Методы волочения металлов
Схемы основных методов волочения показаны на рисунке. Чтобы уменьшить внешнее трение, между поверхностями протягиваемого металла и волочильного канала вводят смазку. Это уменьшает расход энергии на волочение, способствует получению гладкой поверхности у протягиваемого металла, сильно уменьшает износ самого канала и позволяет осуществлять процесс с повышенными степенями деформации.
Для уменьшения внешнего трения и повышения стойкости канала часто применяют метод волочения с противонатяжением. Сущность его заключается в следующем. К протягиваемому металлу со стороны входа его в волоку прикладывают силу, направленную в сторону, противоположную движению металла, и потому называемую противонатяжением. От этого в полосе еще до ее входа в волочильный канал в осевом направлении создаются растягивающие напряжения. Они вызывают, как это будет доказано далее, уменьшение давления металла на стенки канала, что, естественно, увеличивает стойкость последнего. Этот
метод имеет и некоторые недостатки, отмеченные далее, и потому не всегда применятся.
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.
При волочении вольфрама и молибдена, имеющих при комнатной температуре особо высокую сопротивляемость пластическому деформированию, их предварительно нагревают до 700—800°, пропуская протягиваемый металл через нагревательную камеру, установленную перед волокой.
В настоящее время намечается применение процесса горячего волочения при протяжке профилей сложных форм и для уменьшения сопротивления деформированию в тех случаях, когда это допускается требованиями к поверхности, механическим свойствам и точности размеров поперечного сечения.
Из приведенных схем волочения следует, что все они обладают тремя следующими, отличающими их от прочих видов обработки металлов давлением признаками:
а) линейные размеры поперечных сечений протягиваемого металла могут уменьшаться до заданных величин во всех направлениях одновременно;
б) возможность получить не изменяющийся по длине полосы как сплошной, так и полый профили почти любой формы и таких чиненных размеров его поперечного сечения, какие позволяет техника изготовления волочильных каналов,
в) величина деформации за один пропуск ограничивается максимально допустимым напряжением растяжения, возникающим в поперечном сечении протягиваемого металла у выхода из очага деформации.
Естественно, что это не ограничивает величины суммарной деформации между отжигами, которой может быть подвергнут металл, обрабатываемый волочением Путем ряда последовательных протяжек можно получить суммарную деформацию любой величины, в зависимости от пластических свойств протягиваемого металла
Волочение применяется
1. Для производства профилей большой длины, но сравнительно малых и очень малых сечений различных форм с отношением ширины к толщине поперечного сечения, не превышающим примерно 12. Такое изделие называется проволокой.
Вследствие большой длины проволоку либо свертывают в мотки, либо наматывают на катушки Волочением можно получить проволоку диаметром до 6—8 мм. Для дальнейшего уточнения приходится применять процессы, не требующие волок, например процесс равномерного растяжения, рассмотренный в конце настоящей главы, процесс электролитического растворения периферийных слоев.
2 Для производства профилей средних и больших сечений разных форм с отношением ширины к толщине поперечного сечения, не превышающим примерно 20, а также и в том случае, когда требуется получить сечение с минимально возможными отклонениями от заданных размеров или чистую и гладкую поверхность Такие профили обычно протягивают до небольшой длины (5—6 м) и не смешивают
3 Для производства полых профилей (труб) разных форм и сечений и, особенно, тонкостенных Волочением получают трубки диаметром до 0,5 мм, а иногда и тоньше.
Процесс волочения принято характеризовать следующими основными показателями:
а) вытяжка;
б) коэффициент уменьшения сечения;
в) относительное обжатие,
г) относительное удлинение;
д) съем и
е) коэффициент съема.
