8.2. Напряженно-деформированное состояние металла и допустимые степени деформации

При безоправочном волочении очаг деформации можно разделить на два участка: осаживания I и зону калибровки II (рис. 8.2).

При волочении на деформируемый металл действуют усилие, прикладываемое к переднему концу заготовки, которое называют усилием волочения Q_в, давление стенок волоки Р и поверхностные силы внешнего трения t (см. рис. 8.2). В зонах осаживания и калибровки на металл со стороны волоки действуют нормальные Р_в, Р_к и касательные t_в, t_к силы, горизонтальные составляющие которых направлены против направления волочения. Истечение металла при безоправочном волочении определяется напряжениями, действующими по трем главным осям: осевыми растягивающими +s_l, радиальными сжимающими –s_r и тангенциальными сжимающими –s_q напряжениями. Из условия равновесия сил, действующих на элементарное кольцо s_q·2S₀ = s_rD₀, откуда s_q = s_rD₀/(2S₀).

При безоправочном волочении наименьшее сопротивление деформации металла происходит в радиальном направлении, поэтому металл течет к оси трубы и толщина стенки увеличивается. По направлению волочения продольное растягивающее напряжение +s_l увеличивается, а тангенциальное сжимающее напряжение –s_q уменьшается, следовательно, уменьшается тенденция увеличения толщины стенки, поэтому в начале зоны деформации возможно утолщение стенки, а в конце – ее утончение. Например, при волочении труб с большими степенями деформации, без смазки (большой коэффициент трения), в волоках с большим рабочим углом в очаге деформации создаются большие растягивающие напряжения +s_l и стенка трубы утончается, а при малых +s_l стенка трубы утолщается.

На величину и характер изменения толщины стенки трубы при безоправочном волочении влияет отношение S₀/D₀, которое Ю.Ф. Шевакин, А.А. Чернявский и А.Б. Ламин рекомендуют определять из эмпирической формулы:

, (8.1)

где DS и DD – изменение толщины стенки и диаметра трубы.

При оправочном волочении очаг деформации можно разделить на три зоны: осаживания I, обжатия стенки II калибровки III (см. рис. 8.2, б–г). В зонах II и III, кроме усилий, действующих на металл трубы со стороны волоки Р_в и t_в, еще действуют силы нормального давления и силы трения со стороны оправки Р₀ и t₀. При волочении на неподвижной (короткой) оправке силы трения на контактной поверхности металла с оправкой повышают удельные затраты энергии на процесс. Общее усилие волочения в этом случае:

Q_в = , (8.2)

где Р_ос – осевая составляющая усилия волочения для осаживания трубы на участке I.

В зоне обжатия стенки II очага деформации действуют растягивающие напряжения +s_l и сжимающие –s_q, –s_r, которые вызывают увеличение длины трубы (удлинение +d_l) и уменьшение диаметра и толщины стенки (укорочение d_q и d_r). В аналогичных условиях протекает деформация металла при всех видах оправочного волочения.

При волочении на подвижной (длинной) оправке усилие волочения обычно прилагается одновременно к трубе и оправке (труба вместе с оправкой протягивается через волоку), на участках II и III очага деформации силы трения на контакте металла с оправкой направлены в сторону волочения (см. рис. 8.2, г), что уменьшает продольные растягивающие напряжения +s_l и позволяет вести процесс с большей степенью деформации за один проход по сравнению с другими видами волочения труб.

Общее усилие волочения

Q_в = (8.3)

меньше, чем при волочении труб на неподвижной оправке.

Благодаря определенной форме (угол конусности оправки меньше угла конусности волоки a_в на 0,0175 рад) оправка под действием сил, возникающих между ней и трубой, устанавливается так, что между оправкой и волокой образуется кольцевой зазор, через который протягивается труба. Зону деформации можно разбить на три участка: на участке I (см. рис. 8.2) – свободное осаждение трубы по диаметру и толщина стенки в большинстве случаев увеличивается; на участке II стенка трубы обжимается между волокой и оправкой, внутренний и наружный диаметры уменьшаются; на участке III труба калибруется.

При волочении труб на неподвижной (короткой) оправке степень деформации определяется пластическими свойствами материала трубы. Для каждого материала устанавливается допустимая деформация m_доп до отжига, при которой полностью или в значительной степени исчерпываются пластические свойства. Допустимые (рассчитанные) величины вытяжки должны быть меньше предельных на 8–15% с учетом разных производственных факторов, снижающих деформируемость (разностенность заготовки, неравномерность механических свойств по длине, качество смазки, качество инструмента и др.).

Число необходимых отжигов:

n = lgm_S/(lgm_доп – 1), (8.4)

где m_S – суммарная вытяжка от заготовки к готовой трубе.

Вытяжки по проходам назначают из допустимого напряжения волочения с учетом соблюдения условий, обеспечивающих необходимый запас прочности.

Величина допустимых вытяжек для разных материалов может быть определена по формуле, рекомендуемой Н.П. Белоусовым:

lgm_доп = , (8.5)

где w = 1 + 2/sin2a + f сtga, к_з – коэффициент запаса прочности; e_о – относительная деформация за данный проход; m_S – вытяжка за проход; s_о – экстраполированный предел текучести; P – модуль пластичности материала.

Для определения степени деформации при волочении на самоустанавливающейся (плавающей) оправке необходимо установить соотношение между уменьшением диаметра трубы и уменьшением толщины стенки, которое определяет устойчивость процесса. Исследования волочения на плавающей оправке, выполненные К.В. Гаген-Торном, показали, что при малых вытяжках (~ 1,3) может произойти только небольшое уменьшение толщины стенки и для достаточно эффективного уменьшения толщины необходимо применять большие вытяжки (~ 1,5).

m = S_з(D_т + S_з + 1)/S_т(D_т – S_т). (8.6)

Приведенную формулу применяют для определения размеров заготовки по допустимой вытяжке за проход, предварительно рассчитанной из условия прочности протягиваемой трубы.

На рис. 8.3 приведена зависимость критической степени деформации от соотношения толщины стенки и диаметра трубы. Допустимые коэффициенты вытяжки при разных способах волочения труб из углеродистой стали:

Стали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	10; 20	35	45
 при волочении:
без оправки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	1,50	1,40	1,35
на короткой оправке . . . . . . . . . . . . . .	1,70	1,55	1,45
на плавающей оправке . . . . . . . . . . . .	1,75	1,60	1,50