книги / Теория волочения

ных условиях зависит от продолжительности пребывания металла в деформационной зоне. Чем она меньше, т. е. чем больше ско­ рость волочения, тем меньше разупрочнение. Поэтому при горя­ чем волочении рост скорости во всех возможных интервалах может привести и к увеличению силы. Это же наблюдается при повышении скоростей горячей прокатки, прессования, осажива­ ния. Горячее (зарекристаллизационное) волочение пока приме­ няют ограниченно, поэтому влияние скорости на силу при таком процессе исследовано недостаточно. Л. Д. Соколов [58] наблю­ дал повышение силы волочения проволоки из свинца диаметром 8 мм на 100% с изменением

сила волочения в начальной стадии превышала силу в установив­ шемся процессе в 1,4—2 раза.

Чтобы ослабить отрицательное воздействие этих факторов, необходимо применять захватку с максимально возможным се­ чением и доводить скорость волочения до рабочей плавно (с ми­ нимально возможным ускорением). Для этого, кроме использо­ вания специальных устройств, можно увеличивать расстояния между волокой и местом приложения тянущей силы.

Сила волочения в начальной стадии зависит при прочих рав­ ных условиях и от длительности паузы между моментом сня­ тия этой силы и началом ее последующего приложения, т. е. от продолжительности остановки. С ее увеличением растет сила во­ лочения. Зависимость силы волочения от длительности паузы — не прямолинейна, а носит затухающий характер. На рис. 108 приведены результаты наблюдений, выполненных Ю. А. Кашиным [66] для нескольких скоростей волочения, указывающих на заметное влияние продолжительности остановки на силу воло-

чения. Ю. А. Кашин приводит следующее достаточно убедитель­ ное объяснение такому влиянию. Смазочная пленка обладает ярко выраженными реологическими свойствами. Поэтому при остановке процесса:

а) смазка выдавливается и частично разрушается вследствие упругого последействия волоки и металла, находящегося в воло­ чильном канале;

б) прекращается выделение деформационного тепла и, следо­ вательно, охлаждаетсяконтактная поверхность, что вызывает рост сил трения.

С повышением скорости волочения температура контактной поверхности возрастает, снижается вязкость смазочной пленки. Поэтому если остановка происходит после волочения с повышенной скоростью, то в связи с облегчением выдавливания смазки ско­ рость роста силы волочения во времени после остановки будет более интенсивной.

Такое явление указывает на заметное влияние контактного трения покоя на параметры процесса в его начальной стадии. Поэтому необходимы всемерное сокращение длительности пауз и приближение деформационных условий начала процесса к уста­ новившемуся (подогрев смазки, ее активизация и др.).

В предыдущей главе показано, что для успешного действия смазки между ней и протягиваемым металлом до его поступления в деформационную зону должны произойти химические, диффузион­ ные или адгезионные процессы. Они, как и все процессы, проте­ кают во времени. Поэтому при выборе скорости волочения следует учитывать время, необходимое для осуществления указанных процессов.

При увеличении скорости волочения в стадии установившегося процесса вследствие повышения гидродинамического эффекта часто заметно возрастает толщина смазочной пленки, что улучшает течение процесса.

При повышении скорости волочения необходимо почти пропорциальное увеличение мощности двигателя волочильной машины; между тем производительность волочильных машин растет всегда менее интенсивно, чем скорость, и тем меньше, чем больше отно­ шение вспомогательного времени к машинному. Поэтому для за­ данных условий процесса существует экономический максимум скорости, определяемый минимумом стоимости волочильного пере­ дела (см. гл. XII).41

14. МАСШТАБНЫЙ ФАКТОР

Влияние диаметра или толщины протягиваемого профиля на напряжение волочения определяется двумя факторами: масштаб­ ным и термическим. Влияние масштабного фактора проявляется в том, что наблюдаемый предел прочности при одинаковом физи-

162

Эти объяснения следует дополнить. Чем тоньше образец, тем более мелкими и направленными становятся кристаллиты, а уча­ стки строения, ослабляющие прочность, получают при волочении такую ориентировку, при которой поперечные сечения образца ослабляются меньше, что приводит к повышению его прочности.

