Напряжения волочения алюминиевых полос шириной 12,7 мм через волоки с разными профилями канала

Недостаток сигмоидальных каналов – повышенная трудность их изготовления и невозможность использования одной волоки для разных относительных деформаций, т.к. при уменьшении деформации часть канала с малым углом искключается из работы.

Представляет интерес определение величины оптимального угла α_опт,

например, по формуле  .   (6.2)

На силу и напряжение волочения влияет длина калибрующей зоны канала. Протягиваемый металл туда попадает под некоторым сжимающим напряжением от упругих деформаций, от чего между металлом и калибрующей поверхностью возникают напряжения внешнего трения. Длина калибрующей зоны может выбираться в пределах  (0,1…1,5)D_к.  Влияние длины калибрующей зоны на напряжение волочения зависит от степени деформации: при малых деформациях она больше, т.к. часть напряжения волочения, идущая на преодоление там трения, составляет заметную долю общего напряжения, и наоборот. Напорное волочение:

При волочении сплошных профилей, осаживании и профилировании труб иногда целесооразно применять сдвоенные или даже строенные (т.н. многосекционные) волоки. В отличие от многократного волочения, общая степень деформации при таком методе не может заметно превышать допустимой при однократном волочении. Однако этот метод имеет следующие преимущества:

1. Во второй и третьей волоках процесс идёт с противонатяжением от предыдущих волок, что ведёт к понижениию давления металла на стенки канала и уменьшает его износ. Поэтому можно более длительно использовать выходные волоки и заменять их по мере износа независимо от остальных.

2. Могут быть значтельно улучшены условия смазки и охлаждения протягиваемого металла, т.к. в межсекционные промежутки легко ввести смазку.

3. При волочении с большими углами наклона образующей канала (α = 20…25º), например, при осаживании труб с обязательным утонением стенок, применение многосекционных волок позволяет достичь наименьшего расхождения между осями каналов и направлением тянущей силы, т.к. при этом общая длина увеличивается и этим облегчается более правильная установка основной (центральной) секции волоки. Недрстатки многосекциоееой волоки:

1. Усложнение конструкции волокодержателя;

2. Увеличение отходов металла на захватку;

3. Некоторое повышение силы волочения по сравнению с односекционной волокой (прт пр.р.у. деформации). Это объясняется тем, что в промежутках между секциями волоки размеры протягиваемого металла вследствие его упругости несколько возрастают по сравнению с теми, которые у него были в момент выхода из предыдщей секции.

4. Увеличивается суммарная длина калибрующей зоны, что вызывает дополнительные затраты энергии на преодоление сил трения.

При определении размеров волочильного канала и заготовок для волочения необходимо учитывать:

а) длина обжимающей зоны должна быть несколько больше расчётной, чтобы исключить возможность начала деформации за пределами обжимающей зоны (т.е. во входной зоне канала) вследствие несовпадения оси канала и оси заготовки, а также вследствие возможного некоторого превышения начальных размеров протягиваемой полосы против расчётных (это может быть при разработке канала предыдущей волоки). Длина деформационной зоны должна определяться по максимуму;

б) длины входной и выходной зон должны обеспечивать достаточную прочность волоки против расклинивающего действия радиальных сил.

Лекция 6

§ 6.5. Несовпадение осей канала и протягиваемого профиля

Часто ось волочильного канала заметно не совпадает с осью протягивамого профиля при входе или выходе его из деформационной зоны. Это происходит из-за неточной установки волоки в волокодержателе, а также из-за вибрации металла при входе в деформационную зону.

Чтобы обеспечить более равномерный износ круглой волоки, продольную ось профиля со стороны входа иногда заставляют описывать конус с небольшим углом при вершине. Это приводит к повышению степени неравномерности деформации, и как следствие, к росту сил и напряжений волочения.

Для уменьшения возможного несовпадения осей, надо при волочении профилей крупных размеров применять самоустанавливающиеся волокодержатели с направляющими втулками у входа.

Однако иногда несоосность целесообразна. Например, трубные заготовки иногда отличаются значитеьной разностенностью, при которой утоняемая часть стенки заготовки расположена по одной из образующих. Уменьшению такой разностенности может способствовать осаждение (безоправочное волочение) через волоку, наклонённую к оси трубной заготовки, чтобы утоняемая часть имела бы увеличенную контактную поверхность по сравнению с утолщенной. При таком положени, согласно теории пластичности, продольные напряжения в утолщённой части увеличатся, а окружные уменьшатся, а в утонённой – наоборот. Это приведёт к утонению утолщённой стенки заготовки трубы и утолщению утонённой, т.е. к меньшению расностенности.

§ 6.8. Противонатяжение

Противонатяжение Q, уменьшающее полное давление М_q протягиваемого металла на волоку, увеличивает полную силу волочения P_q, т.е. ту силу, которая действует на металл после его выхода из волоки. Сила M_q уменьшается при наложении противонатяжения любой величины. В то же время сила P_q и напряжение волочения начинают расти не при всяком противонатяжении, а лишь начиная с некоторого минимального его "критического" значения Q_кр, которое опредедяляет критическое значение напряжения противонатяжения σ_{q кр}, зависящего от основных условий процесса и особенно от предела упругости протягиваемого металла (рис.99).

