Ma Sát - Bách Khoa Toàn Thư Việt Nam

trong các quá trình gia công kim loại và xem xét sự tương tác giữa kim loại và dụng cụ (cơ học các quá trình gia công) thì ma sát ngoài là yếu tố ảnh hưởng mạnh đến quá trình biến dạng, chính vì vậy trong lý thuyết cũng như trong thực tế, vấn đề ma sát được quan tâm đến rất nhiều. Kết quả nghiên cứu các điều kiện ma sát và các phương pháp xác định hệ số ma sát được trình bày trong rất nhiều tài liệu kỹ thuật. Trạng thái ứng suất và biến dạng dẻo của kim loại phụ thuộc vào điều kiện biên, điều kiện đó có thể là ma sát ngoài (ma sát bề mặt). Lực ma sát ảnh hưởng trực tiếp đến các thông số lực cán, năng lượng cán, độ hao mòn trục cán, chất lượng sản phẩm và sự lựa chọn các phương án công nghệ. Lực ma sát được hiểu là lực tác dụng theo phương tiếp tuyến với mặt tiếp xúc giữa hai vật, tạo nên chuyển động tương đối của chúng. Cần phân biệt rằng, có loại lực ma sát chuyển động, tương ứng với quá trình dịch chuyển tương đối không hoàn lại, lực ma sát nghỉ, tương ứng với quá trình chuyển động đàn hồi thuận nghịch rất nhỏ, trị số của chúng tỷ lệ với lực tác dụng lên vật. Trong gia công kim loại bằng áp lực tồn tại cả hai loại lực ma sát trên. Ma sát có thể phân loại một cách quy ước như sau đây.

Ma sát khô ở trạng thái sạch, là ma sát tồn tại giữa hai mặt tiếp xúc sạch, không có lớp nguyên tử phân cách nào khác. Trên thực tế không có các mặt tiép xúc sạch như vậy, vì luôn tồn tại các thành phần làm bẩn bề mặt như các loại oxit, khí thẩm thấu, độ ẩm v.v… nhưng có thể mô hình hoá gần đúng dạng ma sát này trong phòng thí nghiệm khi các bề mặt được gia công trong chân không. ý nghĩa thực tế của dạng ma sát này chỉ áp dụng cho một số trýờng hợp gia công trong môi trýờng có ðộ chân không cao. Ma sát giới hạn được giới khoa học định nghĩa loại ma sát này như là loại ma sát của chất bôi trơn lỏng khi chúng thể hiện như vật rắn, nghĩa là không có những thuộc tính cơ bản của chất lỏng hay cơ chế chảy lỏng. Định nghĩa này có tính tổng quát chung và đáp ứng đầy đủ nhất điều kiện gia công kim loại bằng áp lực. Từ đây suy ra, những quy luật ma sát hỗn hợp này không thể chứng minh bằng các định luật thuỷ lực. Dạng ma sát này xuất hiện trong điều kiện, khi mà lớp phân cách cực mỏng, không có các thuộc tính của chất lỏng và chúng có bản chất hoá lý đặc biệt riêng. Lực trượt giữa các lớp màng mỏng, hoặc lực cắt của màng phân cách là rất nhỏ. Ma sát lỏng là ma sát với chất bôi trơn lỏng. Đối với loại ma sát này, quy luật Newton luôn đúng và cho phép xác định lực ma sát như sau: , trong đó T –lực ma sát;  -độ nhớt; S –diện tích bề mặt trượt; v –vận tốc chuyển dịch tương đối giữa hai vật; h –chiều dày lớp bôi trơn. Các kết quả nghiên cứu cho thấy trong cán thép tồn tại ma sát giới hạn, đôi khi còn gọi là ma sát bán khô. Đầu thế kỷ XVII (1699) Amonton đã đưa ra định luật ma sát khô , trong đó T –lực ma sát; N –lực pháp tuyến; f –hệ số ma sát.

