книги / Теория волочения

Схема подвода колебаний к оправке была позднее использована в работах [14—17].

Может также найти применение как весьма эффективная схема ультразвукового волочения, предложенная В. Н. Шаповалом1. Два волновода-волокодержателя присоединены соосно к противо­ положным торцам вибратора. Возбуждаемые в волоках колебания противоположны по фазе. Эта схема позволит, вероятно, дости­ гнуть максимального снижения силы волочения, так как наимень­ шим изменениям резонансной частоты колебаний рабочего торца инструмента подвержена колебательная система с симметричным нагружением на оба торца пре­ образователя [18].

Представляет также интерес схема ультразвукового волочения, запатентованная в Австрии2. Раз­ личными исследователями устано­ влено, что эффекты воздействия ультразвука на деформируемый металл (структурные изменения, снижение сопротивления дефор­ мации и др.) проявляются глав­ ным образом в пучностях на­ пряжений и практически отсут­ ствуют в пучностях смещений стоя­

чей ультразвуковой волны. Поэтому была разработана установка для волочения с использованием ультразвуковых колебаний таким образом (рис. 68), чтобы волока находилась в пучности напряже­ ний стоячей волны в средней части полуволнового стержня-вол­ новода, который прикреплен к преобразователю. Проволоку про­ тягивают в направлении, перпендикулярном направлению рас­ пространения волн. Такого рода установка имеет ряд преимуществ по сравнению с ранее описанными, в которых волока совершает продольные колебания.

ЛИТЕРАТУРА

1.Б а с с А. И. Волочение проволоки из цветных металлов и сплавов. Металлургиздат, 1937.

6.Ц e л и к о в А. И. и др. Станы для прокатки равнопрочных профилей пере­ менного сечения. Машгиз, 1949.

7.Ш у х о в Ю. В. Труды Московского станкоинструментального ин-та, № 1,.

Машгиз, 1953, с. 41.

91!

Глава V

КОНТАКТНОЕ ТРЕНИЕ

ИСМАЗКА ПРИ ВОЛОЧЕНИИ

1.ОСОБЕННОСТИ КОНТАКТНОГО ТРЕНИЯ ПРИ ВОЛОЧЕНИИ,

СВОБОДНЫЙ ВВОД СМАЗКИ

ЛГрение протягиваемого металла о стенки волочильного канала ■затрудняет процесс волочения, поэтому силы контактного тре­ ния необходимо всемерно уменьшать. Это достигается предвари­

те л ь н о й обработкой поверхности (травление, анодирование, окис­ ление, нанесение различных покрытий), применением смазок и созданием условий, обеспечивающих возникновение жидкостного трения вместо граничного и тем более сухого. Многочисленные наблюдения показали, что возникновение жидкостного трения за­ висит от активности и вязкости смазки, условий ее ввода в дефор­ мационную зону, а также от скорости волочения, формы воло­ чильного канала и температуры деформационной зоны, поскольку эти параметры влияют на свойства смазки и условия ее ввода.

Однако даже при самых благоприятных условиях не удается обеспечить жидкостное трение по всей контактной поверхности. На это указывает присутствие в отработанной смазке при всех режимах процесса некоторого, иногда весьма значительного ко­ личества металлической пыли, отделившейся от поверхности про­ тягиваемого металла.

Рост активности смазки по отношению к протягиваемому ме­ таллу, а также повышение до некоторого предела ее вязкости уменьшают силы трения. Это установлено в работах Барона и Томпсона [1—3] при волочении латуни и Турре [4] при волоче­ нии меди и алюминия. Уменьшение сил трения с повышением вяз­ кости смазки подтверждается также применением при волочении стали мыльного порошка, который в условиях волочения пред­ ставляет собой высоковязкую жидкость [5].

