книги / Теория волочения

опоры будет радиальное — по направлению к оси трубы. При отсутствии интенсивного арочного эффекта толщина стенки на участке осаживания по направлению к выходу из него будет уве­ личиваться.

Рис. 46. Схема процесса осаживания вдавливанием, применяемого при задаче трубы в волочильный канал:

а — вдавливание в волоку; б — начало процесса волочения; / — по­ движный зажим; 2 — волока

При утолщении стенки трубы может произойти в зависимости от деформационных условий как укорочение, так и удлинение трубы. При большом утолщении стенки труба укорачивается,

Рис. 47. Схема видов напряженно-деформированного состояния деформационной зоны при осаживании трубы вдавливанием в условиях малого арочного эффекта:

а — схема деформационной зоны; б — схема напряженного состояния; в — схема дефор­ мированного состояния при утолщении стенки и укорочении трубы; г — схема деформиро­

ванного состояния при утонении стенки и удлинении трубы

при небольшом удлиняется. Соответственно изложенному на рис. 47 приведена схема напряженно-деформированного состояния деформационной зоны при осаживании трубы вдавливанием.

Изменение напряженного состояния при осадке вдавливанием по сравнению с осадкой волочением существенно влияет на сило­ вые и деформационные условия процесса.

61

Как показано в работе [17, с. 37], при одинаковых деформа­ ционных условиях напряжение осаживания вдавливанием за­ метно больше, чем напряжение осаживания волочением, причем эта разница тем больше, чем выше величина вытяжки за переход. В работах [17, с. 37; 18] отмечено, что утолщение стенки при вдав­ ливании также выше, чем при волочении. Это различие тем больше,

чем выше параметр 7 и степень деформации на переход.

Если при волочении увеличение рабочего угла волоки вызы­ вает или уменьшение утолщения, или увеличение утонения

стенки, то при вдавливании с увеличением рабочего угла или воз­ растает утолщение, или уменьшается утонение. Кроме того, зна­

чение параметра 7, при котором стенка неизменна, при осаживании вдавливанием выше, чем при осаживании волочением. Сказанное хорошо подтверждается пространственной диаграммой (рис. 48), заимствованной из работы К. Н. Рейхерта [19].

Рассмотренное напряженное состояние позволяет для осажи­ вания вдавливанием записать следующее условие Пластичности:

К. Н. Рейхерт, используя методику, разработанную Ю. Ф. Шевакиным, А. А. Чернявским и А. Б. Ламиным, вывел следующую зависимость для определения изменения толщины стенки при осаживании вдавливанием:

62

Проверка этой формулы показала хорошую сходимость рас­ четных и экспериментальных результатов.

При осаживании вдавливанием также возможно образование продольных складок.

Однако вследствие иной схемы напряженного состояния, а также интенсивного утолщения стенки при осаживании вдавли­ ванием потеря устойчивости трубы в этом процессе может наблю­ даться только при более высоких (чем при осаживании волочением)

значениях параметра 7.

3. ВОЛОЧЕНИЕ КРУГЛЫХ ТРУБ

НА ЗАКРЕПЛЕННОЙ ОПРАВКЕ

Для получения труб со строго лимитированными значениями диаметра и стенки наиболее часто используют процесс волочения на оправках: закрепленной, самоустанавливающейся и подвижной. Закрепленная оправка чаще всего имеет цилиндрическую форму, иногда ей придают форму цилиндро-коническую.

Процесс волочения на закрепленной оправке цилиндро-кони­ ческой формы идентичен процессу волочения на самоустанавли­

вающейся оправке, поэтому он рассмотрен в следующем разделе. Чтобы цилиндрическая оправка под действием сил трения не увле­ калась трубой, ее закрепляют на неподвижном стержне (рис. 49). Ввиду того что вся система закрепления оправки не может быть выполнена абсолютно жесткой, оправка в процессе волочения (при изменении силовых условий) может иметь некоторые продольные перемещения, однако цилиндрическая форма оправки обеспечи­ вает постоянство толщины стенки по всей длине протянутой трубы.

Как видно на рис. 49, деформационную зону можно разделить на три участка: / — осаживания; II — справочного волочения и

63

I l l — калибрующий. Первый участок по своему назначению не отличается от первого участка деформационной зоны при воло­ чении трубы без оправки.

Второй участок ограничивается поперечными сечениями, про­ ходящими через линию контакта внутренней поверхности трубы с оправкой и линию конца деформации наружного диаметра. На этом участке внутренний диаметр трубы остается неизменным.

В деформационной зоне действуют растягивающие напряже­ ния О/ и сжимающие напряжения а0 и аг, под действием которых

ности повышает удельные затраты энергии на осуществление процесса.

В отличие от безоправочного волочения здесь наблюдается де­ монотонность деформации, обусловленная изменением знака ра­ диальной деформации. На участке безоправочного волочения де­ формация ег положительная (утолщение стенки), а на участке оправочного волочения ег отрицательная (утонение стенки).

