книги / Теория волочения

Весьма рельефно выявлено влияние степени деформации на величину искривления ранее плоских поперечных сечений про­ волоки в работе А. М. Рура [12]. Волочению подвергали предва­ рительно сваренные встык многократным холодным осаживанием образцы медной и алюминиевой проволоки и исследовали измене­ ние формы стыка. Результаты показаны на рис. 18.

12.Дополнительные сдвиги увеличиваются в осевом направ­ лении и. при повышении коэффициента внешнего трения, на ко­ торый существенно влияют чистота обработки поверхностей во­ лочильного канала и протягиваемого профиля, а также качество смазки.

13.Рост дробности деформации ведет к увеличению дополни­ тельных сдвигов и соответственно повышает неравномерность деформированного, а следовательно, и напряженного состояния протягиваемого металла.

4. НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ

ДЕФОРМАЦИОННОЙ ЗОНЫ

Напряженное состояние деформационной зоны при волочении круглого профиля через коническую волоку можно объяснить на основе общих положений теории пластических деформаций и из­ ложенных выше сведений о силах, действующих в этой зоне, а

ной зоны увеличения диаметра протягиваемой полосы, система напряжений, действующих на элементарный объем, может быть представлена схемой, приведенной на рис. 19. На каждый эле­ ментарный объем действуют следующие напряжения, создаваемые активными силами:

а) растягивающее, по направлению к выходу из зоны; б) сжимающее, перпендикулярное плоскости чертежа;

в) сжимающее, находящееся в плоскости чертежа перпендику­ лярно оси канала;

г) касательные, показанные на схеме стрелками без обозна­ чений, действующие в плоскостях, нормальных к направлениям <т*,

32

<т0 и <уг (касательные напряжения, действующие в плоскости, пер­ пендикулярной направлению tfe, т. е. в плоскости чертежа, на схеме не показаны). В тех случаях, когда направления б/, сге и аг совпадают с направлениями главных нормальных напряжений, они становятся главными, а соответствующие им касательные на­ пряжения становятся равными нулю.

В дальнейшем для облегчения представлений о напряженном состоянии деформационной зоны оно будет характеризоваться в основном главными нормальными напряжениями.

Направления главных нормальных напряжений во всех точках деформационной зоны схематически определяются объемной орто­

гональной сеткой траекторий главных напряжений, состоящей из трех групп линий, пересекающихся между собой под прямыми углами (рис. 20).

Теория пластических деформаций, используя свойства линий скольжения и связь их с траекториями главных нормальных на­ пряжений (углы между линиями скольжения и траекториями

у контактной поверхности дают с нормалями к этой поверхности

При максимально возможном напряжении трения, равном ма­ ксимальному сдвигающему напряжению, т. е. при

угол Y = -*-■

При определении угла у встречаются большие затруднения ввиду изменения тf и S Tпо длине деформационной зоны. Поэтому такое определение приходится вести методом логических допу­ щений. Таким допущением может быть предположение, что угол у близок к углу трения р (tg р = /*), т. е. что траектории главных нормальных напряжений на контактной поверхности совпадают с направлениями полных напряжений цпол. Это предположение основано на следующем:

1.Углы у и р монотонно увеличиваются с ростом /«.

2.В условиях разноименного напряженного состояния и, следовательно, при волочении, когда нормальные напряжения на контактной поверхности по условию пластичности по своей абсо­ лютной величине не превышают двойной величины максимального сдвигающего напряжения, коэффициент трения /п может превы­ сить величину 0,5. Многочисленные исследования показали, что

втехнических процессах этот коэффициент не бывает больше 1 и,

тать примерно одинаковыми.

3. На элементарных контактных площадках плоскостей, пер­ пендикулярных направлениям полных напряжений Опол, нет явно выраженных касательных напряжений.

В работе [21] получена зависимость для определения изме­ нения угла у по длине деформационной зоны.