В связи с образованием у входа в волочильный канал упругой зоны с трехосным сжатием (см. гл. II) нормальное напряжение на контактных поверхностях в начале деформационной зоны может достигать величины, заметно превышающей сопротивление дефор­ мации протягиваемого металла в его состоянии у входа в канал STh.

Поэтому для ввода смазки между контактными поверхностями не­ обходимо, чтобы она подавалась под давлением, несколько пре­ вышающим указанное нормальное напряжение. В традиционном процессе волочения протягиваемая полоса проходит через неко­ торый объем смазки, находящейся под атмосферным давлением и расположенной у входа в волочильный канал. Смазка вводится

93

в деформационную зону без дополнительного внешнего воздействия (свободно) только за счет сцепления (адгезии) с протягиваемым металлом. При этом одновременно значительная часть смазки от­ гоняется, смазочная пленка резко утоняется, во многих местах разрушается и трение становится на некоторых участках гранич­ ным и даже сухим. Утонение пленки и возможности ее разрушения повышаются с увеличением угла волоки. Это показано И. Л. Пер­ линым и А. И. Ивановым [6], которые сравнивали поверхности протянутой проволоки при прочих равных условиях, но с уг­ лами а = 5 и 15 град.

Это же показали Ренджер и Уистрейч [7], измерявшие удель­ ное электросопротивление контактной поверхности при волочении через каналы с разными углами. Толщина смазочной пленки за­ висит от скорости волочения, так как с изменением скорости ме­ няются температура и адгезионные свойства смазки.

При волочении труб, особенно на закрепленной оправке, на ход процесса большое влияние оказывает качество смазочной пленки на поверхности деформационной зоны, контактирующей с оправкой. В этом процессе смазку вводят в полость трубной за­ готовки: а) шприцем через ее передний конец перед волочением; б) подводом через полый стержень закрепленной оправки; в) пол­ ным погружением прямолинейных пакетов заготовок в ванну с жид­ кой смазкой. В этом случае выход воздуха из полости трубы обес­ печивается погружением ее в ванну под углом. Интенсивность от­ гона смазки зависит от формы оправки. При цилиндро-конической оправке интенсивность отгона меньше, чем при цилиндриче­ ской.

В некоторых условиях применяют так называемые подсмазоч­ ные слои, уменьшающие отгон смазки. "

Кроме свободного ввода смазки, разработаны и применяются два способа принудительного ввода, обеспечивающие создание условий жидкостного трения: гидростатический и гидродинамиче­ ский. Иногда эти способы применяют совместно 19].2

2. ГИДРОСТАТИЧЕСКИЙ ВВОД СМАЗКИ

Гидростатическим называется ввод, при котором повышенное давление смазки у входа в канал создается специальным насосом, высокого давления. При этом способе исключается необходимость в обеспечении условий для возникновения гидродинамическогоэффекта, в результате чего напряжение трения практически не зависит от скорости волочения. Этот способ был усовершенствован.

В.Ф. Мосеевым и А. А. Коростелиным [8].

На рис. 69 приведена схема установки для волочения с гидро­

статическим вводом смазки, не нуждающаяся в пояснении. Усовер­ шенствование Мосеева и Коростелина заключается в том, что основ­ ная волока выполнена без калибрующей зоны, а у вспомогательнойs

94

уплотняющей волоки, установленной входным конусом внутрь камеры высокого давления, нет смазочной воронки.

Исследования, проведенные А. А. Коростелиным \ показали, что гидростатический ввод смазки имеет следующие преимущества по сравнению с традиционным вводом смазки:

1.Снижается напряжение волочения; при волочении алюминие­ вой проволоки — до 39%.

2.Увеличивается толщина смазочной пленки; при этом, когда давление смазки у входа в канал заметно превышает сопротивле­ ние деформации протягиваемого металла, перед началом пласти-

3

Рис. 69. Схема экспериментальной установки для волочения с принудительным гидроста­ тическим вводом смазки:

ческой деформации наблюдается обильное (фонтанирующее) выбра­ сывание смазки на стороне выхода. Такое выбрасывание наблю­ далось при волочении алюминиевой проволоки и давлении смазки

10кГ/мм2.