Каждый из этих показателей в разных математических выражениях, приведенных в табл., связывает поперечные сечения деформируемою металла до и после процесса и этим до некоторой степени характеризует степень деформации в рассматриваемом процессе Поэтому все перечисленные показатели связаны между собой точными геометрическими соотношениями, основанными на законе практического постоянства объема при пластических деформациях, также указанными в табл.. В практических расчетах часто применяют показатель 5 — «относительное обжатие», представляющих собой, как это указано в табл., отношение уменьшения поперечного сечения протягиваемого металла к начальному поперечному сечению (до протяжки). Применение этого показателя при волочении, а также и при других процессах обработки металлов давлением, перенесенное из теории упругих деформаций, нельзя считать достаточно теоретически обоснованным
Если мысленно разделить любой процесс волочения на несколько этапов и соответственно разделить на части полное уменьшение поперечного сечения протягиваемой полосы за рассматриваемый процесс, то становится очевидной необоснованность определения степени деформации конечного и любого промежуточного этапа процесса путем отнесения уменьшения сечения полосы на этом участке к начальному сечению первого этапа, а не к начальному сечению рассматриваемого этапа. Иначе говоря, если начальные сечения каждого из этапов обозначить через 5Н ; 5г, , то степень деформации m-го этапа логичнее
определить по отношениючем по отношению-
Между тем, применяя показатель «обжатия» для всего процесса
в виде выражениястепень деформации на каждом этапе
учитывают по второму, менее обоснованному отношению. При этом получаются заниженные результаты как для каждого участка, так и общей степени деформации, потому что
Необоснованность применения показателя «обжатия» становится особенно заметной при сравнении больших пластических деформаций Пусть для примера сравниваются процессы с обжатиями в 98 и 99% На первый взгляд может показаться, что эти процессы по степени деформации почти одинаковы (отличаются всего на 1 %). Между тем, если определить вытяжку для обоих процессов по формуле, приведенной в табл. , станет
очевидным, что вытяжка при втором процессе вдвое больше, чем при первом, так как:
Поэтому обе рассматриваемые степени деформации считать близкими нельзя.
Если сравнить обжатия еще большей величины, то разрывы полечатся еще более заметные.
Рассуждая так же, можно считать недостаточно обоснованным и применение показателя «съем»являющегося аналогом показателя «обжатие» и показателя «удлинение», который в отличие от показателя 5 дает завышение степени деформации Только в области упругих деформаций металлов, имеющих, как известно, весьма небольшие относительные значения, в итоге практически получаются одни и те же величины, независимо от того, отнесена разность сечений к начальному или конечному сечению.
В связи с изложенным, важное значение в расчетах имеет так называемый интегральный показатель степени деформации, равный, численные значения которого находятся между соответствующими значениями 5 и > числовые связи
в.
Этот показатель часто называютпоказателем «истинной» относительной деформации потому, что он является суммой бесконечно малых деформаций, претерпеваемых рассматриваемым элементом и составляющих его конечную относительную деформацию При этом за начальные и конечные размеры для каждой промежуточной деформации принимаются те размеры, которые имеет элемент до и после каждой рассматриваемой бесконечно малой деформации, а не размеры до и после рассматриваемой конечной деформации. Интересно отметить, что интегральные показатели, соответствующие обжатиям 98 и 99%, сравнивавшиеся ранее, равны соответственно 3,9 и 4,6, т. е. заметно отличаются друг от друга и этим создают более правильные представления о степенях деформаций в подобных процессах. Важным расчетным свойством интегрального показателя является его «аддитивность», т. е возможность суммирования показателей и следующих друг за другом переходов Таким свойством показатели и не обладают . Более подробно об этом показателе. Однако то, что в теории пластических деформаций продолжают применять показателии объясняется, с одной стороны, переходом из теории упругих деформаций, а с другой — простотой определений.
Следует, однако, иметь в виду, что все перечисленные показатели степени деформации полностью не отражают деформированного состояния обрабатываемого металла. В волочении, как и во всяком техническом процессе обработки металлов давлением, удлинение (или укорочение) отдельных элементов обрабатываемого объема в общем случае, помимо основных, или «чистых» сдвигов, сопровождается так называемыми дополнительными или «простыми» сдвигами.
Только при удлинениях или укорочениях, протекающих в направлениях главных деформаций 2, дополнительные сдвиги отсутствуют.
