книги / Теория волочения

профиля позволяет получать протянутое изделие с гладкой бле­ стящей поверхностью и достаточно точными размерами попереч­ ного сечения.

В некоторых специальных случаях, когда деформируемый ме­ талл в ненагретом (холодном) состоянии имеет недостаточную вязкость или высокое сопротивление деформации, волочение ведут с предварительным подогревом. Например, при волочении цинко­ вой проволоки для увеличения вязкости заготовки ее предвари­ тельно подогревают до 80—90° С, погружая моток в нагретую воду. В деформационной зоне температура проволоки доходит до 120—150° С, т. е. до температуры, при которой у цинка обра­ зуется максимальное число систем скольжения. При волочении

Нагревательная

капера

Ч

труднодеформируемых сталей, например быстрорежущей, сталей мартенситного класса типа ВНС-2, ВНС-5, а также титановых сплавов предварительный нагрев доводят до 500—700° С. При волочении вольфрама и молибдена, отличающихся в холодном со­ стоянии особо высоким сопротивлением пластической деформации, их предварительно нагревают до 800—900° С. Нагрев осуществ­ ляют, пропуская протягиваемый металл через нагревательную камеру, установленную перед волокой (рис. 3), электроконтактным способом и т. д.

В настоящее время процессы волочения с предварительным нагревом внедряют при производстве профилей сложных форм и для уменьшения сопротивления деформации в тех случаях, когда это допускается требованиями к поверхности, механическим свойствам и точности размеров поперечного сечения.

Иногда волочение ведут с предварительным охлаждением ме­ талла до —100° С и ниже, например при волочении проволоки из некоторых сталей аустенитного класса для увеличения ее проч­ ности. Для этой же цели охлаждение используют при волочении наитончайших размеров проволоки из чистейшего алюминия.

Применяют волочение с вибрацией волоки и металла. В не­ которых случаях такой процесс приводит к значительному улуч­ шению деформационных условий.

Все способы волочения характеризуются тремя особенностями, отличающими их от прочих видов обработки металлов давлением:

11

а) линейные размеры сечения протягиваемого металла умень­ шаются до заданных величин во всех направлениях одновременно; б) возможность получения сплошных и полых профилей с про­ извольной конфигурацией поперечного сечения, не изменяющегося

по длине профиля; в) величина деформации за один переход ограничивается ма­

ксимально допустимым напряжением растяжения, возникающим в поперечном сечении протягиваемого металла у выхода из де­ формационной зоны.

Естественно, что это не ограничивает величины суммарной деформации, которой может быть подвергнут металл при волоче­ нии. Рядом последовательных протяжек с промежуточными отжи­ гами можно получить суммарную деформацию любой величины.

Волочение применяют:

1.Для производства профилей большой длины, малых и очень малых сечений различных форм с отношением ширины к толщине поперечного сечения, не превышающим примерно 12. Такие из­ делия называются проволокой.

Вследствие большой длины проволоку либо свертывают в мотки, либо наматывают на катушки. Волочением можно получить про­ волоку диаметром до 6—8 мкм. Для дальнейшего утонения при­ ходится применять другие, «безволочные» процессы, например равномерное растяжение, рассмотренное в конце данной главы или электролитическое растворение периферийных слоев.

2.Для производства сплошных профилей средних и больших сечений разных форм с отношением ширины к толщине поперечного сечения, не превышающим примерно 20, а также в том случае, когда требуется получить сечение с минимально возможными отклонениями от заданных размеров или чистую и гладкую поверх­ ность. Такие профили обычно протягивают до небольшой длины (7—12 м) и не сматывают.

3.Для производства полых профилей (труб) разных форм и сечений и особенно тонкостенных. Волочением получают трубы диаметром до 0,5 мм с толщиной стенки до 0,05 мм, а иногда и меньше.

Процесс волочения принято характеризовать следующими ос­ новными геометрическими показателями: а) вытяжка; б) интеграль­ ная деформация удлинения; в) относительное обжатие; г) относи­ тельное удлинение

По своему существу все эти показатели в разных математиче­ ских выражениях характеризуют главную деформацию удлинения осевого слоя, которая в процессе волочения является максималь­ ной по отношению к поперечным и поэтому достаточно полно от­ ражающей деформационную сторону процесса. Это следует иметь

ввиду, так как в дальнейшем изложении под термином «степень деформации» (если нет специальных указаний) подразумевается именно эта, т. е. главная деформация удлинения осевого слоя.