3.Снижается температура проволоки на выходе: при волоче­ нии алюминиевой проволоки — примерно на 20%, а при волочении

стальной проволоки — примерно на 15%.

4. Уменьшается обрывность и повышается стойкость волок; так, при волочении стальной проволоки с пределом текучести 50 кГ/мм2, несмотря на недостаточную величину давления смазки (—25 кГ1мм2 вместо необходимых —50 кГ/мм2), наблюдалось зна­ чительное уменьшение обрывности и увеличение стойкости волок более чем в два раза.

В то же время гидростатический ввод смазки вызывает следую­ щие основные затруднения:

а) необходимость применения и обслуживания насосов весьма высокого давления;

б) сложность заправки проволоки в волоки и создания необ­ ходимого давления в начале процесса. Была попытка ликвидиро-1

1 А. А. К о р о с т е л и н. Автореферат кандидатской диссертации. Москва. ВНИИМЕТМАШ, 1964.

95

вать это затруднение принудительной подачей смазки непосред­ ственно на контактную поверхность через тонкие радиальные ка­ налы в теле самой волоки [10], однако это не дало заметного эф­ фекта и вызывало трудности в изготовлении волок с такими ка­ налами.

Эти затруднения ограничивают применение гидростатического ввода смазки и его используют только в тех условиях, которые исключают возможность применения других способов волочения с жидкостным трением.

3.ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ ВВОД СМАЗКИ

Гидродинамическим называется ввод смазки, при котором по­ вышение давления смазки у входа в канал создается вследствие гидродинамического эффекта. Этот эффект возникает от трения смазки о движущуюся проволоку. На рис. 70, а приведена схема гидродинамического ввода смазки. Свободно находящаяся в резер­ вуаре 5 смазка 6 адсорбируется движущейся проволокой 1 и во-

Рис. 70. Волочение с гидродинамическим вводом смазки:

а — принципиальная схема процесса; б — схематическая эпюра давлений смазки в микро­ зазоре; / — проволока; 2 — волока; 3 — трубчатая насадка; 4 — микрозазор заполнен­ ный смазкой; 5 — резервуар для смазки; 6 — смазка под атмосферным давлением; 7 — кривая роста давления смазки на поверхности проволоки; 8 — уплотняющая прокладка; 9 — движущаяся поверхность проволоки; 1 0 — стационарная поверхность насадки

влекается в микрозазор 4 между трубкой-насадкой 3 и проволо­ кой I. В результате такого вовлечения давление смазки Р у поверх­ ности проволоки, движущейся в насадке, постепенно повышается, что схематически показано кривой 7. Ввиду того, что насадка стационарна, слой смазки, прилегающей к ее поверхности 9, отго­ няется в сторону, противоположную движению проволоки. В ре­ зультате в толще смазочной пленки возникают давления, изме­ няющиеся по схематической эпюре (рис. 70, б).

В первоначальном виде такой способ был предложен в 1947 г. Мак Леланом и Камероном 1 и несколько усовершенствован Кристоферсоном и Найлором [И —13].1

1 Патент (англ.) № 566434, 1944.

96

При гидродинамическом вводе смазки давление, возникающее у входа в деформационную зону, зависит в отличие от гидростати­ ческого ввода не только от активности и вязкости смазки, но и от длины насадки, величины зазора (см. рис. 70) и от скорости дви­ жения проволоки в насадке. Это — прямое следствие известного закона Бернулли о сопротивлении движению жидкости в трубах.