Предположение Я. Б. Фридмана о том, что существуют прак­ тически предельные размеры образцов, дальнейшее увеличение которых не понижает их прочности, подтверждают приведенные выше данные С. И. Губкина и Н. Г. Решетникова.

Эти же материалы указывают на то, что, по-видимому, рассма­ триваемые предельные размеры для разных металлов и сплавов не одинаковы и зависят от степени предварительной деформации — чем больше степень предварительной деформации, тем меньше эти размеры. В такой же зависимости от степени предваритель­ ной деформации находится и интенсивность изменения предела прочности.

Влияние термического фактора проявляется при прочих рав­ ных условиях и различном изменении температуры деформацион­ ной зоны при волочении толстых и тонких профилей. Известно, что при уменьшении какого-либо объема любой формы с сохране­ нием подобия его линейных размеров удельная поверхность его (поверхность, приходящаяся на единицу объема) увеличивается, и наоборот. Поэтому объемы, имеющие подобные линейные раз­ меры и одинаковые удельные поверхности, всегда равны. В за­ висимости от величины удельной поверхности меняется темпера­ тура деформационной зоны и отдельных ее участков, а следова­ тельно, и сопротивление деформации.

Изменение величины удельной поверхности вызывает также пропорциональное изменение расхода энергии на образование новой поверхности. Поэтому, как и при всех процессах обработки металлов давлением, при волочении практически невозможно создать совершенно подобные условия деформации. Это впервые было отмечено С. И. Губкиным [69].

Действительно, при уменьшении диаметра протягиваемой про­ волоки при прочих равных условиях процесса (степень дефор­ мации, угол волоки и т. д.) растет величина контактной поверх­ ности, приходящаяся на единицу объема деформационной зоны. Это приводит к увеличению расхода энергии на образование но­ вых поверхностей и к изменению температуры металла в волочиль­ ном канале. При интенсивном охлаждении волоки и небольших скоростях волочения с увеличением контактной поверхности понижается температура деформационной зоны и растет сопротив­ ление деформации. При больших скоростях волочения, когда теп­ лота, выделяющаяся на контактных поверхностях в единицу времени, достигает значительной величины, температура дефор­ мационной зоны может повыситься, отчего уменьшится сопро­ тивление деформации. Это подтверждается практикой волочения

164

проволоки тонких размеров. При волочении с большими скоро­ стями проволока претерпевает в деформационной зоне частичные структурные изменения, приводящие к падению предела проч­ ности и к возможности увеличения суммарных деформаций между отжигами. Так, например, при волочении бронзовой проволоки диаметром 2 мм первый промежуточный отжиг проводят при диа­ метре 0,9 мм (|иоб = 4,5), а второй промежуточный отжиг прово­ дят при диаметре 0,25 мм (роб = 15). С уменьшением диаметра проволоки возрастает скорость деформации [см. формулу (VI-22)], что также оказывает некоторое влияние на сопротивление дефор­ мации.

Все изложенное показывает, что величина диаметра или тол­ щины протягиваемого профиля не может не влиять на напряже­ ние волочения. Влияние это, однако, по сравнению с основными факторами, определяющими напряжение волочения толстых и средних профилей, невелико, потому, что, как правило, такие профили протягивают с небольшими скоростями. Оно становится заметным лишь при волочении профилей тонких и тончайших размеров, когда влияние масштабного фактора не компенсируется влиянием термического фактора.

15. с т о й к о с т ь в о л о к

Стойкостью волоки принято считать ее свойство противостоять во время эксплуатации изменению формы и размеров волочиль­ ного канала. Это свойство определяется в весовых или линейных единицах протянутого через волочильный канал металла. Приме­ нительно к эксплуатационно-расчетным требованиям различают стойкости до налипания, до износа и до разрушения [70].