Каждая образующая контактной поверхности имеет в мери­ диональной плоскости симметричную образующую. Поэтому рас­ сматриваемые траектории главных нормальных напряжений дол­ жны представлять собой симметричные относительно оси канала кривые и пересекать эту ось под прямыми углами, так как на эле­ ментарных площадках, нормальных к этой оси как оси симметрии деформационной зоны, касательных напряжений быть не может. Такими кривыми, вероятнее всего, должны быть линии, близкие к линиям равной кривизны, т. е. к дугам окружностей.

На основании изложенного в инженерных расчетах можно счи­ тать, что первую группу траекторий главных нормальных напря­ жений составляют дуги окружностей, лежащих в меридиональ­ ных (осевых) плоскостях (11У/ 2»^з)> симметричные к оси канала и примыкающие к контактной поверхности под углами трения р

34

к направлениям нормальных напряжений сгя, или, что то же самое,

внаправлениях, совпадающих с направлениями полных напря­ жений (Тпол, возникающих на контактной поверхности. Углы, под которыми рассматриваемые окружности примыкают к кон­

тактной поверхности, непостоянны. Их величины меняются по всей контактной поверхности примерно соответственно изменению коэффициента трения, зависящего от основных параметров про­ цесса (скорость скольжения металла относительно контактной поверхности, увеличивающаяся к выходу из канала, условия смазки, температура, величина нормального давления и т. д.).

У самого выхода из конического канала кривизна рассматри­ ваемых углов уменьшается (дуга 1в) и они переходят в прямые (линия 77). Это происходит потому, что у выхода направление об­ разующей канала на некоторой его длине (в зависимости от ве­ личины радиуса закругления г) изменяется, наклон ее к оси умень­ шается и она становится параллельной оси у самого выхода.

Вторую группу линий, определяющих траектории окруж­ ных главных нормальных напряжений, составляют окружности, лежащие в плоскостях, перпендикулярных оси канала, и симме­ тричные относительно нее. Эти линии пересекают все осевые пло­ скости, а следовательно, и линии первой группы под прямыми уг­ лами. Но в осевых плоскостях, являющихся одновременно плоско­ стями симметрии деформационной зоны, не могут возникнуть ка­ сательные напряжения. Поэтому рассматриваемые окружности при­ няты за траектории окружных главных нормальных напряжений.

Третью группу линий составляют кривые, лежащие в осевых плоскостях и пересекающиеся с линиями первой группы под пря­ мыми углами. На рис. 20 это кривые Зи 3 2, З3, . . ., <37, лежащие в осевой плоскости, совмещенной с плоскостью чертежа. Кривые этой группы могут быть приняты за траектории продольных глав­ ных напряжений, потому что других траекторий, пересекающихся

слиниями первых двух групп под прямыми углами, быть не может.

Всоответствии с изложенным главными нормальными напря­ жениями в какой-либо точке М деформационной зоны (рис. 20) являются:

сГ/м — продольное напряжение, направленное по касательной

клинии 3 м ортогональной сетки траекторий главных

напряжений. Продольные напряжения в рассматривае­ мом процессе, как правило, растягивающие. Только в тех случаях, когда у входа в канал образуется утол­ щение (см. рис. 9), в небольших кольцевых периферий­ ных участках деформационной зоны появляются про­ дольные сжимающие напряжения;

(Ггм — радиальное напряжение, направленное по касательной

к дуге окружности 1м. Радиальные напряжения всегда сжимающие;

суем — окружное напряжение, направленное по касательной

к окружности 2Му проходящей через точку М, в пло­ скости, перпендикулярной оси деформационной зоны. Окружные напряжения, как правило, сжимающие. Только в тех случаях, когда у входа в канал образуется утолщение, в этих небольших периферийных участках появляются окружные растягивающие напряжения.

Таким образом, можно считать, что при волочении круглого сплошного профиля во всех участках деформационной зоны, кроме возможных кольцевых периферийных утолщений у входа в канал, имеется по одному главному нормальному напряжению растяжения и по два главных напряжения сжатия. Последние в рассматриваемом процессе равны между собой в каждой точке деформационной зоны.