Рис. 99. Влияние противонатяжения на силы Pq и Mq при волочении проволоки из латуни Л62 с различной предварительной деформацией: I – 46%, σ_qкр = 3,0 кГ/мм²;  II – 0%, σ_qкр = 0,6 кГ/мм²;  III – 56%, σ_qкр = 5,1 кГ/мм²;  IV – 20%, σ_qкр = 3,65 кГ/мм²;  V – 66%, σ_qкр = 7,6 кГ/мм²;  VI – 38%, σ_qкр = 3,85 кГ/мм²; а – D_н = 1,47 мм, D_к = 1,32 мм,  обжатие за переход 20%; б – D_н = 1,32 мм, D_к = 1,16 мм,  обжатие за переход 23%; в – D_н = 1,16 мм, D_к = 1,03 мм,  обжатие за переход 19%

Понятно, что :

1. Возникновение критических протиронатяжений и заметный рост силы P_q только с того момента, когда противонтяжение достигает значения Q_кр. Применять противонатяжение в пределах до Q_кр во всех случаях полезно, т.к. сила волочения практически не возрастает, но создаются условия для уменьшения износа волочильного канала (уменьшение давления на контактной поверхности и выдавливания смазки), сокращаются или ликвидируются зоны трёхосного сжатия.

2. Рост критических значений Q_кр и σ_qкр с повышением степени предварительной деформации и упрочнения σ_вн.

3. Спад нагрузки на волоку M_q при любой, даже небольшой величине противонатяжения. Этот спад при σ_q σ_qкр практически равен противонатяжению, а при σ_q > σ_qкр всегда меньше его. Величина спада может быть охарактеризована коэффициентом использования

противонатяжения   .   (6.3)

Противонатяжение в общем случае – фактор положитерьный, особенно если достаточно полно использовать его работу, как при многократном волочении, а также при плющении – волочении и в некоторых других процессах волочения.

§ 6.10. Нагрев и охлаждение деформируемого металла и инструмента при волочении

Механическая энергия, затрачиваемая на волочение, преобразуется в тепло внешнего трения, в тепло пластической деформации и в потенциальную энергию протягиваемого металла, которая составляет лишь 0,0… от энергии пластической деформации. В деформационной зоне при волочении выделяется тепло, повышающее температуру деформируемого металла, волоки и окружающей среды (смазки, воздуха). Выделяющаяся в виде теплоты часть затрачиваемой на дефрмацию работы распределяется почти равномерно по всему поперечному сечению протягиваемого металла (только работа на дополнительные сдвиги несколько нарушает эту равномерность, т.к. дополнительные сдвиги растут от центра к периферии). Теплота внешнего трения выделяется на контактной поверхности, и при холодном волочении периферийные слои в канале волоки и в течение некоторого времени после выхода из него отличаются более высокой температурой, чем центральные.

При горячем волочении, когда протягиваемый металл входит в деформационную зону в подогретом виде, характер изменения температуры металла может быть другим. При высокой температуре предварительного подогрева и интенсивном охлаждении волоки отвод тепла охлажденим может превышать его приток от трения и деформации. Тогда периферийные слои могут охлаждаться быстрее центральных, т.к. они ближе расположены к поверхности отвода тепла. При этом понижение температуры металла в деформационной зоне по направлению к выходу – положительный фактор, способствующий увеличению деформации за переход. С возникновением продольных растягивающих напряжений в соответствующих поперечных сечениях деформационной зоны температура понижается и возрастает прочность протягиваемого металла. При холодном волочении происходит обратное: с увеличением продольных растягивающих напряжений температура металла повышается и прочность его понижается. Частные обжатия при холодном волочении при пр.р.у. неизбежно должны быть ниже деформаций при горячем волочении. Однако осложнения технического характера (достижение быстрого и дешёвого нагрева перед волочением) и технологического (предотвращение окисления при нагреве) ограничивают область применения горячего волочения.

Степень неравномерности нагрева металла и температуры его периферийных и центральных слоёв зависит от предварительного нагрева и степени деформации протягиваемого металла, условий волочения и системы охлаждения смазкой и специальными охлаждающими устройствами. Увеличение деформации и её неравномерность, рост сопротивления деформации и сил трения вызывают повышение теплообразования в единицу времени и повышение температуры металла.

При волочении с противонатяжением понижается нормальное давление на стенки волоки, образуется меньше тепла, особенно на контактной поверхности, и от этого не только понижается температура металла на периферии и в центральных слоях, но при холодном волочении уменьшается и разность этих температур. Это особенно важно при высоких скоростях волочения, когда контактные поверхности нагреваются до весьма высоких температур. Также влияют поперечные размеры и теплопроводность протягиваемого металла. С уменьшением поперечных размеров и повышением теплопроводности улучшаются условия теплоотдачи, в результате чего температура металла в деформационной зоне понижается.

При холодном волочении при пр.р.у. рост скорости волочения ведёт к увеличению разности температур металла на контактной поверхности и в его центральных слоях. Температура металла может повышаться за счёт тепла деформации только до предельной величины, определяемой работой деформации, которая расходуется на единицу объёма, а уменьшение температуры на контактной поверхности с ростом скорости волочения повышается и иногда достигает весьма большой величины.

Формула для определения температуры рабочей поверхности:

, (6.9)

где  R_t  – коэффициент термического сопротивления системы, зависящий от теплопроводности и размеров сечения протягиваемой полосы и волоки;  σ_n – среднее значение нормальных напряжений на контактной поверхности;  v_в – скорость волочения;  L – длина деформационной зоны.

Слишком высокая и слишком низкая температуры деформационной зоны могут отрицательно повлиять на действие смазки. При очень высокой температуре может понизиться прочность смазочной плёнки и стойкость волок, а при очень низкой – заметно повыситься коэффициент внутреннего трения самой смазки.

Глава VII