Стойкость до налипания — количество изделий, протянутых через волочильный канал до появления на их поверхности недо­ пустимых царапин, задиров, рисок из-за налипания протягивае­ мого металла на поверхность волочильного канала. При этом его форма и размеры находятся в пределах, допускаемых техничес­ кими условиями. Налипание протягиваемого металла на поверх­ ность волочильного канала является следствием адгезионного взаимодействия, которое иногда бывает весьма интенсивным, например в парах алюминий — сталь, ниобий — твердые сплавы (карбиды вольфрама). Налипает главным образом протягиваемый металл на инструмент, а не наоборот, потому что протягиваемый металл всегда менее прочен, чем металл инструмента. Чтобы ис­ ключить налипание, кроме подбора материала инструмента, са­ мым надежным способом является волочение в режиме жидкост­ ного трения (см. гл. V).

Стойкость до налипания учитывают и количественно опреде­

165

Иногда показателем стойкости до износа служит количество из­ делий, протянутых через канал, на единицу износа, например на 0,01 мм уменьшения поперечного размера канала.

Волочильный канал по поперечным сечениям и особенно по его длине изнашивается неравномерно. Такая неравномерность по продольным образующим канала объясняется изменением ра­ диальных напряжений и условий смазки, а с ними и величин эле­ ментарных сил контактного трения по длине канала. В гл. II было показано, что максимальное радиальное давление наблюдается в самом начале контакта, где продольные растягивающие напря­ жения еще весьма невелики. Особенно высоки эти радиальные напряжения при волочении без противонатяжения вследствие образования зоны с трехосным сжатием и упругой зоны. Это при­ водит к интенсивному кольцевому износу, о котором говорилось в гл. II. Там же показано, что, поскольку, противонатяжение сокращает и при значительной его величине даже совсем исклю­ чает обе зоны, этот вид износа соответственно уменьшается или не проявляется совсем.

Кроме такого износа, отмечен износ абразивный и от истира­ ния. Первый возникает от абразивного действия мелких твердых частиц (загрязнений) смазки и главным образом не удаленной окалины, а второй — от усталостного состояния контактного слоя канала. Интенсивность такого износа возрастает с повыше­ нием радиального давления, которое, как известно, увеличивается

образующей канала, как указано выше, способствует отгону смазки и этим еще больше повышает износ. Радиальное давле­ ние, как показано в гл. II, в общем случае уменьшается к вы­ ходу из канала, но интенсивность этого уменьшения падает с по­ нижением обжатия. Поэтому чем меньше обжатие, тем интенсив­ нее изнашивается часть канала, расположенная ближе к выходу. Поэтому волочение с малыми обжатиями (2—5%) применяют лишь в заключительных (калибровочных) переходах. При этом износ волок тем меньше, чем больше длина калибрующей зоны.

Износ от истирания снижается с уменьшением сил трения, которые при прочих равных условиях зависят от свойств соответ­ ствующей смазки (см. гл. V), особенно при жидкостном трении. Сокращению такого износа способствует повышение скорости во­ лочения, которое приводит к уменьшению сил трения вследствие роста гидродинамического эффекта (см. гл. V), а также уменьше­ ния продолжительности контакта между инструментом и обрабаты­ ваемым металлом. Это подтверждается и меньшей стойкостью на истирание первых волок по ходу волочения на многократных ма­ шинах.

В этих волоках скорость волочения много ниже, чем в по­ следующих. На рис. 111 приведены результаты изучения стойкости

166

алмазных волок при многократном волочении с различными скоростями тонкой стальной проволоки [71].

Завышение размеров протянутого профиля и выход из поля линейных допусков находятся в прямой связи с соответствующим износом калибрующей зоны волочильного канала. Поэтому необ­ ходимо, чтобы форма образующей этой зоны и ее размеры (длина зоны) были оптимальными. Назначение зоны — такое воздей­ ствие на протягиваемый металл, при котором образующие поверх­ ности продукта волочения были бы параллельными прямыми

длине наряду с фактором, повышающим стойкость, заключаю­ щимся в запасе калибрующей поверхности (так как каждая следующая по направлению волочения поверхность стано­ вится рабочей после износа предыдущей), заметно проявляются факторы, понижающие стойкость: некоторое ухудшение ввода смазки, а также повышение сил трения.

