walcowaniu W metodzie zaproponowanej przez I. M. Pawłowa mierzy si sił nacisku N działajc na walec, sił powstrzymujc uchwycenie materiału F oraz kt chwytu α (rys. III/5 a). Z warunków równowagi walca (rys. III/5 b) i materiału (rys. III/5 c) wynika, e: α α N = R cos + µ R sin F α α = µ R cos R sin (III.15) Dzielc stronami równania (III.15) i wykonujc odpowiednie przekształcenia otrzymujemy: F α + µ = N tg F α 1 N tg (III.16) Siły N i F winny by zmierzone w pocztkowym stadium polizgu walców, gdy inaczej powierzchnia materiału ulegnie starciu i zmieni si współczynnik tarcia.

13 a) N α F T α/ b) c) N N T = µr α/ α/ R F/ T = µr R Rys. III/5. Wyznaczanie współczynnika tarcia metod Pawłowa: a) schemat, b) układ sił działajcych na walec, c) układ sił działajcych na połow pasma; siły F i N s mierzone niezalenie za pomoc dwóch dynamometrów Inny sposób polega na wykorzystaniu warunku chwytu (rys. III/6). Z warunku równowagi sił działajcych na materiał wynika: µ R cosα = R sinα (III.17) czyli: max max µ = tgα max (III.18) gdzie α max jest graniczn wartoci kta chwytu: jeeli α < α max - materiał jest wcigany pomidzy walce, gdy α > α max - uchwycenie materiału nie nastpi. Wykorzystujc (III.18) oraz zwizki geometryczne (rys. III/6):

14 D h cosα = D otrzymuje si: ( D h ) max ( D h ) max max sin α = 1 (III.19) D h max max µ = (III.0) D h (D- h max)/ h max / D α max T = µr R Rys. III/6. Schemat sił działajcych na pasmo materiału w momencie chwytu W celu wyznaczenia współczynnika tarcia wystarczy wic okreli graniczn warto gniotu bezwzgldnego h max. W przedstawionej metodzie nie ma potrzeby wyznaczania wartoci sił: normalnej i stycznej (mierzy si ich stosunek, równy współczynnikowi tarcia) Wyznaczanie współczynnika tarcia przy kuciu lub prasowaniu Przy wyznaczaniu współczynnika tarcia podczas kucia i prasowania wykorzystuje si najczciej: metod stoków (Siebela i Pompa), metod spczania klina (I. J. Tarnowskiego), metod niezalenego pomiaru sił: normalnej i stycznej, metod spczania piercieni. Wyznaczone powyszymi metodami wartoci współczynnika tarcia mog by równie wykorzystane w analizie innych procesów kształtowania objtociowego. Metoda stoków (rys. III/7 a) polega na spczaniu walcowych próbek ze stokowymi wybraniami w powierzchniach czołowych za pomoc stokowych kowadeł z odpowiednio dopasowanymi ktami nachylenia tworzcych. W zalenoci od kta α otrzymujemy trzy przypadki odkształcania si próbki (rys. III/7 b, c, d):

15 b) N x < T x, µ > tg α, c) N x = T x, µ = tg α, d) N x > T x, µ < tg α. Okrelenie współczynnika tacia polega wic na dobraniu takiego kta α, dla którego próbka zachowuje kształt walcowy. Nie ma potrzeby wyznaczania sił T i N. a) P b) c) α N x T x T = µn d) N Rys. III/7. Schemat metody stoków (a) oraz poszczególne przypadki odkształcania si próbek (b, c, d) W metodzie spczania klina na boczn powierzchni próbki nanosi si szereg równoległych rys i mierzy si odległoci x 1 i x rysy, która nie uległa deformacji (przekroju neutralnego) od koców próbki (rys. III/8). Poniewa klin jest w równowadze, wic suma rzutów wszystkich sił na o poziom (x) wynosi zero, co daje: α α α N sin + N sin µ N1 cos + µ N α cos 1 = 0 (III.1) Przy załoeniu, e siły N 1 i N s proporcjonalne do odpowiednich długoci l 1 i l, a zatem równie do x 1 i x, mona zwizek (III.1) napisa w postaci: α α ( x1 + x )sin = µ (x1 x )tg (III.) Ostatecznie: x1 + x α µ = tg (III.3) x x 1

16 l l 1 N 1 N T T 1 α x N T T 1 N 1 x x 1 Rys. III/8. Schemat wyznaczania współczynnika tarcia metod spczania próbki klinowej Naley zwróci uwag, e - ze wzgldu na niejednorodny rozkład nacisków jednostkowych na powierzchni spczanego klina równanie (III.3) jest przyblione. W zwizku z tym wyniki pomiarów mog by obarczone znacznym błdem, a ponadto zale od kta α i pozostałych wymiarów klina [5]. Odpowiednie poprawki mona wprowadzi, analizujc proces spczania za pomoc metody elementów skoczonych (MES). W metodzie niezalenego pomiaru sił (rys. III/9) próbk ciska si pomidzy dwoma kowadłami znan sił F i mierzy równoczenie sił P działajc na uchwyt 3, która wywołuje ruch próbki 1 wzgldem kowadeł. Współczynnik tarcia wyznacza si ze wzoru: µ = P F (III.4) F 1 3 P Rys. III/9. Schemat wyznaczania współczynnika tarcia na podstawie niezalenego pomiaru sił: 1 - próbka, - kowadło, 3 - uchwyt do przesuwania próbki Mona bada wpływ wielkoci siły normalnej na współczynnik tarcia oraz rónice statycznych i kinematycznych wartoci współczynnika tarcia. Wyznaczone wartoci współczynników s wartociami rednimi dla całej powierzchni kontaktowej. Schemat spczania piercienia pokazano na rys. III/10.