Это следует из доказанного ранее равенства окружных и ра­ диальных деформаций и общеизвестной связи между пластиче­ скими деформациями и напряжениями, выражающейся формулой

(И-11):

Что касается указанных выше утолщенных кольцевых участков, то в них могут быть зоны с тремя сжимающими главными нор­ мальными напряжениями. Образование таких зон эксперимен­ тально подтвержедено Ю. М. Матвеевым и др. в работе [20]. Эти зоны, как будет показано далее, можно ликвидировать, при­ меняя противонатяжение.

Поскольку любое напряжение растяжения принято считать положительным, а любое напряжение сжатия отрицательным, напряжение сit является в каждой точке максимальным (первым крайним) [13], а радиальное напряжение сгг, равное окруж­ ному <т0, — минимальным (т. е. вторым крайним). Отсюда условие пластичности в каждой точке пластической зоны (кроме иногда появляющегося участка всестороннего сжатия), согласно третьей н четвертой теории предельного состояния (И-ll), выражается уравнением

<*l + Gr = S T.

Уравнение (11-9) показывает, что продольное (О/), окружное (а0) и радиальное (ог) напряжения каждое в отдельности не могут превышать величины сопротивления деформации (ST).

Условие (11-9) в упругой зоне не соблюдается. В ней по на-

36

правлению к пластической зоне все главные напряжения растут до тех пор, пока не наступит условие (11-9) и вместе с ним не начнется пластическая деформация. Это показывает, что в упру­ гой зоне (если она имеется) напряжение с1п а с ним и <г0 могут превышать ST, что подтверждается данными работы [14].

Наблюдающееся иногда у входа в волочильный канал (см. рис. 9 и 10) увеличение диаметра (подъем металла) является пря­ мым следствием отклонения траекторий главных радиальных на­ пряжений от направлений, перпендикулярных оси волочильного канала (рис. 20). С увеличением а и fn возрастает это отклонение, а с ним и вероятность подъема металла. Это подтверждается и практикой. Небольшие кольцевые участки, образующиеся в зоне подъема металла у входа в во­

образца (см. рис. 13). Уменьшение интенсивности отпечатков более заметно у выхода металла из деформационной зоны и зна­ чительно менее заметно у входа в нее. Это дает основание пред­ положить, что сжимающие напряжения (и окружные, и радиаль­ ные) в центральных участках пластической зоны уменьшаются от входа к выходу интенсивнее, чем в периферийных слоях. При некоторых условиях процесса (большие рабочие углы, коэффи­ циенты трения и вытяжки) на участке осевой части деформацион­ ной зоны, прилегающем к выходу, напряжения сжатия могут уменьшиться до нуля, а напряжения растяжения увеличиться до величины сопротивления пластической деформации ST.

Уменьшение сжимающих окружных и радиальных напряжений от периферии к центру объясняется тем, что каждый кольцевой слой (рис. 21) можно рассматривать как кольцевую оболочку, на наружной поверхности которой действует активное нормальное напряжение сгГн, а на внутренней — реактивное оГв. Вследствие

разгружающего действия окружных напряжений, возникающих в стенках кольца, агв<сг,.н.

По мере приближения поперечного сечения протягиваемого металла к выходу из волочильного канала продольные растяги-

37

вающие напряжения at возрастают. Это происходит потому, что в установившемся процессе волочения поперечное сечение по на­ правлению к выходу уменьшается, а объем металла между этим сечением и сферой входа в деформационную зону, т. е. металла, деформируемого от силы, передаваемой рассматриваемым попереч­ ным сечением, увеличивается.

Так как в деформационной зоне упрочнение при волочении обычно идет менее интенсивно, чем рост продольных напряжений растяжения, то, согласно уравне­ нию (П-9), рост этих напряжений вызывает в пластической зоне сни­ жение сжимающих окружных и радиальных напряжений. Это сни­ жение может быть большим или малым в зависимости от степени деформации при волочении и ин­ тенсивности упрочнения. Изуче­ ние продольных и радиальных на­ пряжений при волочении, прове­ денное Томпсоном и Бароном [15] на образцах из прозрачной пласт­ массы оптическим методом, пока­ зало (рис. 22) такой же характер изменения напряжений по длине деформационной зоны. К данной схеме следует добавить, что изме­ нение продольных и радиальных

ставлена на рис. 23, не требующем особых пояснений. Это объясняет упоминавшееся ранее уве­ личение интенсивности отпечатков координатной сетки у входа

вдеформационную зону, где ввиду малых продольных растя­ гивающих напряжений возникают большие радиальные и окруж­ ные напряжения, обусловливающие высокую интенсивность рас­ сматриваемых отпечатков.

