Глава 13. Технологические процессы и оборудование для волочения труб

13.1. Теоретические основы процесса

В отечественной и зарубежной практике (США, Германия, Япония) трубного производства волочением получают трубы из уг­леродистых и легированных сталей и сплавов диаметром от 0,1 до 480 мм и толщиной стенки от 0,01 до 40 мм различного профиля.

Волочение обеспечивает высокое качество труб при использова­нии сравнительно недорогого инструмента и простых конструкций оборудования. К недостаткам этого процесса относятся многоцикличность (максимальная степень деформации за один проход не превышает 50%), большое число вспомогательных операций и вы­сокий расход металла в сравнении с холодной прокаткой труб.

Деформация металла при волочении трубы характеризуется следующими показателями:

коэффициентом вытяжки

где L₀, F₀ и L₁, F₁ - длина и площадь поперечного сечения трубы до и после волочения;

относительным обжатием

коэффициентом уменьшения площади поперечного сечения трубы

Способы волочения труб. В практике трубного производства применяют следующие основные способы волочения: волочение без оправки, волочение на неподвижной короткой оправке, волочение на длинной (подвижной, плавающей) оправке, волочение на плавающей (самоустанавливающейся) оправке, волочение раздачей (рис.13.1).

Волочение без оправки применяют для уменьшения диаметра трубы; деформация трубы за проход составляет е= 10-35% коэффициент вытяжки μ = 1,10 - 1,5. Степень деформации и вы­тяжка зависят от соотношения S/D:

Рис. 13.1. Способы волочения труб и схемы напряженно-деформированного со­стояния металла в очаге деформации

Согласно экспериментальным данным при S/D> 0,165-0,190 исходная толщина стенки трубы в процессе волочения уменьшает­ся, при S/D< 0,165-0,190 исходная толщина стенки увеличива­ется.

Волочение на короткой (неподвижной) оправке применяют для уменьшения диаметра и толщины стенки трубы. Допустимая де­формация трубы за один проход составляет не более 35 - 40%, коэффициент вытяжки μ = 1,2 — 1,7. Изменение толщины стенки не превышает 26% при μ= 1,10 - 1,35. Минимальный диаметр про­тягиваемых труб равен 8-10 мм и ограничен размерами стержня, на котором крепится оправка.

Волочение на длинной (плавающей) оправке также применяют для уменьшения диаметра и толщины стенки трубы. Длинная оп­равка, находящаяся внутри трубы, не закрепляется на станине, а перемещается вместе с оправкой при волочении (тяговое усилие прикладывается к трубе и оправке), в очаге деформации создается благоприятная схема напряженного состояния, что позволяет уве­личить вытяжку до μ= 1,7- 2,4, главным образом за счет обжа­тия по стенке (μ = 1,43-1,54). После волочения оправку извле­кают из трубы.

Волочение на плавающей оправке применяют для изготовления труб большой длины, а также в тех случаях, когда необходимо разгрузить стержень для крепления оправки от осевых усилий Q₀ и устранить его вибрации. При этом способе волочения улучшает­ся качество на внутренней поверхности труб и повышается стой­кость оправок. Вытяжка за проход составляет μ= 1,2-1,8, обжа­тие по диаметру 4 - 4,5, а уменьшение толщины стенки незначи­тельно и составляет 0,1 - 0,2 мм.

Волочение раздачей применяют при изготовлении труб большо­го диаметра, при калибровании внутреннего диаметра трубы, при изготовлении биметаллических труб, а также для исправления брака по внутреннему и наружному диаметру.

Напряженно-деформированное состояние металла и допусти­мые степени деформации. При безоправочном волочении очаг де­формации можно разделить на два участка: зону осаживания I и зону калибровки II (рис. 13.2).

