7

Череповецкий государственный университет

Институт Металлургии и Химии

Теория волочения

и прессования

Курс лекций

Специальность: 11.06 – обработка металлов давлением

17.03в – машины и агрегаты метизного производства

Череповец – 2001

Основная литература

1. Перлин И.Л., Ерманок М.З. Теория волочения. Изд-во "Металлургия", 1971, 2-е изд., 448 с.

2. Аркулис Г.Э., Дорогобид В.Г. Теория пластичности. Учебное пособие для вузов. М.: Металлургия, 1987, 352 с.

Лекции – 32 ч.; Практические – 36 ч.;  Лабораторные – 16 ч.

Основные понятия и термины :

Пластичность : Состояние твёрдого тела, при котором под достаточным силовым воздействием может произойти необратимое, без разрушения, изменение расстояний между элементарными частицами.

Вязкость : Свойство металла разрушаться под действием непрерывно приложенной одноосной растягивающей нагрузки только после большой пластической деформации.

Вязкое состояние : Состояние, в котором металл при статическом одноосном растяжении разрушается только после большой предварительной пластической деформации.

Хрупкость : Свойство металла разрушаться под воздействием растягивающих сил без заметной пластической деформации.

Хрупкое состояние : Состояние, в котором металл при статическом растяжении разрушается без заметной предварительной пластической деформации.

Сопротивление пластической деформации :  Прочностная характеристика металла, обусловливающая начало пластической деформации. Такой характеристикой является либо напряжение чистого пластического сдвига, либо линейное напряжение текучести, равное удвоенному напряжению чистого сдвига. Принимаем линейное напряжение текучести.

Напряжение :  Величина, характеризующая интенсивность нагружения (действующей силы) на заданную поверхность.

Поверхность нагружения : поверхность пластической зоны, образующаяся контактными поверхностями деформируемого металла с инструментом и поверхностями, отделяющими пластические зоны от упругих.

Рабочие напряжения : Нормальные (действующие перпендикулярно рассматриваемой площадке) и касательные (действующие в плоскости рассматриваемой площадки) напряжения, возникающие вследствие воздействия внешних сил на поверхность нагружения.

Степень деформации :  Относительная главная деформация удлинения.

Интегральная деформация :  Показатель конечной относительной деформации, выраженной определенным интегралом бесконечно малых относительных деформаций.

Полоса : Общее наименование протягиваемого металла независимо от формы поперечного сечения.

Профиль : Общее наименование поперечного сечения протягиваемой полосы.

Глава I Сущность процесса волочения, его основные разновидности и деформационные показатели

ВОЛОЧЕНИЕМ называется способ ОМД, при котором обрабатываемый металл в виде заготовки постоянного поперечного сечения вводится в канал волочильного инструмента (волоки, фильеры) и протягивается (проволакивается) через него.

Сечение канала плавно уменьшается от места входа металла в инструмент к месту выхода из него. Выходное сечение канала всегда меньше поперечного сечения протягиваемой заготовки, поэтому заготовка, проходя через волоку, деформируется, поперечное сечение её изменяется, и она после выхода из волоки принимает форму и размеры наименьшего сечения канала (рис.1). Длина полосы при этом возрастает прямо пропорционально уменьшению поперечного сечения. Перед волочением на специальном станке заостряют заправочный конец предназначенной для обработки заготовки, чтобы этот конец легко входил в волоку и частично выходил с её противоположной стороны. Этот конец захватывают специальным тянущим механизмом.

Чтобы уменьшить внешнее трение, между поверхностями протягиваемого металла и волочильного канала вводят смазку. Это уменьшает расход энергии на волочение, способствует получению гладкой поверхности, уменьшает износ инструмента и позволяет проводить процесс с повышенными степенями деформации. Для уменьшения внешнего трения и износа канала применяют волочение с противонатяжением (рис.2): к протягиваемой полосе со стороны входа в волоку прикладывают силу Q, направленную в сторону, противоположную движению металла, и поэтому называемую также внешним противонатяжением. При этом в заготовке ещё до её входа в волочильный канал создаются растягивающие напряжения. Этот метод отличается также некоторыми недостатками, и потому не всегда применяется.