Из рис. 23 можно заключить, что при больших обжатиях, когда О/ сильно увеличивается, Ог сильно уменьшается. Это подтверж­ дается известным в практике волочения более медленным износом

ввыходной части волочильного канала при больших обжатиях за переход, чем при малых. Это происходит потому, что при повы­ шении обжатия растягивающие напряжения у выхода возрастают,

арадиальные падают. Уменьшение радиальных напряжений сни­ жает силы трения и износ волоки у выходной части. При малых обжатиях растягивающие напряжения невелики, следовательно,

38

большими становятся радиальные напряжения, а с ними повы­ шаются силы трения и износ.

При отсутствии противонатяжения у входа полосы в волочиль­ ный канал радиальные напряжения с1Г и, следовательно, нормаль­ ные напряжения на контактной поверхности ап имеют наибольшие значения, особенно высокие в зоне трехосного сжатия. Они и вы­ зывают наибольшие силы трения, от которых происходит интен­ сивный износ канала. Это полностью подтверждается практикой. На рис. 24 схематически показан обычно наблюдающийся при

личивается от образования зон трехосного сжатия и соответству­ ющего повышения напряжений на контактной поверхности. Ниже (см. п. 5) показано, что при достаточном противонатяжении такой вид износа волок наблюдается значительно реже.

На рис. 22 представлены кривые, показывающие характер из­ менения продольных и радиальных главных нормальных напря­ жений вдоль деформационной зоны в различных ее концентриче­ ских слоях, а также неравномерное распределение растягивающих напряжений в плоских поперечных сечениях, параллельных оси. Растягивающие напряжения в центральных слоях больше, чем в периферийных, а после выхода — меньше, чем в периферийных. Такое перераспределение происходит вследствие того, что у выхода из рабочей зоны канала траектории продольных главных нор­ мальных напряжений периферийных слоев изгибаются резче, чем соответствующие траектории центральных слоев, а изгиб траекторий, как это показано далее, вызывает увеличение про­ дольных напряжений.

Кроме того, у выхода радиальные напряжения вследствие окон­ чания обжимающего действия волоки падают до нуля, а продоль-

39

ные растягивающие напряжения от сил контактного трения растут от центра к периферии. Характер распределения продольных рас­ тягивающих напряжений по плоским поперечным сечениям де­ формационной зоны схематически показан на рис. 25. Характер распределения этих напряжений изменяется у выхода на участке

это нарушение начинается в бли­ жайших к центру слоях как наиболее нагруженных растя­ жением, и затем по мере продвижения металла в канале и увели­ чении растягивающих напряжений это нагружение передается близлежащим, но более отдаленным от центра слоям металла. Эти слои во время продвижения по каналу, как было пока­ зано ранее, несколько отста­ ют от центральных, в резуль­ тате . чего обе поверхности разрыва принимают форму конусов с углом при вершине, направленным в сторону во­ лочения, а сами поверхности несколько отходят одна от другой, и в протягиваемом металле образуется примерно через одинаковые промежут­ ки ряд довольно близких по величине и форме пустот.

Схема образования таких пус­ тот приведена на рис. 26, а на рис. 27—фотография продольного

разреза медного протянутого прутка диаметром 30 мм с такими пустотами. Заготовка для волочения этого прутка была получена прессованием, и исследование его макроструктуры показало зна­ чительную пористость в центральных слоях, которая частично и послужила причиной внутренних разрывов. На рис. 28 приведена фотография продольного разреза вольфрамовой проволоки диа-

40