11.3. Работа, мощность и усилия при волочении

Удельная работа деформации в элементарном объеме с координатами может быть вычислена как произведение интенсивности деформаций на интенсивность напряжений:

. (11.11)

Удельная работа при холодной деформации значительно больше, чем при горячей. Это связано с более высокими значениями предела текучести при холодной деформации.

Неоднородность деформации по объему заготовки вызывает и неоднородность интенсивности напряжений, которую также нельзя считать постоянной по всему деформированному объему. Так, например, при волочении углеродистой проволоки (C = 0,9 %) удельная работа вблизи оси проволоки при деформации и пределе текучести 1500 МПа равна 300 МПа, а на поверхности при и пределе текучести 2000 МПа – 1200 МПа, т. е. в 4 раза больше.

Средняя удельная работа при волочении зависит и от изменяющейся интенсивности деформаций, и от изменяющейся по объему интенсивности напряжений:

(11.12)

Мощность деформирования при волочении определим как произведение средней удельной работы на объем металла, проходящий через очаг деформации за единицу времени:

(11.13)

Часть мощности необходимо затрачивать на преодоление сил трения, возникающих в деформирующем конусе и на цилиндрическом калибрующем участке (рис. 11.9)

Рис. 11.9. Схема сил, действующих на проволоку в фильере при волочении

На цилиндрическом калибрующем участке сила трения:

(11.14)

Подставляя в (6.61) вместо площади поверхности цилиндрического пояска площадь поверхности усеченного конуса (рис.11.9), получим:

(11.15)

Мощность, затрачиваемая на преодоление трения:

где – максимальный предел текучести на поверхности проволоки с учетом упрочнения, МПа; d – диаметр проволоки; h – длина калибрующего пояска, мм;  – коэффициент трения.

Суммарная эффективная мощность, необходимая на преодоление трения и на деформацию:

(11.16)

Силу волочения вычислим как отношение мощности деформирования к скорости волочения, т. е.

(11.17)

Для практических расчетов возможно применение упрощенных формул, например:

, (11.18)

где – средняя величина предела текучести материала.

Из условий отсутствия пластических деформаций изделия вне очага деформации и прочности проволоки (или прутка, трубы) сила волочения не должна создавать в проволоке нормальных напряжений, близких к пределу текучести деформированного металла.

(11.19)

11.4. Температура при волочении

Температура протягиваемого материала при волочении определяется двумя источниками теплоты: неравномерно распределенной работой деформации и поверхностным трением материала на деформирующем и калибрующем участках.

Температура деформации в начальный момент тепловыделения может быть определена делением удельной работы на удельную объемную теплоемкость:

(11.20)

В последующие моменты эта температура выравнивается и приближается к средней (рис. 11.10).

Рис. 11.10. Влияние деформации и механических свойств стали с различным содержанием углерода на температуру деформации

Температура от трения может быть вычислена с помощью рассмотренного выше решения о температуре от равномерного быстродвижущегося источника тепла:

. (11.21)

В частности, при μ = 0,1, σ_Т^max = 1500 МПа, С_V = 5 МДж/(м³К), v = 0,5 м/с, (l+h) = 0,01 м, ω = 8·10^–6 м²/с температура θ(l+h) = 500 °С.

Таким образом, с учетом средней температуры деформации максимальная температура поверхности проволоки в рассматриваемом примере при выходе проволоки из фильеры равна 850 °С. Средняя температура контактной поверхности фильеры с проволокой существенно ниже. Такие температуры примерно соответствуют теплостойкости применяемых вольфрамокобальтовых твердых сплавов.

При волочении медной или алюминиевой проволоки механические характеристики ниже, а теплофизические характеристики значительно выше. Поэтому теплостойкость твердосплавных фильер допускает применение значительно более высоких скоростей волочения. С уменьшением диаметра проволоки значительно уменьшаются длины деформирующего конуса и калибрующего пояска, что также способствует уменьшению температуры или допускает применение более высоких скоростей волочения. Это и наблюдается на практике.

При многократном волочении последовательная деформация приводит к повышению температуры деформации. Кроме того, для натяжения проволоки в некоторых конструкциях волочильных станов предусматривается ее проскальзывание относительно поверхности барабана, что также вызывает ее дополнительный нагрев. Поэтому при работе с большими скоростями и многократном волочении требуется интенсивное охлаждение проволоки. Охлаждение проволоки осуществляется эмульсией, а барабанов – водой. При волочении высокоуглеродистой и легированной стальной проволоки применяется воздушное охлаждение проволоки.