В большинстве случаев металл, обрабатываемый волочением, предварительно не нагревают (холодное волочение), а образующееся в канале тепло деформации и внешнего трения отводится окружающей средой или охлаждающими эмульсиями, водой, маслами, непрерывно омывающими волоку. Холодное волочение с использованием качественной смазки и инструмента рационального профиля позволяет получать изделие с гладкой блестящей поверхностью и достаточно точными размерами поперечного сечения.

В некоторых случаях, когда деформируемый металл в холодном состоянии имеет недостаточную вязкость или высокое сопротивление деформации, волочение ведут с предварительным подогревом. Например, нагрев для цинковой проволоки 80 – 90ºС погружением в нагретую воду; нагрев сталей мартенситного класса и титановых сплавов доводят до 500 – 700ºС; при волочении вольфрама и молибдена их предварительно нагревают до 800 – 900ºС, например, электроконтактным способом перед волокой (рис.3). Процессы волочения с предварительным нагревом используются при производстве сложных профилей.

Все способы волочения отличаются от прочих видов ОМД тремя особенностями:

а) линейные размеры сечения протягиваемого металла уменьшаются до заданных величин во всех направлениях одновременно;

б) возможность получения сплошных и полых конфигураций поперечного сечения, не изменяющегося по длине профиля;

в) величина деформации за один переход ограничивается максимально допустимым напряжением растяжения в поперечном сечении протягиваемого металла у выхода из деформационной зоны.

Это не ограничивает величины суммарной деформации, которой может быть подвергнут металл при волочении рядом последовательных протяжек с промежуточными отжигами.

Рис. 1.  Основные разновидности процесса волочения:  а) – круглого сплошного профиля; б) – некруглого сплошного профиля; в) – круглой трубы, без оправки; г) – круглой трубы, на закрепленной оправке; д) – круглой трубы, на самоустанавливающейся оправке; е) – круглой трубы, на подвижной оправке;

1 – волока; 2 – протягиваемое изделие; 3 – оправка

Волочение применяют:

1. Для производства профилей большой длины, малых и очень малых сечений различных форм с отношением ширины к толщине, не превышающим ≈ 12.  Такие изделия называются проволокой. Вследствие большой длины проволоку либо сматывают в мотки, либо наматывают на катушки. Волочением можно получить проволоку  до 6 – 8 мкм. Для дальнейшего утонения применяют другие процессы, например, равномерное растяжение или электролитическое растворение периферийных слоёв.

2. Для производства сплошных профилей средних и больших сечений разных форм с отношением ширины к толщине поперечного сечения, не превышающим ≈ 20, а также в том случае, когда требуется получить сечение с минимально возможными отклонениями от заданных размеров или чистую и гладкую поверхность. Эти профили обычно протягивают до небольшой длины (7 – 12 м) и не сматывают.

3. Для производства полых профилей (труб) разных форм и сечений и особенно толстостенных. Волочением получают трубы  до 0,5 мм с толщиной стенки до 0,05 мм, а иногда и меньше.

Рис. 2. Процесс волочения с внешним противонатяжением: P_q – усилие волочения; Q – усилие противонатяжения

Рис. 3. Процесс волочения с предварительным нагревом

Процесс волочения характеризуется следующими основными геометрическими показателями:

• вытяжка μ ;

• относительное обжатие δ ;

• относительное удлинение λ ;

• интегральная деформация удлинения i_l .

Эти показатели в разных математических выражениях характеризуют главную деформацию удлинения осевого слоя, которая в процессе волочения является максимальной по отношению к поперечным и поэтому достаточно полно отражающей деформационную сторону процесса. Поэтому, под термином «степень деформации» подразумевается именно эта величина. Все показатели характеризуют изменение поперечного сечения металла и длины полосы в процессе волочения, поэтому все показатели (табл. 1.) связаны между собой точными геометрическими соотношениями, основанными на законе практического постоянства объёма при пластических деформациях:  F_нL_н = F_кL_к .