При волочении на деформируемый металл действуют следую­щие внешние силы: усилие, прикладываемое к переднему концу заготовки, которое называют усилием волочения Q_B, давление стенок волоки Р и поверхностные силы внешнего трения τ (рис. 13.2, а). В зонах осаживания и калибровки на металл со стороны волоки дей­ствуют нормальные Р_в, Р_к и касательные τ_в, τ_к силы, горизонталь­ные составляющие которых Р_вх, Р_кх, τ_вх , τ_тх направлены против направления волочения. Истечение металла при безоправочном во­лочении определяется напряжениями, действующими по трем главным осям: осевыми растягивающими +σ_l, радиальными сжима­ющими –σ_r и тангенциальными сжимающими -σ_θ напряжениями. Из условия равновесия сил, действующих на элементарное кольцо (рис. 13.2, a), , откуда .

П ри 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 +σ_l увеличивается, а тангенциальное сжимающее напряжение -σ_θ уменьшается, следовательно, уменьшается тенденция увеличения толщины стенки, поэтому в начале зоны деформации возможно утолщение стенки, а в конце - ее утонение. 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 +σ_l и стенка трубы утоняется, а при малых +σ_l стенка трубы утолщается.

На величину и характер изменения толщины стенки трубы при безоправочном волочении оказывает влияние соотношение S/D, которое Ю. Ф. Шевакин, А. А. Чернявский и А. Б. Ламин реко­мендуют определять по эмпирической формуле

где ΔS и ΔD - изменение толщины стенки и диаметра трубы.

При оправочном волочении очаг деформации можно разделить на три участка: зону осаживания I, зону обжатия стенки II и зону калибровки III (рис. 13.2, б, в, г). В зонах II и III, кроме усилий, действующих на металл трубы со стороны волокон Р_в и τ_в, еще действуют силы нормального давления и силы трения со стороны оправки P0 и τ₀. При волочении на неподвижной (короткой) оп­равке силы трения на контактной поверхности металла с оправкой повышают удельные затраты энергии на осуществление процесса. Общее усилие волочения в этом случае составляет:

(13.2)

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

В зоне обжатия стенки II очага деформации действуют растя­гивающие напряжения +σ_l и сжимающие напряжения -σ_θ, -σ_r, которые вызывают увеличение длины трубы (деформация удлине­ния и +δ_l) уменьшение диаметра и толщины стенки (деформация укорочения δ_θ и δ_r). В аналогичных условиях протекает деформа­ция металла при всех видах оправочного волочения.

На участке безоправочного волочения (зона I) деформация по­ложительна (толщина стенки увеличивается), тогда как на следу­ющем участке (зона II) деформация δ_r отрицательна. В связи с этим увеличиваются энергетические затраты на волочение, для снижения которых необходимо уменьшать зазор между трубой и оправкой, т.е. уменьшать зону I безоправочного 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 (рис. 13.2, г), что уменьшает продольные растягивающие напряжения +δ_l и позволяет осущест­влять процесс с большей степенью деформации за один проход по сравнению с другими видами волочения труб.

Усилие волочения при волочении на подвижной оправке опре­деляется по формуле:

(13.3)

оно меньше, чем при волочении труб на неподвижной оправке.

Благодаря определенной форме (угол конусности оправки меньше угла конусности волокон α_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 (рис. 13.2) осуществляется сво­бодное осаживание трубы по диаметру и толщина стенки в боль­шинстве случаев увеличивается; на участке II происходит обжатие стенки трубы между волокой и оправкой и уменьшение внутрен­него и наружного диаметров; на участке III происходит калибров­ка трубы.

Условие равновесия плавающей оправки в очаге деформации определяется уравнением

(13.4)

или

(13.4а)

где Р_к - нормальная сила на конической части оправки; τ_ц - сила трения на цилиндрической части оправки.

Из последнего уравнения (13.4а) следует, что если Σt_ц> 0 и ΣP_К > 0, то или

(13.5)

Таким образом, при всех условиях образующая конической ча­сти поверхности плавающей оправки должна быть наклонена к оси оправки под углом α_опр большим, чем угол трения трубы об оправку β_тр.