Демонотонность деформации увеличивает энергетические за­ траты на осуществление процесса, поэтому напряжение волочения при прочих равных условиях тем выше, чем больше утолщение стенки на участке безоправочного волочения. Поэтому при воло­ чении на цилиндрической оправке следует по возможности умень­ шать зазор С = dH— dont что приводит к уменьшению утолще­ ния стенки на участке безоправочного волочения, к лучшей цен­ тровке оправки и к уменьшению разностенности протягиваемой трубы. Так как зазор С мал, внутренний диаметр трубы почти не уменьшается, а сокращаются лишь наружный диаметр и толщина стенки трубы. Это характерная особенность волочения на цилин­ дрической оправке.

Третий участок деформационной зоны образуется цилиндри­ ческими поверхностями волочильного канала и оправки. На этом участке пластическая деформация практически не происходит и энергия расходуется лишь на внешнее трение. Поскольку по вы­ ходе трубы из волочильного канала внеконтактному уменьшению размеров поперечного сечения препятствует оправка, наружный диаметр трубы вследствие упругого последействия всегда не­ сколько больше диаметра калибрующей зоны канала. Волочение на закрепленной цилиндрической оправке позволяет получить трубы достаточно точных размеров. К дополнительным преиму­ ществам таких оправок относится простота их изготовления и относительная несложность настройки процесса волочения.

Однако использование закрепленной цилиндрической оправки лимитируется величиной внутреннего диаметра трубы, так как при малом диаметре жесткость стержня, на котором крепится оправка, часто недостаточна.

64

При волочении трубы на оправку действуют две группы сил, из которых нормальные силы NKt действующие на конический уча­

ния между трубой и оправкой) втягивают ее в деформационную зону.

Проектируя эти силы на ось волочения, получаем уравнение

об оправку.

Таким образом, при всех условиях образующая конической части оправки должна быть наклонена к оси оправки под углом а оп, большим, чем угол трения трубы об оправку. В противном случае либо оправка вместе с трубой пройдет через волоку,если началь­ ный диаметр оправки dor,Hбудет слишком мал, либо оправка так

сильно зажмет трубу в канале волоки, что волочение станет не­ возможным и труба оборвется. Кроме того, для правильного те­ чения процесса необходимо, чтобы а оп ^ а. При несоблюдении этого условия в начальный момент процесса на оправке не будет

создаваться сил, противодействующих силам 2 7ц, втягивающим оправку в трубу. Вследствие этого оправка переместится по ходу волочения и зажмет трубу в канале волоки так, что она неизбежно оборвется. Виды напряженного и деформированного состояний деформационной зоны при волочении на цилиндро-конической оправке в основном не отличаются от описанных для волочения на закрепленной цилиндрической оправке (см. рис. 49), однако ее деформационная зона несколько более сложна. В общем случае она может быть разделена на пять участков (рис. 51).

Первый участок (/) — безоправочного волочения. При прочих одинаковых условиях и равенстве зазора С длина этого участка 1\ всегда больше такого же участка при волочении на цилиндрической оправке и растет с увеличением угла аоп. Это приводит к утолще­ нию стенки трубы в конце этого участка t\. Теоретический макси­ мум длины 1[ можно определить в предположении отсутствия утол­ щения стенки, т. е. при t\ = /„• В работе [23] показано, что при таком предположении

С

(Ш -8 )

tg а — tg а оп

66

Несмотря на некоторую условность этой связи, она указывает на целесообразность возможного уменьшения зазора С и угла аоп, что следует учитывать при разработке геометрии оправки.

Повышенное осаживание (уменьшение диаметра трубы) на пер­ вом участке увеличивает вероятность образования на трубе про­ дольных складок вследствие описанной ранее возможной потери поперечной устойчивости. Это проявляется тем интенсивнее, чем

меньше величина относительной толщины стенки трубы t.

На втором (II) у третьем (III) и четвертом (IV) участках осу­ ществляется основная деформация, при которой уменьшаются

готовки не могут быть одинаковыми. При волочении на цилиндро­ конической оправке диаметры заготовки должны быть больше, а толщина стенки меньше соответствующих величин при волоче­ нии на цилиндрической оправке, т. е. при

^ц . к= ^ ц.к> Ив, и И,ц к < (% . (Ш-8а)

В этом еще одно важное различие между деформационными усло­ виями обеих рассматриваемых разновидностей процесса.

Третий участок характерен тем, что на нем труба вследствие изменения направления продольных напряжений несколько от­ ходит от поверхности оправки. В работе [24] показано, что в на­ чале этого участка толщина стенки трубы мало отличается от начальной толщины tH и что основное утонение стенки происходит на участке IV. Пятый участок является обычной калибровочной зоной.

Неизбежное колебание нормальных сил и сил трения на оправке, возникающее вследствие некоторой неоднородности ме­ ханических свойств трубной заготовки по ее длине и условий смазки, вызывает нарушение равновесия сил, действующих на оправку [см. уравнение (III-7)], и некоторое периодическое воз­ вратно-поступательное движение оправки, которое может нару­ шить стабильность процесса. Такое движение экспериментально

установлено в работе [25]. Далее показано, что стабильность про­ цесса в некоторой мере зависит от геометрии оправки, качества ее поверхности и условий смазки.