Установление влияния основных условий гидродинамического ввода смазки на давление у входа в деформационную зону, а также условий, при которых это давление достигает необходимой вели­ чины, часто заметно превышающей сопротивление деформации протягиваемого металла в его состоянии перед выходом в ка­ нал (STh), является объектом теории гидродинамического ввода

смазки. Разработкой этой теории занимались Кристоферсон и Найлор; Татерсол [14—16] и др. Капитальные исследования и разви­ тие теории гидродинамического ввода проведены В. Л. Колмогоро­ вым и его сотрудниками [17]. Исследования, относящиеся к от­ дельным элементам этой теории, опубликованы в работах [18—21 ].

Проведенные исследования показали значительные затрудне­ ния в установлении достаточно точных количественных связей между условиями процесса волочения, свойствами смазки и дли­ ной насадки /„. Анализ этих исследований привел к возможности приближенного описания характера этих связей следующим выра­ жением:

где сгГн — главное нормальное радиальное напряжение у входа

в рабочую зону волочильного канала;

h — микрозазор между проволокой и насадкой (см. 4 на рис. 70);

Лер — средняя величина вязкости в насадке (зависит от дав­ ления и температуры);

b — толщина смазочной пленки у выхода из волочильного канала;

р — вытяжка в данном переходе; vB0Jl — скорость волочения;

С — постоянный безразмерный коэффициент, зависящий от прочих условий процесса.

Эксперименты с насадками показали, что при смазках с малой вязкостью (масла, эмульсии) требуются насадки большой длины (~800 мм) [22], а это практически исключает возможность их использования. При густых смазках, таких как натриевое мыло, такие насадки могут быть выполнены в виде сравнительно коротких трубок с коническим каналом. Насадки такой конструкции опи­ саны в работах [17, 22]. Одна из таких конструкций, применен­ ная в сборной волоке, предложенной С. И. Орловым, В. Л. Кол­ могоровым и др., приведена на рис. 71. Промышленные испытания

такой волоки, по данным работы [22], показали повышение ее

углов наклона образующих волочильного канала и оправки у =

Рис. 72. Схема стандартной (в) и удлиненной (б) волоки:

Вх — входная зона; Р — рабочая; Р* — рабочая зона, объеди­ ненная со смазочной; К — калибрующая; Вых — выходная зона

4. ОСОБЕННОСТИ И ВИДЫ ПРИМЕНЯЕМЫХ СМАЗОК

Воронкообразная форма волочильного канала и высокие кон­ тактные напряжения способствуют интенсивному отгону (выдавли­ ванию) смазки в направлении, обратном волочению.

98

Во избежание такого отгона необходимо применение смазок

сповышенной адгезией с протягиваемым металлом и вязкостью

вих состоянии в деформационной зоне, особенно при свободном

игидродинамическом вводах смазки. Повышенная адгезия улуч­ шает процесс волочения, при многопереходном волочении умень­ шает количество нанесенной смазки на заготовку, но может за­ труднять удаление остаточной смазочной пленки с продукта воло­ чения, если такое удаление необходимо. Поэтому иногда при­ ходится применять смазку с меньшей адгезией, легче поддающуюся удалению. Повышенная вязкость смазки уменьшает ее отгон и

улучшает ее ввод, но несколько увеличивает работу трения, а с ней и напряжение волочения. При этом в связи с возможной не­ равномерностью вязкости эти напряжения становятся менее устой­ чивыми, что при волочении профилей с тонкими и особенно тон­ чайшими поперечными сечениями приводит к увеличенной обрыв­ ности. Поэтому, а также потому, что с увеличением вязкости умень­ шается скорость обволакивания смазкой заготовки при ее про­ движении через смазочную массу, при волочении применяют в за­ висимости от условий процесса смазки с различными вязкостями, в том числе и с очень небольшими (так называемое «мокрое» воло­ чение), если они обладают достаточной адгезией.

Такие смазки используют при высоких скоростях волочения, а также при волочении профилей тонких и тончайших поперечных сечений. Этому способствует также и сокращение длины деформа­ ционной зоны с уменьшением поперечных размеров, и, следова­ тельно, снижение интенсивности отгона смазки.

