Прессование алюминия: роль трения

Прессование и трение

Понимание процессов трения, которые происходят при прессовании алюминия и алюминиевых сплавов, очень важно для обеспечения точности формы и размеров алюминиевых профилей, а также высокого качества их поверхности. Степень участия трения в процессе прессования сильно зависит от того, какой способ прессования применяется – прямой или обратный. На рисунке 1 показаны силы трения, которые возникают при прямом прессовании, а на рисунке 2 – при обратном прессовании. В обоих случаях применяются плоские матрицы – матрицы без каких-либо скруглений на входе металла. Заметим, что при обратном прессовании мертвая зона металла имеет угол αi намного больше, чем угол αпри прямом прессовании. Это дает при одном и том же профиле более тонкий пресс-остаток. Характер течения металла при обратном прессовании с плоской матрицей очень похож на тот, который мог бы быть при прямом прессовании со смазкой.

trenie-pri-pryamom-pressovanii-alyuminiyaРисунок 1

trenie-pri-obratnom-pressovanii-alyuminiyaРисунок 2

Физика трения

Трение – это сопротивление относительному движению, которое возникает, когда два твердых тела находятся в контакте друг с другом. Сила, которая необходима, чтобы преодолеть это сопротивление, и которая направлена в противоположном движению направлении, и есть сила трения. Известный со школьной парты закон Кулона выглядит следующим образом: Fтр = μN, где μ – коэффициент трения, N – проекция действующей силы на нормаль к плоскости трения и Fтр  — сила трения. Эта модель трения действует очень хорошо, пока поверхность контакта твердых тел относительно мало нагружена, а их поверхности контактируют друг с другом  не по всей поверхности, а только по выступающим «возвышенностям» (рисунок 3(а)). Эта модель для процесса прессования, где контакты между телами значительно более плотные, а давления намного более высокие, уже не подходит.

Трение в контакте заготовка-контейнер

Площадь контакта между двумя телами увеличивается с ростом контактного давления как это показано на рисунке 3(а). Сила трения прямо пропорциональна фактической площади контакта. В ходе опрессовке заготовки исходная неполная площадь контакта AR  постепенно становится равной полной площади AA, как это показано на рисунке 3(б). При прямом прессовании силы трения возникают между заготовкой и контейнером, а также между движущимся металлом и неподвижным металлом конической мертвой зоны.

model-treniya-pri-pryamom-pressovaniiРисунок 3

Два условия трения

Возможны два условия трения: 1) трение налипания: относительное движение между материалом заготовки и контейнером полностью отсутствует  и 2) трение скольжения: течение металла по смазке в контакте с контейнером. При прессовании алюминия реализуется первый вариант условия трения – трение налипания. Модель трения налипания при прессовании дает выражение для силы трения Fтр : формула Fтр = mkAА, где m – коэффициент трения, k – прочность материала на сдвиг, AА – площадь полного контакта. Для трения прилипания m = 1, тогда как при хорошей смазке m стремится к нулю. Напряжение трения  τтр в случае трения прилипания имеет вид: τтр = k = σт/√3, где k равно σт/√3 согласно критерию пластичности Мизеса, а  σт – напряжение течения материала.

Трение движения металла по «мертвой зоне»

Мертвая зона металла показана на рисунке 1 для материала, который прессуется через квадратную матрицу – матрицу, у которой поверхность пояска перпендикулярна зеркалу матрицы. В этом случае материал в углах между матрицей и контейнером не участвует в течении, а прилипает к зеркалу матрицы, образуя конический канал, через который материал заготовки течет к матрице. Трение между металлом мертвой зоны и текущим металлом не может быть больше, чем напряжение сдвига материала и задается выражением τтр = k = σт/√3.

Трение движения металла через поясок

Условия трения металла на пояске матрице меняются по ходу прессования. Из-за сильной адгезии алюминия и материала матрицы – теплостойкой инструментальной стали – возникает налипание алюминия. Поверхностная обработка матрицы, например, азотирование, повышает твердость пояска и снижает интенсивность налипания на него алюминия. На рисунке 4 схематически показана типичная морфология налипания алюминия на пояске матрицы в сечении, перпендикулярном направлению прессования. В начале прессования на пояске матрицы присутствуют зоны и налипания, и скольжения (рисунок 4(а)), но спустя несколько циклов прессования алюминий налипает уже на всю поверхность пояска (рисунок 4(б)).  

usloviya-treniya-na-poyaske-matricyРисунок 4

Источник: Saha P.

Запись опубликована в рубрике Экструзия алюминия. Добавьте в закладки постоянную ссылку.