Стабильным следует считать процесс, при котором из заготовки заданных размеров получается труба заданных размеров, одина-

Рис. 52. Схемы к определению возможных крайних по­ ложений оправки:

а — недопустимое положение; б — возможное крайнее переднее положение; в — теоретически возможное край­

нее заднее положение

ковых по всей ее длине. Это условие требует ограничения перед­ него положения оправки. Действительно, если оправка попадает в положение, показанное на рис. 52, а, когда наименьшее расстоя­ ние между коническим участком оправки и каналом волоки tM меньше заданной конечной толщины стенки трубы tK3, то либо

68

получится труба с уменьшенной толщиной стенки tKy и увеличен­

ным внутренним диаметром, либо произойдет ее обрыв. Поэтому возможным крайним передним положением оправки может быть лишь такое, при котором это расстояние /м равно /Кз, как пока­

зано на рис. 52, б. Чтобы оправка в процессе волочения не про­ скакивала в волоку и после протяжки трубы оставалась в волоке, диаметр заднего цилиндра оправки должен быть больше диаметра отверстия волоки. В работе [25] показано оптимальное соотноше­ ние между этими параметрами done = DK+ 0,5 мм.

Крайнее заднее положение оправки определяется лишь при теоретически возможном предположении отсутствия сил контакт­ ного трения (fn = 0). При таком предположении конический уча­ сток оправки не может находиться в контакте с трубой, так как в противном случае оправка под влиянием нормальных напряже­ ний на контактной поверхности из-за отсутствия сил трения будет отодвигаться в сторону, противоположную направлению волоче­ ния, до момента исчезновения контакта. Такое положение оправки показано на рис. 52, в. В работе [26] приведен подробный теоре­ тический анализ, относящийся к крайним положениям оправки, и доказано, что расстояние между этими положениями / (на ри­ сунках не приведено) должно удовлетворять неравенству

к щ ~ ПС° ^ П> / Ы к tgbg . (Ш*9)

Интервал возможного (без нарушения процесса) осевого пере­ мещения оправки служит основным критерием стабильности про­ цесса. Чем этот интервал больше, тем больше и стабильность. Не­ равенство (П1-9) показывает, что этот интервал, а следовательно, и стабильность растут с уменьшением аоп и увеличением р/, т. е. вытяжки по стенке.

В этой же работе приведен анализ силовых условийчца всех участках оправки и доказано, что процесс становится стабильнее с уменьшением коэффициента трения. С ростом аоп следует уве­ личить длину переднего цилиндрического участка оправки /Цк#

при снижении величины начального диаметра оправки dOTlH не­ обходимо уменьшить длину /Цк и наоборот. Эти теоретические

выводы полностью подтвердились экспериментами, описанными в работах [27—31 ]. В последней из этих работ описаны многочис­ ленные эксперименты с самоустанавливающейся оправкой при волочении стальных труб. Показано, что угол волоки а должен быть несколько более 5°, а угол оправки аоп должен быть меньше а, по крайней мере на 1°. В этой же работе описана методика расчета размеров оправки. Во многих случаях при одинаковых возможных деформационных условиях силы волочения при самоустанавли­ вающейся оправке заметно меньше, чем при закрепленной ци­ линдрической. Исследованию волочения на самоустанавливаю-

69

щейся оправке труб из алюминиевых сплавов посвящена ра­ бота [44].

Первоначально самоустанавливающаяся оправка была пред­ ложена для справочного волочения труб в мотках. Этот процесс в связи с его высокой эффективностью получил большое распро­ странение для волочения труб небольших диаметров, которые можно сравнительно легко принимать на барабаны^или катушки. В последнее время таким образом протягивают трубы из мягких металлов диаметром до 70 мм с приемом их на барабаны диа­ метром до 3 м.

Последующая практика волочения на таких оправках показала целесообразность применения их при волочении труб в тради­ ционных длинах на «линейных» станах взамен цилиндрических

Рис. 53. Схемы закрепления цилиндро-конической оправки на стержне: а — со свободным осевым перемещением; б — с жестким закреплением

закрепленных оправок. Это позволяет улучшить качество внутрен­ ней поверхности трубы в результате уменьшения сил трения вслед­ ствие проявления гидродинамического эффекта (смазочный клин), а также разгрузить механизм крепления оправки [32, 33]. По­ следнее особенно ваэцно при волочении труб больших диаметров, когда на закрепленную цилиндрическую оправку действуют весьма большие силы. Применение цилиндро-конической оправки при волочении на линейных станах целесообразно, когда необходимо одновременно уменьшать и толщину стенки, и внутренний диа­ метр трубы, а также при волочении труб из металлов и сплавов, интенсивно налипающих на оправку. С повышением гидродина­ мического эффекта смазки такое налипание заметно уменьшается.

В этих процессах цилиндро-коническая оправка, как и ци­ линдрическая, крепится с помощью стержня. В зависимости от допустимых осевых перемещений эта оправка устанавливается либо с обеспечением ее свободного осевого перемещения относи-

70