При высокотемпературном волочении смазка должна легко на­ носиться и отличаться в деформационной зоне достаточными ад­ гезией и вязкостью. Этому требованию удовлетворяют эмульсии, жидкая часть которых после нанесения смазки на заготовку во время ее нагрева выгорает и оставляет на поверхности-заготовки твердую пленку из смазочного материала, например графита. Иногда, особенно при многократном волочении проволоки, смазка должна одновременно служить охлаждающей средой, поэтому она должна быть жидкой.

При подборе смазки учитывают ее влияние на качество поверх­ ности окончательно протянутого профиля (тусклая, светлая, зер­ кальная), а также допустимые зольные остатки смазки на изделии после его термической обработки.

Составы смазок должны исключать возможность их заметного химического воздействия на протягиваемый металл и инструмент и удовлетворять соответствующим требованиям техники безопас­ ности — токсичность, воспламеняемость и т. п.

Наилучший смазочный эффект достигается при полном жидкост­ ном трении. Однако условия для такого трения не всегда удается выполнить, так как весьма трудно одновременно удовлетворить всем перечисленным требованиям. Поэтому часто приходится огра-

ничиваться обеспечением преимущественно граничного трения, т. е. созданием на контактной поверхности, по крайней мере, моно­ молекулярной прочной смазочной пленки, хорошо схватывающейся с деформируемым металлом.

Такая пленка может получаться из так называемого «адсорби­ рованного» мыльного слоя, образующегося на поверхности не­ которых металлов при покрытии их смазкой, содержащей, неболь­ шое количество (1—1,5%) поверхностно активных веществ, на­ пример соли жирных кислот, соединения хлора, серы и др.

Сами жирные кислоты при их соприкосновении с такими ме­ таллами, как медь или цинк, адсорбируют и образуют прочные, хорошо схватывающиеся с адсорбируемым (в данном случае про­ тягиваемым) металлом пленки соответственно медного или цин­ кового мыла. Такие пленки обеспечивают, по крайней мере, гра­ ничное трение. У некоторых металлов и сплавов непосредственно образование адсорбционного слоя требует дополнительных трудо­ емких мероприятий или протекает медленно. Некоторые металлы и сплавы вообще не образуют адсорбционного слоя. Так, по дан­ ным работы [24], он не возникает на алюминии и его сплавах, а по данным работы [25] — на серебре и платине.

В таких случаях адсорбционный слой может быть образован из другого металла. Так, при мокром волочении стали, которая весьма медленно образует адсорбционный слой, ее поверхность предвари­ тельно либо омедняют, либо фосфатируют (наносят слой цинковых солей фосфорной кислоты), затем замачивают в мыльной эмульсии. При этом образуется необходимый слой медного или цинкового мыла. Такая подготовка поверхности называется нанесением «под-. смазочного слоя^или просто «подслоя».

При невозможности или недопустимости образования адсорби­ рованного слоя на протягиваемом металле таким или иным спо­ собом применяемая смазка должна обладать достаточной адгезией с протягиваемым металлом и достаточной вязкостью. Такое сочета­ ние может привести не только к граничному, но и к частично, а иногда и полностью жидкостному трению.

Необходимая вязкость смазки при прочих равных условиях определяется в основном двумя параметрами: прочностью протя­ гиваемого металла и его поперечными размерами. Чем прочнее протягиваемый металл, тем большей должна быть вязкость смазки во избежание обильного ее выдавливания; чем тоньше поперечные размеры профиля, тем менее интенсивным становится выдавлива­ ние, а вязкость может быть пониженной. Поэтому при волочении высокопрочной проволоки средних и толстых размеров применяют металлические смазки, например свинец и даже медь, а при воло­ чении тонких и тончайших размеров используют жидкие смазки.

Возможность образования адсорбированного слоя, адгезия и вязкость зависят от температуры окружающей среды, в том числе волочильного инструмента и протягиваемого металла. Эта тем-

100