Т а б л и ц а 1.

Показатели относительной деформации металла при волочении и зависимость между ними

Показатели			Показатель, выраженный через
			Fн и Fк	Lн и Lк	μ	il	δ	λ
Н а з в а н и е, обозначение	Вытяжка	μ	Fн ––– Fк	Lк ––– Lн	μ	exp il	1 ––––– 1 – δ	1 + λ
	Относительное обжатие	δ	Fн – Fк –––––– Fн	Lк – Lн ––––––– Lк	μ–1 ––– μ	–	δ	λ ––––– 1 + λ
	Относительное удлинение	λ	Fн – Fк –––––– Fк	Lк – Lн –––––– Lн	μ–1	–	δ ––––– 1 – δ	λ
	Интегральная деформация удлинения	il	Fн ln –– Fк	Lк ln –– Lн	ln μ	il	1 ln –––– 1 – δ	ln (1+λ)

В расчётах часто применяют показатель δ – «относительное обжатие», представляющий собой отношение уменьшения поперечного сечения протягиваемого металла к начальному поперечному сечению (до волочения). Применение этого показателя, перенесённого из теории упругих деформаций, нельзя считать достаточно теоретически обоснованным. Пусть, для примера, сравниваются процессы с обжатиями 98 и 99%. Если определить вытяжку μ для обоих процессов по формуле μ = 1/(1 – δ) , то станет очевидным, что μ₉₈ = 50; μ₉₉ = 100, т.е. при втором процессе вытяжка в два раза больше, чем при первом, и рассматриваемые степени деформации считать близкими нельзя. Рассуждая аналогично, можно показать, что применение показателя «относительное удлинение» λ также недостаточно обоснованно.

В связи с изложенным, большое значение в расчётах имеет интегральная деформация удлинения i_l = ln (F_н /F_к). Для рассматриваемого примера 98- и 99-%% обжатий, этот показатель принимает значения соответственно 3,9 и 4,6, которые заметно отличаются друг от друга и более правильно представляют степени деформаций. Важным свойством этого интегрального показателя является его аддитивность, т.е. возможность суммирования показателей следующих один за другим переходов. Таким свойством показатели δ и λ не обладают. Однако, показатели δ и λ продолжают применяться в теории пластических деформаций, что объясняется простотой и наглядностью их определения.

Приведённые показатели степени деформации отражают лишь удлинения в направлении оси канала, не учитывают дополнительных сдвигов, возникающих во всех слоях в направлении этой оси, и поэтому занижены по сравнению с деформациями удлинения каждого из элементарных слоёв, кроме центрального, и, следовательно, по сравнению со средним значением действительных деформаций удлинения.

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 (0,03 – 50 м/с). Скорости волочения зависят от множества самых разнообразных факторов; в основном можно считать, что заготовки больших сечений подвергают волочению с меньшими скоростями, чем заготовки меньших сечений. Твёрдые и маловязкие сплавы (легированная сталь, нихром, бронза, вольфрам), а также малопрочные металлы (свинец) протягивают с малыми скоростями. Наибольшие скорости применяют при волочении медной проволоки.

Волочение можно вести либо через одну волоку (однократное волочение), либо при помощи специальных устройств одновременно через несколько волок (многократное волочение). Соответственно этому различают две группы машин – однократного и многократного волочения.

Уменьшить  круглого сплошного профиля можно и простым растяжением. Такой метод основан на известном из теории пластической деформации свойстве всякого круглого металлического образца под действием приложенных сил сравнительно равномерно растягиваться до определенного предела с соответствующим уменьшением  и сохранением круглой формы поперечного сечения. Чем больше разность между напряжением текучести металла и напряжением разрыва, тем больше равномерное удлинение образца до образования шейки. Основные недостатки этого метода, препятствующие его широкому применению – понижение вязкости обрабатываемого металла и необходимость после каждого сравнительно небольшого растяжения отжигать обрабатываемый металл. При обычном методе волочения частые отжиги не всегда необходимы: медь можно протягивать без отжига с общим обжатием до 99% (20 – 25 переходов).