12

Каждый из показателей, приведенных в табл. 1, характери­ зует изменение поперечного сечения деформируемого металла и длины полосы в процессе волочения. Поэтому все перечисленные показатели связаны между собой точными геометрическими соот­ ношениями, приведенными в табл. 1 и основанными на законе практического постоянства объема при пластических деформациях. В расчетах часто применяют показатель б — «относительное обжа­ тие», представляющий собой отношение уменьшения поперечного сечения протягиваемого металла к начальному поперечному се­ чению (до волочения). Применение этого показателя, перенесен­ ного из теории упругих деформаций, нельзя считать достаточно теоретически обоснованным.

Если мысленно разделить любой процесс волочения на не­ сколько этапов и соответственно распределить (по этим этапам) полное уменьшение поперечного сечения протягиваемой полосы за рассматриваемый процесс, то станет очевидной необоснован­ ность определения степени деформации конечного и любого про­ межуточного этапа процесса, при котором уменьшение сечения по­ лосы на этом участке относят к начальному сечению первого этапа, а не к начальному сечению данного этапа. Иначе говоря, если на­ чальные сечения каждого из этапов обозначить через FH, Flt F2; Fm\ Fm+1, то степень деформации m-го этапа логичнее опре­

делить по отношению -- ~ —+1, чем по отношению —~F-m+1 .

13

t Между тем,, применяя показатель «относительное обжатие»

для всего процесса в виде выражения — ^ , степень деформа­

ции на каждом этапе учитывают по второму, менее обоснованному отношению. При этом получают заниженные значения и общей степени деформации, и для каждого участка, потому что F„ > Fm.

Необоснованность применения показателя «относительное об­ жатие» становится особенно заметной при сравнении больших пла­ стических деформаций. Пусть для примера сравниваются про­ цессы с обжатиями 98 и 99%. На первый взгляд может показаться, что эти процессы по степени деформации почти одинаковы (отли­ чаются всего на 1%). Между тем, если определить вытяжку \i для обоих процессов по формуле, приведенной в табл. 1 (р- =

= 1 )* станет очевидным, что вытяжка при втором процессе

вдвое больше, чем при первом, так как

Поэтому рассматриваемые степени деформации считать близ­ кими нельзя. Если сравнить обжатия еще большей величины, то получатся еще более заметные расхождения.

Рассуждая так же, можно считать недостаточно обоснованным

и применение показателя «относительное удлинение» X, который

вотличие от показателя 6 дает завышение степени деформации. Только в области упругих деформаций металлов, отличающихся,

как известно, весьма небольшими относительными значениями, в итоге практически получаются одни и те же величины независимо от того, отнесена разность сечений к начальному или конечному сечению.

В связи с изложенным большое значение в расчетах имеет интегральная деформация удлинения, численные значения которой

Интегральные деформации удлинения, соответствующие обжа­ тиям 98 и 99%, сравнивавшимся ранее, равны соответственно 3,9 и 4,6, т. е. заметно отличаются одна от другой и этим создают более правильные представления о степенях деформации в подобных процессах. Важным расчетным свойством этого интегрального показателя является его «аддитивность», т. е. возможность сум­ мирования показателей нескольких следующих один за другим переходов. Таким свойством показатели б и X не обладают. Однако то, что в теории пластических деформаций продолжают применять показатели б и X, объясняется, с одной стороны, влиянием теории упругих деформаций, а с другой — простотой определения этих показателей.

14

Следует, однако, иметь в виду, что все перечисленные показа­ тели степени деформации полностью не отражают деформирован-9 ного состояния обрабатываемого металла. В волочении, как и во всяком техническом процессе обработки металлов давлением, удли­ нение или укорочение отдельных элементов обрабатываемого ме­ талла в общем случае, помимо основных, или «чистых», сдвигов, сопровождается дополнительными, или «простыми», сдвигами [3— 7]. Только при удлинениях или укорочениях, протекающих в на­ правлениях главных деформаций, дополнительные сдвиги отсут­ ствуют.

В гл. II показано, что даже в самом простом процессе волоче­ ния круглого сплошного профиля из сплошной круглой заготовки удлиняются без дополнительных сдвигов только те бесконечно малые элементы деформируемого объема, которые расположены на оси волочильного канала и у которых направления их главной оси деформации совпадают с направлением оси канала. У всех же остальных бесконечно малых элементов деформируемого объема направления главной оси деформации не совпадают с направле­ нием оси волочильного канала и поэтому удлинения элементов в направлении оси канала сопровождаются дополнительными сдви­ говыми деформациями. Величины этих деформаций зависят от формы волочильного канала и других деформационных условий процессов. Доказано (см. гл. II), что удлинения всех элементов, не расположенных на оси канала, в направлениях их главных осей деформации превышают соответствующие удлинения элементов, расположенных на оси канала.

