Теоретические основы процесса волочения

Волочение представляет собой один из древнейших способов обработки металла давлением. Впервые волочение начали применять 3...3.5 тыс. лет до н. э. Однако, систематическое опытное и теоретическое изучение процесса по существу началось лишь в XX в.

Неравномерное деформирование сечения прутка некоторые исследователи объясняют также появлением искажения плоского среза заднего конца прутка в процесс е волочения. Па основании этого же явления иногда утверждают о разности скоростей течения отдельных слоев прутка при сформировании, хотя по данному вопросу имеется и другое мнение. О характере и условиях деформирования металла при волочении можно судить по изменению твердости или разнице размера зерна в сечении прутка после волочения. Неравномерность напряженного состояния можно также наблюдать оптическим методом при волочении образцов из оптически активных материалов (синтетических смол).

Рассматривая процесс волочения, можно видеть, что взаимодействие деформируемого металла с волокон характеризуется наличием трения скольжения по всей контактной поверхности. Это существенно влияет па силовые условия процесса, вызывает неравномерное распределение деформации по диаметру протягиваемого прутка. В любом слое, находящемся на некотором расстоянии от центрального, как указывал С. И. Губкин, элементы слоя испытывают не только растяжение, но и деформацию дополнительного сдвига и деформацию изгиба, причем тем большую, чем дальше слой удален от оси протягиваемого прутка. При волочении в результате имеющихся сил трения на контактной поверхности металла и инструмента возникает задерживающее действие поверхностных слоев прутка, что наряду с влиянием других факторов процесса создает условия для появления разности продольных скоростей по сечению деформируемого тела. Однако ввиду целостности прутка и сдерживающего действия его внешних, недеформируемых в данный момент участков скорости течения периферийных и центральных слоев, как показали опыты И.К.Суворова и др., принудительно выравниваются. Вследствие этого появляются продольные растягивающие напряжения в поверхностных слоях и сжимающие - в центральных.

Возможность протягивания прутка через отверстие волоки ограничивается предельными условиями: усилие волочения 0 не должно вызывать в переднем конце прутка пластическую деформацию, иначе передний конец будет иметь остаточную деформацию и в конечном итоге произойдет его разрыв. По этой причине волочение горячего металла или металла с низким значением предела текучести может быть использовано весьма ограниченно вследствие уменьшенной прочности переднего конца. Поскольку прилагаемое усилие волочения к переднему концу прутка определяется податливостью металла пластическом)' деформированию, значением контактного трения и площадью соприкосновения прутка с волокой. то. следовательно, для данной геометрии волочильного очка усилие волочения будет тем выше, чем больше степень деформирования и чем больше контактные силы трения. Установлено, что до 30...50%, а иногда и до 80% общего усилия волочения расходуется на преодоление контактного трения. Это ограничивает практическое значение единичной вытяжки Ц. которое чаще всего составляет 1.2... 1.3 и редко поднимается до 1.5. Кроме того, контактные силы трения и работа деформации, большая часть которой превращается в теплоту, повышают среднюю температуру проволоки до 250°С, а температуру контактной поверхности - до 700°С. Это создает условия повышенного износа инструмента, налипания металла на контактную поверхность, увеличивает обрывы деформируемого тела и пр. Поэтому всегда стремятся уменьшить силы трения. Наряду с улучшением качества самой смазки большое значение имеет способ подачи смазки на контактные поверхности. Наибольший эффект обеспечивает гидродинамический ввод смазки. Теория и исследования этого способа ввода смазки принадлежат В. Л. Колмогорову и его сотрудникам. В основе метода положено использование сборной волоки, состоящей из напорного и рабочего твердосплавных вкладышей. Заметный эффект увеличения вытяжки может дать противонатяжение. т. е. усилие, приложенное к заднему концу прутка. Противонатяжение снижает сопротивление металла деформированию, уменьшает влияние контактного трения и. следовательно, разогрев волок, а в конечном итоге обеспечивает увеличение вытяжки µ.

Большое влияние на условия волочения оказывает выбор профиля волочильного отверстия, поскольку это определяет условия деформации металла и возможность успешной подачи смазки на рабочие поверхности, т. е. снижение отгона смазки. Заметное снижение сопротивления трению и необходимого усилия волочения наблюдается при замене обычной волоки роликовой (дисковой). Но применение роликовых волок ограничено их конструктивной сложностью. В процессе волочения металлу придают определенную норму, необходимые размеры и специальные свойства. Схема волочения представлена на рис. 1.

Площадь поперечного сечения при волочении изменяют при помощи волок. Волоки в основном готовят на основе карбидов вольфрама и кобальта. Для волочения тончайшей проволоки используют волоки из алмазов.

Основными параметрами волоки являются: углы входного и выходного конусов, рабочий угол волоки и длина калибрующий зоны (рис. 2).

Волока:

1. Обойма;

2. Волока;

3. Выходной конус;

4. Калибрующая зона;

5. Входной конус;

6. Рабочий конус.

Величины углов входного конуса, рабочего конуса и выходного конуса волоки зависят от ряда технических причин, механических свойств проволоки и применяемой смазки. На практике наибольшее распространение имеют волоки с углом входного конуса 24°. а выходного 90° и углом рабочего конуса 6-12°.

В большинстве случаев металл, обрабатываемый волочением, предварительно не нагревают: он входит в волочильный канал при комнатной температуре, а образующееся в канале тепло деформации и внешнего трения отводят, непрерывно омывая волоки охлаждающей эмульсией, водой, или окружающим воздухом. При таком холодном волочении с надлежащей смазкой и инструментом протянутый металл имеет гладкую блестящую поверхность и достаточно точные размеры поперечного сечения.

В некоторых специальных случаях, когда деформируемый металл обладает недостаточной пластичностью, при комнатной температуре или высоким сопротивлением деформированию, волочение ведут в предварительно нагретом состоянии. Например, при волочении цинковой проволоки для увеличения пластичности заготовки ее предварительно подогревают до 80—90°. погружая моток в нагретую воду. В очаге деформации температура проволоки доходит до 120— 150°, т. е. до температуры, при которой образуется максимальное количество систем скольжения.