Трение является взаимодействием, возникающим в плоскости контакта двух соприкасающихся тел. Взаимодействие возникает при любой механической обработке металла, при этом существует два вида трения – трение качения и трение скольжения. Трение качения характерно для деталей машин (подшипники), а трение скольжения возникает при обработке металла.
При механической обработке возникают высокие давления и поверхность контакта детали из-за воздействия инструмента испытывает смещение. Обработка всегда сопровождается изменением температуры, теплопереносом, рассеиванием энергии, физическим разрушением поверхности взаимодействующих слоёв и изменением их структуры. Изменение структуры и физико-механических свойств даёт возможность использовать трение в качестве отдельной технологической операции при обработке металлов.
При металлообработке всегда существует трение между инструментом и обрабатываемой деталью, которое происходит при присутствии других веществ: окислов обрабатываемого металла, смазки, частиц, образовавшихся в результате взаимодействия и т.п. Режим трения определяется соотношением указанных частиц, их свойствами и действующим на поверхности контакта металлов напряжением.
Выделяют три вида трения:
На величину силы трения влияют приложенное давление, химический состав сплава, температура, анизотропные свойства инструмента. С помощью трения можно нагревать заготовки для дальнейшей обработки, выполнять наплавку металла, закаливать и упрочнять поверхность, сваривать детали, создавать поверхности с высокой износостойкостью и высоким коэффициентом трения.
Процесс пластической деформации металла на прокатном стане зависит от величины контактных сил трения. Меняя степень шероховатости нижнего и верхнего прокатных валков, появляется возможность влияния на динамику и кинематику прокатки.
В этом случае трение позволяет снизить контактное давление на прокатные валки, метод получил распространение в прокатном производстве.
Традиционный способ механической обработки поверхности металла за счёт трения абразива. Подбор абразива позволяет изменять условия обработки, добиваясь удаления загрязнений, шлифования или полирования.
Зачистка является важнейшей операцией металлообработки, которая позволяет избавить металл от загрязнений, проявлений поверхностной коррозии и дефектов. С помощью зачистки убирают окалину и заусенцы, обрабатывают сварные швы и улучшают внешний вид металлического изделия.
Методика заключается в механическом и термическом воздействии специальным инструментом, с добавлением в обрабатываемую зону компонентов, имеющих повышенную твёрдость – карбидов, оксидов, боридов металлов. Распределяясь по поверхности, компоненты формируют армированный металлический поверхностный слой.
В этом случае внешний слой становится композиционным материалом, в структуру которого входят исходный металл и твёрдые добавки, внедрённые в него на наноуровне. Результат такой обработки – повышение износостойкости поверхности детали. Важной особенностью является возможность локального (избирательного) упрочнения участка поверхности.
Метод поверхностного упрочения с помощью трения применим для обработки деталей из лёгких сплавов и конструкционных сталей.
Способ наплавки трением заключается в увеличении толщины наплавочного прутка и производительности нанесения, при вращении прутка и поступательном движении наплавки. Усилие на пруток меняют по программе, что позволяет увеличить толщину прутка, затратив на данную операцию небольшое время.
Метод востребован при наплавке рабочей части режущего инструмента с целью повышения его износостойкости, производительности и режущих свойств.
Сварка трением (давлением) выполняется при вращении зажатых заготовок и наиболее эффективна для соединения деталей круглой формы, при ступенчатом по длине профиле – например, валов. Данный способ соединения имеет хорошую точность, здесь отсутствуют брызги, метод применим для сварки деталей, прошедших окончательную механическую обработку.
Наличие антикоррозионных и упрочняющих покрытий на свариваемых деталях не является препятствием, образуется небольшая зона термического влияния, что позволяет соединять даже закалённые детали.
При внедрении сварки трением в производство, экономический эффект достигается снижением трудоёмкости изготовления и улучшением эксплуатационных характеристик детали. Так же уменьшается количество расходных материалов, экономится электроэнергия, сокращается время изготовления детали.
Перспективными методами обработки являются метод поверхностной закалки трением, фрикционная металлизация поверхностей для увеличения их твёрдости и шероховатости. Значительное количество научных работ по металлообработке посвящено совершенствованию методики на основе моделирования процессов.
В настоящее время существует и создаётся программное обеспечение, способное разрабатывать модели, объясняющие физико-химические процессы и роль трения на контакте между инструментом и металлом при механической обработке.