Поэтому следует иметь в виду, что приведенные ранее пока­ затели степени деформации отражают лишь удлинения в направ­ лении оси канала, не учитывают дополнительных сдвигов, воз­ никающих во всех слоях в направлении этой оси, и поэтому зани­ жены по сравнению с деформациями удлинения каждого из эле­ ментарных слоев, кроме центрального, и, следовательно, по сравне­ нию со средним значением действительных деформаций удлинения. При волочении некруглых и полых профилей необходимо привле­ кать дополнительные показатели относительных деформаций, ко­ торые приведены при рассмотрении этих процессов.

Скорость волочения, под которой обычно понимают скорость движения металла после выхода его из волоки, колеблется в очень больших пределах: от 2 до 3000 м/мин. Скорости волочения зави­ сят от множества самых разнообразных факторов, влияние ко­ торых подробно разобрано дальше. В основном можно считать, что заготовки больших сечений подвергают волочению с меньшими скоростями, чем заготовки малых сечений. Твердые и маловязкие сплавы (например, легированную сталь, нихром, бронзу, вольфрам и т. п.), а также малопрочные металлы (например, свинец) протя­ гивают с малыми скоростями. Наибольшие скорости применяют при волочении медной проволоки.

15

Глава II

ВОЛОЧЕНИЕ СПЛОШНЫХ ПРОФИЛЕЙ

1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Несмотря на кажущуюся простоту процесса волочения и то, что он применяется в состоянии, близком к современному,

более 100 лет [1 ], многие его элементы изучены еще недостаточно. На этот процесс влияет большое число самых разнообразных фак­ торов, причем пока для многих из них трудно установить не только количественные, но иногда даже и качественные зависимости.

Как будет показано далее, преимущественное влияние на те­ чение процесса оказывают прочностные и пластические свойства протягиваемого металла, степень и скорость деформации, форма профиля волочильного канала, материал волоки, качество тру­ щихся поверхностей и смазка, а также тепловые процессы, про­ исходящие при волочении. В течение последних 35 лет проведено много работ по изучению характера течения металла и его напря­ женного состояния при волочении. Цель этих исследований — установить условия, способствующие получению оптимальных характеристик протянутого изделия (точность размеров, минимум остаточных напряжений, чистота обработки поверхности, уровень механических свойств, качество макро- и микроструктуры), а также условия, препятствующие получению этих свойств, т. е. способствующие появлению тех или иных дефектов. Зная эти условия, можно так организовать процесс, чтобы получить опти­ мальные результаты.

Наиболее прост и распространен, а потому и лучше изучен процесс волочения круглого сплошного профиля через канал ко­ нической или близкой к ней формы. Такой процесс может служить базой для исследования процессов волочения, протекающих в бо­ лее сложных условиях, поэтому далее приведен детальный анализ этого наиболее простого процесса.

2.ДЕФОРМАЦИОННЫЕ УСЛОВИЯ ПРОЦЕССА ВОЛОЧЕНИЯ

КРУГЛОГО ПРОФИЛЯ

Процесс деформации протягиваемого металла в круглом во­ лочильном канале состоит в следующем.

К круглой заготовке А с начальным сечением FH приложена сила волочения Р, под воздействием которой полоса протяги­ вается через канал волоки В (рис. 4) с выходным сечением Рк. Стенки канала давят на протягиваемую полосу и обжимают ее по всей контактной поверхности в каждой ее точке. Элементарные силы давления волоки на протяги^аемый---ме4ралл^А^гтвБНЯ,1ают

со стороны металла элементарные реактивные силы, одинаковые по величине с активными, но направленные в противоположные стороны. Вследствие движения металла в канале на контактной поверхности возникают элементарные силы трения dT, направ­ ленные по касательным к поверхности канала в различных ее точках и действующие на металл в направлении, обратном его движению. Величина этих элементарных сил трения определяется

Рис. 4. Механическая схема процесса волочения круглого сплош­ ного профиля

нического взаимодействия трущейся пары, не принимает во вни­ мание силы межатомного или межмолекулярного притяжения, возникающие на контактной поверхности. Более точным законом, учитывающим эти силы, является закон трения в формулировке, предложенной Б. В. Дерягиным [3]. Однако ввиду того, что меж­ атомные силы притяжения в технических процессах обработки металлов давлением из-за влияния смазки, окислов, газовой среды, разделяющих контактные поверхности, ничтожно малы по сравне­ нию с силами механического взаимодействия трущейся пары; в практических расчетах эти силы не учитывают. В гл. VII дано обоснование применения закона Кулона—Аммонтона для учета сил трения при волочении.

