Сущность волочения. Характеристики деформации при волочении

 

Волочение металлов применяют при производстве изделий малых сечений и относительно большой длины – проволоки, труб малого диаметра и с тонкой стенкой.

Широко применяют также волочение относительно крупных сечений горячекатаных прутков с целью повышения точности размеров сечения и улучшения качества поверхности.

Пластическая обработка металла волочением имеет ряд явных преимуществ перед другими способами производства изделий. Основные из них следующие:

1. Получение изделий с размерами поперечного сечения высокой точности и высоким качеством поверхности;

2. Возможность изготовления полых и сплошных изделий, производство которых другими способами не всегда представляется возможным (например, прутки значительной длины);

3. В сочетании с термической обработкой волочение обеспечивает придание изделиям высоких механических свойств.

При волочении передний конец заготовки заостряют, вставляют в отверстие волоки меньшего диаметра, чем заготовка, захватывают клещами и протягивают через волоку (рисунок 36). При этом площадь сечения прутка уменьшается, длина увеличивается.

Волочение отличается от других процессов обработки металлов давлением тем, что коэффициент вытяжки при волочении ограничивается прочностью выходящего конца изделия и практически не превышает 1,3–1,5.

Волочение, как правило, применяют для обработки металла в холодном состоянии. Только в некото­рых случаях для труднодеформируемых металлов (вольфрам, молибден) применяют горячее или теплое волочение. Теплое воло­чение проводят в узком интервале температур в районе рекристал­лизации с тем, чтобы в процессе деформации полностью или ча­стично восстановились прочностные свойства металла. В процессе волочения металл наклепывается и приобретает волокнистое строение (текстуру). Это обуславливает изменение физических, химических и особенно механических свойств металла.

Несмотря на кажущуюся простоту процесса волочения и то, что он применяется в состоянии, близком к современному, более ста лет, многие его элементы изучены еще недостаточно. На этот процесс влияет большое число самых разнообразных фак­торов, причем пока для многих из них трудно установить не только количественные, но иногда даже и качественные зависимости.

Преимущественное влияние на те­чение процесса оказывают прочностные и пластические свойства протягиваемого металла, степень и скорость деформации, форма профиля волочильного канала, материал волоки, качество тру­щихся поверхностей и смазка, а также тепловые процессы, происходящие при волочении.

Основной инструмент при волочении – волоки различной конструкции. Волока работает в сложных условиях: большое напряжение сочетается с износом при протягивании, поэтому их изготавливают из твердых сплавов. Для получения особо точных профилей волоки изготавливают из алмаза.

Для уменьшения трения при волочении, снижения усилия волочения и повышения возможной степени деформации разработаны специальные конструкции волок.

Так, было предложено сообщать обычной волоке вращательное движение вокруг оси протягиваемого круглого прутка. Благодаря вращательному движению волоки уменьшаются силы трения, а, следовательно, и усилие волочения. Этот способ волочения не получил практического применения, так как для заметного снижения усилия волочения при высоких скоростях волочения число оборотов волоки должно быть чрезмерно большим.

Для снижения сил трения применяют валковые волоки (рисунок 37), в которых канал образован валками, вращающимися в подшипниках качения.

Рисунок 36 – Схема волочения круглого сплошного профиля	Рисунок 37 – Валковая волока для трехгранного профиля

 

Основными параметрами деформации при волочении являются: – площадь поперечного сечения до и после волочения соответственно, мм²; – диаметр заготовки до и после волочения соответственно, мм; – полуугол рабочего конуса волоки, град; – приведенный полуугол рабочего конуса волоки, град; – напряжение волочения, МПа; – сила волочения, МН; – сила противонатяжения, МН.

Важнейшей характеристикой процесса волочения является напряжение волочения. Оно используется для проверки надежности применяемых и разработки новых режимов волочения, для определения усилия волочения с целью подбора соответствующего волочильного оборудования.

Напряжением волочения называется продольное напряжение растяжения, возникающее от действия приложенной внешней силы в переднем, вышедшем из очага деформации конце обрабатываемого изделия.

Напряжение волочения определяется по формуле

 

, (49)

где – напряжение волочения, МПа;

P_в – сила волочения (усилие, прикладываемое к прутку), МН;

 

На основании многочисленных экспериментальных данных можно считать, что основное влияние на напряжение и силу волочение оказывают следующие факторы:

– сопротивление металла деформации (прочностные характеристики протягиваемого металла);

– величина деформации за проход (переход);

– форма продольного профиля канала волоки;

– условия трения на контактной поверхности (свойства смазки и способ ее ввода в зону деформации);

– форма начального и конечного поперечного сечения протягиваемого изделия;

– противонатяжение (которое прикладывают к заднему концу заготовки для сниже-

ния трения);

– скорость и температура волочения;

– диаметр протягиваемого изделия.

Для обеспечения нормальных условий процесса волочения необходимо, чтобы напряжение волочения было меньше величины сопротивления пластической деформации металла после его выхода из деформационной зоны. В противном случае пластическая деформация будет происходить и после выхода металла из волоки, что может привести к образованию шейки и разрыву переднего конца обрабатываемого изделия, что недопустимо.

Иногда процесс волочения ведут с противонатяжением. Противонатяжение – это сила, прикладываемая к концу заготовки, входящей в волоку в направлении, противоположном направлению силы волочения. Отношение силы противонатяжения к начальному сечению заготовки называется напряжением противонатяжения

 

, (50)

где – напряжение противонатяжения, МПа.

 

Чтобы не произошел обрыв заготовки на входе в волоку, напряжение противонатяжения и ее сила должны быть ограничены.