В главе II показано, что даже в самом простом процессе волочения круглого сплошного профиля из сплошной круглой заготовки удлиняются в направлении этой оси без дополнительных сдвигов только бесконечно малые элементы деформируемого объема, которые расположены на оси волочильного канала, т. е., что направления их главных осей деформации совпадают с направлением оси канала. У всех же остальных бесконечно малых элементов деформируемого объема направления главных осей деформации не совпадают с направлением оси волочильного канала и поэтому удлинения элементов в направлении оси канала сопровождаются дополнительными сдвиговыми деформациями. Величины этих деформаций зависят от формы волочильного канала и других условий процесса. Можно совершенно точно доказать, что удлинения всех элементов, не расположенных на оси канала, в направлениях их главных осей деформации будут больше соответствующих удлинений элементов, расположенных на оси канала.
Поэтому следует иметь в виду, что приведенные ранее показатели степени деформации отражают лишь удлинения в направлении оси канала, не учитывают дополнительных сдвигов, возникающих во всех слоях в направлении этой оси, и являются заниженными по сравнению со средними значениями действительны4; деформаций удлинения. Это подтверждается тем, что металл, протянутый через волоку, при прочих возможных равных условиях, более упрочнен, чем металл, деформированный растяжением. Но все же рассматриваемые показатели считаются основными потому, что при заданных условиях процесса они определяют и дополнительные деформации.
Скорость волочения, под которой обычно понимают скорость движения металла после выхода его из волоки, колеблется в очень больших пределах: от 2 до 3000 м/мин (50 м/сек), Скорости волочения зависят от большого количества самых разнообразных факторов, влияние которых будет подробно разобрано дальше. В основном можно считать, что полосы больших сечений подвергают волочению с меньшими скоростями, чем полосы малых сечений.
Твердые и малопластичные сплавы (например, легированная сталь, нихром, бронза, вольфрам и т. п.), а также малопрочные металлы (например, свинец), протягивают с малыми скоростями. Наибольшие скорости применяют при волочении медной проволоки.
Волочение можно вести либо через одну волоку, либо при помощи специальных устройств одновременно через несколько волок. В первом случае волочение называется однократным, во втором — многократным. Соответственно этому различают две основные группы волочильных машин— однократного и многократного волочения. Принципиальные схемы многократных машин описаны далее.
Уменьшить диаметр круглого сплошного профиля можно и простым растяжением. Такой метод основан па известном из теории пластической деформации свойстве всякого круглого образца, сделанного из металла, у которого предел текучести меньше истинного напряжения разрыва, под действием приложенных сил сравнительно равномерно растягиваться с соответствующим уменьшением диаметра и сохранением формы поперечного сечения (круга). Чем больше разность между пределом текучести металла до растяжения и напряжением разрыва, тем большее равномерное пиление может показать образец до образования шейки. Таким способом можно, например, медную отожженную проволоку удлинить примерно на 15% и соответственно уменьшить площадь ее поперечного сечения и диаметр, не применяя "никакой волоки. Советскими исследователями М. И. Бойко и Н. И. Куклиным предложен метод непрерывного растяжения проволоки, названный ими «бесфильерным волочением».
Основными недостатками этого метода нагружения, препятствующими его массовому применению, являются: понижение пластичности обрабатываемого металла и необходимость после каждого сравнительно небольшого растяжения подвергать обрабатываемый металл отжигу.
При обычном методе волочения частые отжиги не являются необходимыми; так, например, медь можно протягивать без отжига с суммарной деформацией, доходящей до 99% (20—25 переходов). Однако, если отсутствуют волоки или имеются другие препятствия применению обычного метода волочения, «бесфильерное волочение» может дать надлежащие технические результаты. Следует отметить явление «самоогранения» тончайших проволок при таком растяжении, замеченное и описанное П. Д. Новокрещеновым. Сущность этого явления заключается в том, что круглое до растяжения поперечное сечение проволоки после достаточного растяжения вследствие организованных поворотов кристаллов становится квадратным (Си, Си + 2п, А1, 5г) или шестигранным (2п, Мg) в соответствии с характером решетки металла.