Скорость скольжения на контактной поверхности возрастает от входа в канал к выходу из него,так как по закону практического постоянства объема скорость движения металла в канале увели­ чивается пропорционально уменьшению его поперечного сечения. Таким образом, скорость скольжения на выходе из канала равна скорости волочения vBf а скорость скольжения у входа в канал

равна

г Н

18

Соответственно изменяются и скорости скольжения протя­ гиваемого металла по контактной поверхности. Коэффициент трения скольжения зависит от скорости скольжения и ряда других факторов, также изменяющихся подлине канала (температура, ка­ чество поверхности, условия смазки и т. п.). Это следует иметь в виду при разработке элементов, связанных с величиной коэффи­ циента трения на контактной поверхности волочильного канала. Весь комплекс перечисленных сил, действующих на протягивае­ мый металл в деформационной зоне, вызывает в подавляющем большинстве элементарных объемов напряженно-деформирован­ ное состояние, характеризующееся двумя сжимающими напря­ жениями, из которых одно радиальное, а другое окружное (в от­ личие от тангенциального — касательного [4]), и одним осевым, преимущественно растягивающим напряжением (рис. 4), а также двумя поперечными деформациями укорочения и одной деформа­ цией удлинения, являющейся максимальной, так как эта дефор­ мация по своему знаку отличается от двух других.

3. ХАРАКТЕР ТЕЧЕНИЯ И ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ МЕТАЛЛА В ДЕФОРМАЦИОННОЙ ЗОНЕ

Опыт показывает, что характер взаимного перемещения ча­ стиц металла в деформационной зоне при волочении симметричных профилей хорошо иллюстрируется изменением формы и линей­ ных размеров ячеек и линий квадратной или прямоугольной коор­ динатной сетки, нанесенной на плоскости симметрии протягивае­ мого профиля. Чтобы провести такой опыт, готовят состоящий из двух одинаковых частей разъемный по плоскости симметрии обра­ зец с размерами поперечного сечения и длины, позволяющими на­ нести на плоскости разъема сетку с небольшими ячейками и про­ тянуть этот образец через волоку. Плоскости разъема хорошо при­ шлифовывают одну к другой, на одну из них наносят резцом или накаткой [5, 6] тонкую координатную сетку, затем обе части об­ разца соединяют и протягивают через волоку. После этого раз­ бирают образец и изучают изменения угловых и линейных раз­ меров ячеек координатной сетки.

Ввиду того что на плоскостях симметрии частицы металла взаимно не перемещаются, сдвигающие силы на этих плоскостях не возникают. Поэтому можно считать, что характер течения ме­ талла образца, составленного из таких частей, совпадает с харак­ тером течения металла из цельной заготовки такого же профиля. Разъемный образец круглого профиля в разобранном и собранном виде показан на рис. 5. Описанным методом проведено много ис­ следований (П. И. Минин [7], Э. Зибель [8] и др.), которые дали в основном совпадающие результаты. По ним можно составить ясное представление о характере течения металла при волочении

круглых сплошных профилей через конический канал. На рис. б приведена схема изменения координатной сетки, составленная в соответствии с упомянутыми результатами и практическими на­ блюдениями. На основании этой схемы можно составить представ­ ление о характере течения металла при волочении круглого сплош-

Рис. 5. Разъемный образец круглого сплошного профиля для изу­ чения характера деформаций при волочении:

а — в сборке; б — в разобранном виде

ного профиля в коническом канале. Он определяется положениями, приведенными ниже.

1. Ячейки координатной сетки, имевшие до волочения форму квадрата, после волочения принимают формы:

а) в центральных слоях — близкие к.прямоугольникам, вытя­ нутым в направлении волочения и укороченным в радиальном на­ правлении;

б) в периферийных слоях — близкие к параллелограммам, также вытянутым в направлении волочения и укороченным в ра­ диальном направлении.

Прямые углы ячеек переходят соответственно в тупые и острые, причем интенсивность искажения углов увеличивается от центра к периферии и становится тем больше, чем больше угол наклона образующей канала а и коэффициент трения /п;

в) вписанные в квадратные ячейки круги, попадая в деформа­ ционную зону, сжимаются в направлении нормальных сил dN, сдвигаются от силы трения dT (сжимаются в направлении резуль­ тирующей dR) и превращаются в эллипсы, постепенно вытягива­ ющиеся к выходу из канала. Большие оси эллипсов, находящиеся в одном продольном ряду ячеек, обычно не совпадают с линией, соединяющей центры ячеек эллипсов (сравнить направления ли­ ний 2—Зу 5—5, 6—6 и т. д.), и составляют с осью канала (X—X) углы, постепенно уменьшающиеся к выходу. При этом следует заметить, что направления линий / —2, 2—3t 3—4 не совпадают не из-за поворотов ячеек и эллипсов, а в результате их деформаций и проявления так называемого «геометрического фактора», отме­ ченного И. М. Павловым [9].

20