Сила и напряжение волочения – основные параметры процесса волочения.

Определение их значений необходимо при выборе мощности привода и обжатий по переходам и т.д.

Сила волочения – основной параметр, определяющий ход процесса волочения; и при прочих равных условиях максимально возможную степень деформации за переход.

Зона деформации при волочении проволоки состоит из двух участков: конического деформирующего и цилиндрического калибрующего (рисунок 38). Основная деформация осуществляется на коническом участке волоки, деформация на цилиндрическом участке обеспечивает повышение точности и качества поверхности готовой проволоки.

 

Рисунок 38 – Зоны деформации при волочении

 

Степень деформации при волочении определяется выражением

 

, (51)

где – степень деформации при волочении.

 

Степень деформации можно изменить за счет изменения начального сечения, за счет изменения конечного сечения или одновременного изменения того и другого сечения.

Коэффициент вытяжки при волочении рассчитывается по формуле

.

 

Обжатие и вытяжка при волочении связаны между собой следующими соотношениями, основанными на законе постоянства объема металла

 

; (52)

. (53)

 

По сравнению с показателем обжатия коэффициент вытяжки точнее характеризует степень деформации металла при волочении, причем с повышением степени деформации разница между показателями деформации увеличивается.

Волочение можно вести либо через одну волоку, либо при помощи специальных устройств одновременно через несколько волок. В первом случае волочение называют однократным, а во втором – многократным. В последнем случае зависимость между начальным и конечным сечениями протягиваемой заготовки, числом протяжек и средней вытяжкой за переход выражается формулой

 

, (54)

,

где – средний и общий коэффициенты вытяжки при волочении;

– коэффициенты вытяжки в каждом переходе;

– площадь поперечного сечения прутка после n переходов, мм².

 

Напряжение волочения определяют либо экспериментально, либо по теоретическим, полуэмпирическим и эмпирическим формулам.

Упрощенная формула И.Л. Перлина для определения напряжения волочения сплошных круглых профилей

 

, (55)

где – угол трения (угол, под которым на поверхности заготовки в очаге деформации действует напряжение трения), град;

– среднее значение сопротивления металла деформации, МПа;

– коэффициент, равный

, (56)

 

Приведенный угол учитывает влияние на напряжение волочения калибрующего участка волочильного канала и определяется по формуле

, (57)

где – длина калибрующего участка волочильного канала (рисунок 38), мм, определяемая по формуле

 

(58)

где – коэффициент, выбираемый в пределах (0,1 – 1,5).

 

На напряжение волочения как непосредственно (в соответствии с формулой), так и вследствие изменения сопротивления деформации обрабатываемого металла влияет величина деформации, а также изменения размеров контактной поверхности. Так, при увеличении степени деформации возрастает величина среднего сопротивления деформации, что вызывает рост напряжения волочения.

Среднее сопротивление деформации определяется из выражения

 

, (59)

где и – сопротивление деформации металла соответственно до и после деформации, МПа.

Сопротивление деформации металла после волочения определяется по формуле

 

, (60)

где а₁, n₁ – коэффициенты для конкретных марок стали.

 

Увеличение деформации при сохранении профиля волоки вызывает прирост контактной поверхности и контактных сил трения, которые в свою очередь влияют на величину напряжения волочения.

Одним из важных технологических показателей процесса волочения является так называемый коэффициент запаса

 

. (61)

 

С учетом того, что расчетные формулы для определения напряжения волочения многие факторы, от которых оно зависит, учитывают приближенно, а некоторые не учитывают вообще (наличие поверхностных и внутренних дефектов, ослабляющих вытягиваемый конец изделия, несовпадение осей протягиваемого изделия и канала волоки, вибрация, динамические нагрузки и т.п.), рекомендуемая величина коэффициента запаса при волочении прутков, толстостенных труб и профилей ; при волочении тонкостенных труб и профилей, а также проволоки малых диаметров .

Оборудование для волочения

 

Технологический процесс волочения осуществляется на специальных волочильных станах.

В зависимости от типа тянущего устройства различают станы: с прямолинейным

движением протягиваемого металла (цепной, реечный); с наматыванием обрабатываемого металла на барабан (барабанный).

Цепные или реечные станы используют для волочения профилей, наматывание которых в бунт вызывает определенные трудности, например, из-за значительных размеров поперечного сечения.

На цепных (реечных) станах протягивают профили и трубы в виде длинных штанг. Протягивание заготовки через волоку осуществляется электрическим двигателем, вращательное движение которого преобразуется в прямолинейное движение цепи и волочильной тележки. Передний конец заготовки, выходящий из волоки, зажимается специальными захватами тележки. Заготовка, протягиваясь через волоку, приобретает форму заданного изделия.

Барабанные станы применяются для волочения проволоки, профилей, форма поперечного сечения которых позволяет сматывать их в бунт. Барабанные станы могут быть однократного или многократного волочения, что определяется числом осуществляемых на них протяжек (рисунок 39).

 

а

 

 

б

Рисунок 39 – Схемы барабанного стана однократного (а) и

многократного (б) волочения

 

Принцип работы станов многократного волочения заключается в том, что пластическое деформирование прутка последовательно выполняется в нескольких волоках. Причем по выходе из одной волоки протягиваемый металл наматывается на барабан и в тоже время другой конец прутка сматывается с него, поступая через следующую волоку на другой барабан и т.д. Это сокращает количество вспомогательных операций и существенно повышает производительность.

Барабан воспринимает значительные усилия волочения при наматывании изделия. Для уменьшения износа барабана его рабочей поверхности придают повышенную твердость.