Công thức (3.2) còn gọi là định luật áp lực pháp tuyến, nó được biết đến nhiều với tên định luật Amonton-Kulông. Tuy nhiên trong điều kiện gia công kim loại bằng áp lực, định luật này không hoàn toàn phù hợp. Về nguyên tắc, khái niệm hệ số ma sát không phản ánh bản chất vật lý của quá trình ma sát, đặc biệt trong điều kiện gia công kim loại bằng áp lực. Tuy nhiên trong đại đa số các công thức xác định lực cán và các thông số khác, hệ số ma sát được sử dụng trên cơ sở định luật Amonton-Kulong đã làm cho việc tính toán trở nên đơn giản. Trong các công thức này, hệ số ma sát phản ánh một giá trị trung bình của các điều kiện ma sát trong những trường hợp cụ thể nào đó. Hệ số ma sát thực chất là một hàm rất phức tạp, về mặt lý thuyết chưa có một công thức giải tích nào đáp ứng yêu cầu. Các công thức thực nghiệm xác định hệ số ma sát như một hàm của các thông số riêng biệt khác nhau, không thể đúng cho mọi trường hợp. Định luật ma sát Amonton là định luật đơn giản nhất nhưng không phản ánh đầy đủ sự phức tạp của quá trình. Năm 1781, Kulong đưa ra công thức khác để xác định lực ma sát , trong đó fN –thành phần lực ma sát chịu ảnh hưởng của lực pháp tuyến; A –thành phần chịu ảnh hưởng của lực liên kết phân tử (hoặc sự dính). Định luật ma sát được B.V.Draghin hoàn thiện bằng cách bổ xung thành phần lực tổng hợp của sức hút bề mặt giữa hai vật tiếp xúc: , trong đó N0 –lực tổng hợp sức hút phân tử của hai mặt tiếp xúc; N – lực pháp tuyến; f –hệ số ma sát. Nếu mặt tiếp xúc thực (SF) là rất lớn, thì giá trị N0 cũng tăng, nên ta có thể viết , trong đó P0 –lực hút phân tử, tác dụng trên một đơn vị diện tích của bề mặt tiếp xúc thực; SF –diện tích tiếp xúc thực giữa hai vật. Khi đó biểu thức trên có dạng .

Phương trình trên cho thấy khi không có tải thì lực ma sát vẫn tồn tại. Theo A.X.Akhmatov, lực hút tương tác giữa hai vật rắn giảm tỷ lệ nghịch với luỹ thừa bậc bốn của khoảng cách giữa chúng, vì vậy, khi tồn tại lớp biên bôi trơn rất mỏng, sự tác động trực tiếp của phân tử không có vai trò quyết định đến giá trị độ lớn lực ma sát. Tuy vậy trường lực phân tử có ảnh hưởng đến sự phân bố và tính chất của lớp bôi trơn, trong trường hợp riêng, nó sắp xếp định hướng tinh thể chất bôi trơn.

Tất cả các công trình nghiên cứu về ma sát giới hạn đều xác nhận rằng, ma sát của chất bôi trơn, ngay cả khi chúng ở thể lỏng, có hành vi tương tự như vật rắn. Xuất phát từ quan điểm trên, lực ma sát được xác định như một hàm của trở kháng của vật liệu: , trong đó  -độ bền cắt. Biểu thị độ bền cắt của vật liệu () bằng công thức gần đúng, ta có , trong đó 0 -độ bền cắt của vật liệu khi H=0; K –hệ số tỷ lệ, K=d/d (đối với kim loại K=0,01-0,10). Thay thế giá trị của  từ công thức trên, công thức sẽ cuối cùng có dạng hoặc, nếu lấy giá trị H bằng ứng suất pháp trung bình, khi đó SFH=N và từ công thức trên ta nhận được .

Số hạng đầu của định luật này thể hiện sự phụ thuộc của lực ma sát vào diện tích tiếp xúc, trong đó áp lực là độ bền cắt của vật liệu. Số hạng thứ hai thể hiện sự thay đổi độ bền cắt của vật liệu khi thay đổi trạng thái ứng suất.

Tồn tại một số giải thích khác về bản chất của lực ma sát. Ví dụ cơ chế ma sát giới hạn còn được trình bày trong lý thuyết ma sát hàn. Theo lý thuyết này, trong quá trình trượt sẽ xảy ra hiện tượng cắt các liên kết kim loại tại các điểm tiếp xúc và lân cận của chúng, khi đó vật liệu cứng hơn tiếp tục được nhấn sâu cho đến khi diện tích tiếp xúc lớn đủ để chịu chất tải. Tác giả J.Ming 1950, đã phát triển lý thuyết này và đưa ra sự thay đổi thứ tự các hiện tượng: trước tiên xuất hiện biến dạng dẻo các mỏm nhô cao, sau đó chúng kết nối với nhau, thậm chí chuyển dịch do có lực cắt, đôi khi kết dính và hàn liền. Điều này liên quan đến hiện tượng tăng nhiệt. Tác giả cho rằng, các lớp bôi trơn khác nhau cản trở quá trình hàn lại.

Hệ số ma sát không chỉ phụ thuộc vào trạng thái bề mặt và điều kiện tiếp xúc như chất lượng phôi thép cán, nhiệt độ cán, sự hiện diện của các loại oxit, bản chất các loại bôi trơn, áp lực, tốc độ cán, mà còn phụ thuộc vào đặc tính quá trình trượt. Chính vì vậy cần phân biệt có ba loại hệ số ma sát, chúng không giống nhau trong các điều kiện cán khác nhau. Tồn tại hệ số ma sát trong quá trình ăn phôi vào trục –fZ, khi trượt trơn –fB, và khi cán ổn định –fy.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Encyclopedia Britannica eleventh edition, Volume XI, page 214

[2]. Большая советская энциклопедия, TOM XVIII, page 182-184

[3]. A. Tselikov; Stress and strain in metal rolling; Translated from the Rusian by W.U.Sirk; Mir Publishers, Moscow 1967. Page 88-97.