Достаточно точное аналитическое определение оптимальной по износу длины калибрующей зоны практически невозможно из-за множества факторов, влияющих на износ, к тому же непо­ стоянных в процессе волочения. Кроме того, при обработке воло­ чильных каналов, особенно для проволоки, в массовом их произ­ водстве весьма трудно обеспечить точное соответствие заданной величине. Поэтому приходится руководствоваться результатами многолетнего производственного опыта, который учтен во многих работах, по волочильному производству, например в [24, 72—75].

167

На основе этих материалов и опыта авторов в приложении 4 при­ ведены оптимальные длины калибрующей зоны для типичных новых волочильных каналов.

Стойкость до разрушения — количество изделий, протяну­ тых через волоку до ее разрушения [70]. При этом имеется в виду не только полное, но и частичное разрушение в виде образования трещин, являющихся результатом предельной усталости материала волоки. Два первых показателя стойкости (до налипания и до износа) относятся только к волочильному каналу, а рассматривае­ мый здесь (до разрушения) относится к волоке в целом, от ее на­ чального состояния, включая все перешлифовки до полного вы­ хода волоки из рабочего состояния. По этому показателю опре­ деляют число волок, необходимых для данного выпуска продук­ тов волочения.

Рассмотренные показатели стойкости и изложенные соображе­ ния в одинаковой мере относятся к волочильному инструменту, применяемому в производстве некруглых профилей и труб.

16.ОБРЫВНОСТЬ ПРИ ВОЛОЧЕНИИ

На практике в ходе процесса волочения условия деформации непостоянны. Одни изменяются очень быстро: например, меха­ нические свойства входящего в деформационную зону металла, скорость волочения в зависимости от несовершенства передающих механизмов и т. д. Другие условия, например, связанные с из­ носом волочильного инструмента или отработкой смазки, меняются сравнительно медленно. Все эти изменения большей частью за­ трудняют процесс деформации, в результате чего сила и напряже­ ние при волочении становятся такими, что протягиваемый металл обрывается. Частые обрывы при волочении резко снижают произ­ водительность труда и оборудования. Обрывность, определяю­ щаяся числом обрывов в единицу времени, зависит от многих причин. Приведенный в данной главе анализ процесса волочения позволяет определить возможные причины обрывности и помогает разработать меры к ее уменьшению.

П е р в а я г р у п п а п р и ч и н возникает от несовер­ шенства продольного профиля волочильного канала: применение волок с углами, выходящими за пределы оптимального диапа­ зона, большая длина калибрующей зоны, недостаточный радиус закругления переходной зоны, недостаточные углы наклона об­ разующих входной и выходной зон. Все эти причины могут быть установлены при изучении слепков или другими методами (см. гл. XIV) и устранены.

В т о р а я г р у п п а п р и ч и н связана с повышенными силами контактного трения: большая шероховатость поверхности волочильного канала от плохой полировки или износа; кольце­ вые углубления на контактной поверхности, часто появляющиеся у входа в деформационную зону при недостаточном противонатя-

168

жении; недостаточная активность или вязкость смазки, а также плохое поступление ее на контактную поверхность. Для устра­ нения этих причин положительное влияние может оказать подбор подходящей температуры деформационной зоны, для чего подо­ гревают или охлаждают смазку, улучшают ее ввод, создавая ги­ дродинамическое или гидростатическое давление, и подбирают подходящие скорости волочения.

Многие исследователи (например, И. М. Павлов и А. А. Шев­ ченко [59]) отмечают понижение обрывности с повышением ско­ ростей волочения стальной проволоки на мыльной смазке. Рабо­ тами ЦНИИТМАШа (В. Ф. Мосеев [65]) показана возможность многократного волочения мягкой стальной проволоки диаметром 0,9 мм на мыльном порошке при скорости 25 м/сек с уменьшенной обрывностью по сравнению с наблюдающейся при волочении на традиционных (6—10 м/сек) скоростях. Обрывность в таких условиях может понизиться только при уменьшении коэффициента внешнего трения в результате улучшения действия смазки при соответственно повышенной температуре на контактной поверх­ ности. Однако иногда слишком высокие температуры деформационнрй зоны могут вызвать резкое уменьшение вязкости смазки или её выгорание, а это неизбежно приводит к ухудшению про­ цесса и повышению обрывности.

