Development of devices for measuring contact friction forces in the processes of volumetric plastic deformation

Abstract

Methods and means for studying the factor of plastic contact friction in the processes of volumetric plastic deformation of solid and hollow precision workpieces were discussed in the article. Estimation of the forces values required for overcoming friction resistance is important for the correct calculation and choice of technological variants for deformation processes, for assessing the properties of technological lubricants, as well as for the correct setting of initial conditions when simulating forming processes using various methods, including using FEM. An analysis of methods and means for assessing the conditions of contact friction in die forming processes was carried out, and a conclusion about the advantage of methods for directly measuring of friction forces in plastic deformation processes compared to ones for indirectly determining friction constants using deformation, kinematic, and force parameters was made. Designs of devices for measuring friction forces directly during the process of plastic deformation have been proposed and tested. Radial extrusion schemes have the advantages of identifying surfaces of directional infuence by friction forces and recording them. Based on the results of measurements of friction forces, the efectiveness of several technological lubricants for cold and semi-hot extrusion of steel and aluminum alloys was assessed. The values of friction coefcients according to Siebel’s law have been refned. A correlation between friction stress and normalized pressure of extrusion was proposed, in which the fow stress of the near-contact metal layer was expressed through hardness indicators, and correction coefcients were found from experimental data of measuring friction forces. The proposed devices made it possible to expand the understanding of the contact friction factor in the processes of working by pressure, which is important for practice and for plastic deformation processes simulation.

У статті розглянуто методи та засоби дослідження коефіцієнта контактного тертя пластичної деформації в процесах об`ємної пластичної деформації твердих та порожнистих прецизійних заготовок. Оцінка значень сил, необхідних для подолання опору тертя, важлива для правильного розрахунку та вибору технологічних варіантів процесів деформації, для оцінки властивостей технологічних мастил, а також для правильного встановлення початкових умов при моделюванні процесів формування різними методами, включаючи метод скінченних елементів (МСЕ). Було проведено аналіз методів та засобів оцінки умов контактного тертя в процесах формування штампів та зроблено висновок про перевагу методів безпосереднього вимірювання сил тертя в процесах пластичної деформації порівняно з методами непрямого визначення констант тертя за допомогою деформаційних, кінематичних та силових параметрів. Запропоновано та випробувано конструкції пристроїв для вимірювання сил тертя безпосередньо під час процесу пластичної деформації. Схеми радіального екструзії мають переваги у вигляді ідентифікації поверхонь спрямованого впливу силами тертя та їх реєстрації. На основі результатів вимірювань сил тертя було оцінено ефективність кількох технологічних мастил для холодного та напівгарячого екструзії сталевих та алюмінієвих сплавів. Уточнено значення коефіцієнтів тертя згідно із законом Зібеля. Запропоновано кореляцію між напруженням тертя та нормалізованим тиском екструзії, в якій напруження плинності приконтактного металевого шару було виражено через показники твердості, а коригувальні коефіцієнти були знайдені з експериментальних даних вимірювання сил тертя. Запропоновані пристрої дозволили розширити розуміння коефіцієнта контактного тертя в процесах обробки тиском, що важливо для практики та для моделювання процесів пластичної деформації.