Методы волочения металлов

МЕТОДЫ ВОЛОЧЕНИЯ Волочением называется способ обработки металла давлением, при котором обрабатываемый металл в виде полосы с одинаковым поперечным сечением вводится в канал волочильного инструмента и протягивается (проволакивается) через него. Этот канал имеет поперечные сечения, одинаковые по своей форме или близкие к форме поперечного сечения протягиваемого металла, но плавно уменьшающиеся от места входа металла в инструмент к месту его выхода.Выходное сечение канала всегда меньше поперечного се¬чения протягиваемой полосы.

Поэтому последняя, проходя через волоку, деформируется и изменяет свое поперечное сечение, при¬нимая после выхода из волоки форму и размеры наименьшего сечения канала. Длина полосы при этом увеличивается прямо пропорционально уменьшению поперечного сечения.Перед воло¬чением на специальном станке заостряют передний конец полосы, предназначенной для обработки, с таким расчетом, чтобы конец легко входил в волоку и частично выходил с ее противоположной стороны. Этот конец захватывают специальным механизмом и протягивают.

Схемы основных методов волочения показаны на рисунке. Чтобы уменьшить внешнее трение, между поверхностями про¬тягиваемого металла и волочильного канала вводят смазку. Это уменьшает расход энергии на волочение, способствует получению гладкой поверхности у протягиваемого металла, сильно умень¬шает износ самого канала и позволяет осуществлять процесс с по¬вышенными степенями деформации.Для уменьшения внешнего трения и повышения стойкости ка¬нала часто применяют метод волочения с противонатяжением.

Сущность его заключается в следующем. К протягивае¬мому металлу со стороны входа его в волоку прикладывают силу, направленную в сторону, противоположную движению металла, и потому называемую противонатяжением. От этого в по¬лосе 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 де¬формации и внешнего трения отводят, непрерывно омывая волоки охлаждающей эмульсией, водой, или окружающим воздухом.При таком холодном волочении с надлежащей смазкой и инструмен¬том протянутый металл имеет гладкую блестящую поверхность и достаточно точные размеры поперечного сечения.

В некоторых специальных случаях, когда деформируемый ме¬талл обладает недостаточной пластичностью, при комнатной температуре или высоким сопротивлением деформированию, волоче¬ние ведут в предварительно нагретом состоянии.Например, при волочении цинковой проволоки для увеличения пластичности заготовки ее предварительно подогревают до 80—90°, погру¬жая моток в нагретую воду. В очаге деформации температура проволоки доходит до 120—150°, т. е. до температуры, при которой образуется максимальное количество систем скольже¬ния. При волочении вольфрама и молибдена, имеющих при комнат¬ной 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 умень¬шения сопротивления деформированию в тех случаях, когда это допускается требованиями к поверхности, механическим свойст¬вам 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 ме¬талла могут уменьшаться до заданных величин во всех направ¬лениях 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 тех¬ника изготовления волочильных каналов, в) величина деформации за один пропуск ограничивается мак¬симально 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 последователь¬ных 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 ши¬рины к толщине поперечного сечения, не превышающим примерно 12. Такое изделие называется проволокой. Вследствие большой длины проволоку либо свертывают в мот¬ки, 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 на¬стоящей главы, процесс электролитического растворения перифе¬рийных слоев. 2 Для производства профилей средних и больших сечений раз¬ных 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 отклоне¬ниями 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 труб¬ки диаметром до 0,5 мм, а иногда и тоньше.

Процесс волочения принято характеризовать следующими основными показателями: а) вытяжка; б) коэффициент уменьшения сечения; в) отно¬сительное обжатие, г) относительное удлинение; д) съем и е) ко¬эффициент съема.

Каждый из этих показателей в разных математических выра¬жениях, 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 дефор¬мациях, также указанными в табл В практических расчетах ча¬сто 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 умень¬шение поперечного сечения протягиваемой полосы за рассматри¬ваемый процесс, то становится очевидной необоснованность опре¬деления степени деформации конечного и любого промежуточного этапа процесса путем отнесения уменьшения сечения полосы на этом участке к начальному сечению первого этапа, а не к началь¬ному сечению рассматриваемого этапа.