Т р е т ь я г р у п п а п р и ч и н включает: а) значительный изгиб проволоки у входа в деформационную зону и выхода из нёё, вследствие чего резко односторонне возрастает конт актная поверх­ ность; б) накапливание в канале волоки металлической пыли либо каких-либо других загрязнений из смазки или плен на протягивае­ мом металле. Эти причины вызывают значительное повышение напряжений волочения и часто приводят к обрыву.

В гл. X (табл. 1) указаны необходимые запасы прочности или коэф­ фициенты запаса, обеспечивающие при прочих хорошо подобран­ ных деформационных условиях надежное течение процесса воло­ чения.

П я т а я г р у п п а п р и ч и н зависит от качества протя­ гиваемого металла и имеющегося при волочении запаса пластич­ ности, а также от размеров поперечного сечения протягиваемой полосы. Предварительно сильно деформированный металл обры­ вается чаще. Поэтому приходится применять промежуточные от­ жиги, особенно при волочении быстро упрочняющихся металлов и сплавов. Иногда протягиваемая заготовка, особенно проволока, отожженная в мотках или на катушках, имеет на отдельных уча­ стках разные запасы пластичности, связанные с неравномерностью проведенного отжига, что приводит к обрыву на участках с малой пластичностью. Тонкая и особенно тончайшая проволока чаще рвется, чем проволока средних и толстых размеров.

169

Ш е с т а я г р у п п а п р и ч и н связана с пусковым пе­ риодом волочения. Обрывы могут быть вызваны плохим выпол­ нением захваток (слишком утоненные, с большим количеством раз­ ных дефектов) и слишком быстрым доведением скорости волоче­ ния до рабочей, когда инерционные силы вследствие больших ускорений могут сильно повысить напряжение волочения в за­ остренных концах и довести их до разрыва. К этой же группе от­ носится вибрация тянущего устройства («динамичность» привода машины, зубчатых передач и т. п. несовершенства). Вибрация тянущего устройства особенно часто вызывает обрывы при воло­ чении тонкой и тончайшей проволоки при высоких скоростях (большие инерционные напряжения).

С е д ь м а я г р у п п а п р и ч и н , вызывающих повышен­ ную обрывность, связана с особенностями многократного воло­ чения со скольжением и разобрана в гл. XI.

Обрывность иногда можно уменьшить, приближая приемное устройство к волоке. Это объясняется тем, что разрыв, как и вся­ кий технический процесс, происходит во времени, следовательно, если удастся принять в месте начинающегося обрыва проволоку на моток или катушку и этим разгрузить место до образования полного разрушения, обрыв будет предупрежден. Однако такой метод не может быть рекомендован, потому что при последующей обработке проволоки начавшийся процесс ее разрушения обяза­ тельно продолжится. Поэтому целесообразнее для большей уве­ ренности в хорошем качестве протянутой проволоки удлинить ее путь от волоки к приемнику, чтобы преждевременно ее не разгру­ жать; к тому же такое удлинение увеличивает упругость системы, что уменьшает обрывность в пусковом периоде.

|[17. К ОПРЕДЕЛЕНИЮ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ

ВОЛОЧИЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА

А. Волочильные каналы и волоки

Для установления конструкционных размеров волочильного канала и волоки, кроме рассмотренных технологических пара­ метров (форма продольного профиля рабочей зоны канала, угол а при коническом профиле, длина калибрующей зоны — см. при­ ложения 3 и 4), необходимо определить следующие величины: длину ,рабочей зоны, длину и формы входной и выходной зон, наружные размеры волоки. Ниже приведены основные положения и данные для определения этих величин в волоках с коническим профилем при «свободном» вводе смазки.

Длина рабочей зоны /р для нормального течения процесса должна быть несколько больше длины деформационной зоны /д, как показано на рис. 112. Объясняется это тем, что при равенстве этих длин неизбежно возникает деформация внерабочей зоны из-за несоосности канала и протягиваемой полосы, а также и

170