17 a) F h0 d 0 D 0 µ 1 b) µ c) h h d 11 d 1 Rys. III/10. Schemat spczania piercienia (a) i wymiary próbek po spczaniu do tej samej wysokoci h dla rónych wartoci współczynnika tarcia (b, c): gdy d 11 > d 1, to µ > µ 1 Przy małym tarciu piercie ulega poszerzeniu, a jego wewntrzna rednica po spczaniu d 1 > d 0 (b). Przy duych siłach tarcia na pewnej rednicy materiał przywiera do narzdzia, a w zwizku z tym cz materiału przemieszcza si do wewntrz, a cz - na zewntrz (c). rednica wewntrzna moe wic zmale (lub, w granicznym przypadku, nie zmieni si). Metoda bardzo dobrze nadaje si do porównawczych bada tarcia w rónych warunkach, np. przy rónych smarach, rónych chropowatociach powierzchni narzdzi itp. Jeeli nie jest potrzebna znajomo wartoci współczynników tarcia, to wystarczy porówna rednice wewntrzne piercieni po spczaniu w rónych warunkach, przy czym wymiary pocztkowe badanych piercieni oraz stopie odkształcenia musz by identyczne. Im wiksz rednic wewntrzna piercienia otrzymuje si po spczaniu, tym mniejsze były siły tarcia. Wyznaczanie liczbowych wartoci współczynników tarcia polega na porównaniu rzeczywistych wymiarów piercieni po spczaniu (rednicy wewntrznej i wysokoci) z rozwizaniem teoretycznym, które opisuje wpływ tarcia na kształt spczanego piercienia. Rozwizanie takie otrzymuje si numerycznie - nie mona wic poda zalenoci typu µ = f(h 1 /h 0,d 1 /d 0 ) w postaci zamknitej. W zwizku z tym wykorzystuje si odpowiednie nomogramy lub wykresy, z których - dla znanych wymiarów h 0, d 0 oraz h 1 i d 1 - mona odczyta warto współczynnika tarcia (rys. III/11).

18 0 0,01 0,0 0,03 0,04 0,05 0,08 0,1 0,1 0,15 0,18 0, 0,5 0,3 0,4 0,5 rednica wewnetrzna po spczeniu d[mm] h0 d 0 D Wysoko po spczeniu h[mm] Rys.III/11. Wykres do wyznaczania wartoci współczynników tarcia na podstawie wymiarów spczanych piercieni (dla wymiarów pocztkowych: D 0 = 0 mm, d 0 = 10 mm, h 0 = 7 mm). Obliczenia potrzebne do zbudowania wykresu wykonano metod elementów skoczonych za pomoc programu [1] Wyznaczanie współczynnika tarcia w procesach tłoczenia Współczynnik tarcia mona wyznaczy w próbie rozcigania paska blachy podpartego stemplem walcowym przez pomiar sił F 1 i F 0 (rys. III/1). Z warunku równowagi elementu próbki wynika: ( F + df) dp dα dα cos F cos µ dp = 0 dα dα ( F + df) sin Fsin = 0 (III.5) gdzie dp oznacza nacisk stempla na powierzchni ds. Przyjmujc, e: cos d α, sin d α d α 1, po wykonaniu odpowiednich przekształce i pominiciu małej wartoci wyszego rzdu df dα otrzymujemy: df F = µ dα (III.6) Całkowanie (III.6) przy warunku brzegowym: dla α = 0, F = F 0 daje: 1 Obliczenia wykonał M. cierski.

19 µα F = F 0 e (III.7) oraz, dla α = : F = F e 1 0 µϕ (III.8) Ostatecznie: µ = 1 1 ln F ϕ F 0 (III.9) F 0 dp ϕ 0,01 µdp 0,0 0,03 0,04 0,05 F dα/ F+dF F 1 Rys. III/1. Schemat próby rozcigania paska blachy podpartej walcowym stemplem (a) i układ sił działajcych na element blachy (b); ϕ - kt opasania Badania tarcia w procesach prasowania proszków lub spieków w matrycach zamknitych Podczas prasowania proszku lub materiału spiekanego w matrycy zamknitej (rys. III/13) składajcej si z dwóch połówek 3 i 4 mierzy si niezalenie siły F 1, F lub F m oraz sił boczn P b działajce odpowiednio na: stempel górny 1, stempel dolny (korek), matryc (od dołu) i połówk matrycy. Sumaryczn sił tarcia na ciankach matrycy wyznacza si z zalenoci: T = T1 + T = Fm = F1 F (III.30) redni jednostkow sił tarcia okrela zwizek: t T = πdh (III.31) gdzie: d - rednica otworu matrycy h - wysoko prasowanej próbki. redni warto współczynnika tarcia mona oszacowa w przyblieniu jak nastpuje: µ = T P b (III.3)

20 F P b T 1 T P b F m / F m / F 7. Literatura 1. Abaqus 6.10 Documentation. Simulia 010. W. Dobrucki: Zarys obróbki plastycznej metali. Wyd. lsk, Katowice M. Gieyska: Tarcie, zuycie i smarowanie w obróbce plastycznej metali. WNT, Warszawa M. Morawiecki, L. Sadok, E. Wosiek: Przeróbka plastyczna. Podstawy teoretyczne. Wyd. lsk, Katowice E. P. Unksow: Metody inynierskie obliczania sił w obróbce plastycznej (w jz. rosyjskim). Moskwa, 1955