Иначе говоря, если на¬чальные сечения каждого из этапов обозначить через 5Н ; 5г, , то степень деформации m-го этапа логичнее определить по отношению чем по отношению- Между тем, применяя показатель «обжатия» для всего процесса в виде выражения степень деформации на каждом этапе учитывают по второму, менее обоснованному отношению. При этом получаются заниженные результаты как для каждого участ¬ка, так и общей степени деформации, потому что Необоснованность применения показателя «обжатия» стано¬вится особенно заметной при сравнении больших пластических деформаций Пусть для примера сравниваются процессы с обжа¬тиями 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 близ¬кими 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 показа¬теля «обжатие» и показателя «удлинение», который в отличие от показателя 5 дает завышение степени деформации Только в об¬ласти 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 дефор¬мации, равный , численные значения которого на¬ходятся между соответствующими значениями 5 и > числовые связи в . Этот показатель часто называют показателем «истинной» относительной деформации потому, что он является суммой бесконечно малых деформаций, претерпеваемых рассмат¬риваемым элементом и составляющих его конечную относитель¬ную деформацию При этом за начальные и конечные размеры для каждой промежуточной деформации принимаются те размеры, которые имеет элемент до и после каждой рассматриваемой бес¬конечно малой деформации, а не размеры до и после рассматри¬ваемой конечной деформации. Интересно отметить, что интеграль¬ные показатели, соответствующие обжатиям 98 и 99%, сравни¬вавшиеся ранее, равны соответственно 3,9 и 4,6, т. е. заметно от¬личаются друг от друга и этим создают более правильные пред¬ставления о степенях деформаций в подобных процессах.

Важ¬ным 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 пла¬стических деформаций продолжают применять показатели и объясняется, с одной стороны, переходом из теории упругих де¬формаций, а с другой — простотой определений.

Следует, однако, иметь в виду, что все перечисленные показа¬тели степени деформации полностью не отражают деформирован¬ного состояния обрабатываемого металла. В волочении, как и во всяком техническом процессе обработки металлов давлением, уд¬линение (или укорочение) отдельных элементов обрабатываемого объема в общем случае, помимо основных, или «чистых» сдвигов, сопровождается так называемыми дополнительными или «просты¬ми» сдвигами.

Только при удлинениях или укорочениях, протекающих в на¬правлениях главных деформаций 2, дополнительные сдвиги отсут¬ствуют.

В главе II показано, что даже в самом простом процессе воло¬чения круглого сплошного профиля из сплошной круглой заго¬товки 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 на¬правлением оси канала.

У всех же остальных бесконечно малых элементов деформируемого объема направления главных осей деформации не совпадают с направлением оси волочильного ка¬нала и поэтому удлинения элементов в направлении оси канала сопровождаются дополнительными сдвиговыми деформациями.

Величины этих деформаций зависят от формы волочильного ка¬нала и других условий процесса.

Можно совершенно точно дока¬зать, что удлинения всех элементов, не располо¬женных на оси канала, в направлениях их главных осей деформа¬ции будут больше соответствующих удлинений элементов, рас¬положенных на оси канала.

Поэтому следует иметь в виду, что приведенные ранее показа¬тели степени деформации отражают лишь удлинения в направ¬лении оси канала, не учитывают дополнительных сдвигов, воз¬никающих во всех слоях в направлении этой оси, и являются заниженными по сравнению со средними значениями действитель¬ны4; деформаций удлинения.

Это подтверждается тем, что металл, протянутый через волоку, при прочих воз¬можных равных условиях, более упрочнен, чем металл, дефор¬мированный растяжением.Но все же рассматриваемые показатели считаются основными потому, что при заданных условиях про¬цесса 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 воло¬чения зависят от большого количества самых разнообразных фак¬торов, влияние которых будет подробно разобрано дальше.В ос¬новном 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 прово¬локи. Волочение можно вести либо через одну волоку, либо при по¬мощи специальных устройств одновременно через несколько во¬лок. В первом случае волочение называется однократным, во втором — многократным. Соответственно этому различают две основные группы волочильных машин— однократного и много¬кратного волочения.

Принципиальные схемы многократных ма¬шин описаны далее. Уменьшить диаметр круглого сплошного профиля можно и простым растяжением.Такой метод основан па известном из теории пластической деформации свойстве всякого круглого об¬разца, сделанного из металла, у которого предел текучести мень¬ше 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 умень¬шить площадь ее поперечного сечения и диаметр, не применяя "никакой волоки. Советскими исследователями М. И. Бойко и Н. И. Куклиным предложен метод непрерывного растяже¬ния проволоки, названный ими «бесфильерным волочением». Основными недостатками этого метода нагружения, препят¬ствующими его массовому применению, являются: понижение пластичности обрабатываемого металла и необходимость после каж¬дого сравнительно небольшого растяжения подвергать обрабаты¬ваемый металл отжигу.

При обычном методе волочения частые отжиги не являются необходимыми; так, например, медь можно протягивать без от¬жига с суммарной деформацией, доходящей до 99% (20—25 пере¬ходов). Однако, если отсутствуют волоки или имеются другие препятствия применению обычного метода волочения, «бесфильерное волочение» может дать надлежащие технические результа¬ты. Следует отметить явление «самоогранения» тончайших про¬волок 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 ме¬талла.