Вторым условием, обеспечивающим устойчивость процесса во­лочения, является

(13.6)

При невыполнении первого условия (13.5) оправка проскальзы­вает через отверстия волоки, при невыполнении второго условия (13.6) происходит подрез (пережим) трубы.

В связи с тем, что горизонтальные силы, действующие на само­устанавливающуюся оправку, взаимно уравновешиваются, усилие волочения будет равно:

(13.7)

Допустимые степени деформации при волочении труб. При волочении сечение трубы за один проход может быть уменьшено только до определенных размеров, при получении которого обеспе­чивается стабильность (устойчивость) процесса при заданном каче­стве готовых труб. В работах И. Л. Перлина, В. Л. Колмогорова, B. И. Уральского, Ю. Ф. Шевакина и др. выбор разовой допусти- мой степени деформации ε_доп определяется через напряжение во- лочения δ_l в конце выходного участка трубы, которое не должно превышать сопротивление деформации металла трубы, т.е. выходя- щий из волоки металл должен иметь некоторый запас прочности, определяемый коэффициентом запаса

где σ_и - истинный предел текучести протянутой трубы.

Процесс волочения труб протекает стабильно (по данным

C.И. Борисова), если коэффициент запаса прочности составляет

где σ_т - предел текучести металла наклепанной трубы.

Максимальная деформация ε_доп, допустимая по прочности се­чения выходящей трубы, зависит от соотношения толщины стенки к диаметру трубы.

При волочении тонкостенных и особотонкостенных труб сте­пень деформации трубы при безоправочном волочении ограничива­ется устойчивостью трубы, а не прочностью выходного сечения трубы. Ввиду отсутствия оправки с увеличением обжатия труба в очаге деформации может потерять поперечную устойчивость (об­разование продольных складок) Зависимость критической дефор­мации от отношения S/D_T, по данным С. И. Борисова, может быть выражена уравнением (рис. 13.3):

(13.8)

Наиболее вероятное место возможной потери устойчивости начало контактной поверхности, где толщина стенки минимальна, а радиальное давление максимально. Критическая величина нор­мального давления, вызывающая потерю устойчивости трубы, мо­жет быть определена по данным И. Л. Перлина и М. 3. Ерманка:

(13.9) ε,%

где Е-модуль упругости; S- толщи­на стенки трубы; γ- коэффициент Пуансона; R - средний радиус сече­ния трубы.

Минимальное отношение S/D_T, при котором сохраняется устойчивость трубы

(13.10)

В связи со сложностью расчетов по приведенной формуле из-за отсутст­вия зависимостей, определяющих σ_п.кр., в работе И. Л. Перлина и М. 3. Ерманка рекомендуется во избе­жание потери устойчивости трубы применять уменьшение диаметра тру­бы, не превышающее за один проход шестикратной толщины стенки,т. е. D₃- D_T< 6S.

При волочении труб на неподвиж­ной (короткой) оправке степень де­формации определяется пластически­ми свойствами материала трубы. Для каждого материала устанавливается допустимая деформация μ_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 различных производст­венных факторов, снижающих деформируемость (разностенность заготовки, неравномерность механических свойств по длине, каче­ство смазки, качество инструмента и др.). Число необходимых отжигов

где μ_Σ - суммарная вытяжка от заготовки к готовой трубе.

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

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

коэффициент запаса прочно­сти; ε₀ - относительная деформация за данный проход; μ_Σ - вы­тяжка за проход; σ₀- экстраполированный предел текучести; П -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 устойчивости процесса 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 стенки необходимо применять большие вытяжки (≈1,5). При волочении на плавающей оправке вытяжка за проход

(13.12)

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

В табл. 13.1 приведены допустимые коэффициенты вытяжки при различных способах волочения труб из углеродистой стали.

Таблица 13.1.