§ 4.3. Шариковые и роликовые волоки

Обойму волоки, сходной с наружной обоймой обычного шарикового подшипника, вкладывают во вращающийся волокодержатель. Такой волокодержатель может быть непосредственно присоединен к полому валу электромотора, что позволяет создать очень большое число оборотов волоки (до 20 000 об/мин).

При рационально подобранных вытяжках и диаиметрах шариков можно добиться некоторого снижения сил и напряжений волочения. Это объясняется тем, что при накатывании шариков на трубу часть силы волочения передается не через трубу, а через шарики, в то же время силы трения уменьшаются вследствие замены трение скольжения на трение качения. Такое снижение силы волочения может быть весьма полезным при изготовлении тонкостенных труб, особенно из сплавов с высоким сопротивлением деформации.

Для конструктивного осуществления шариковой волоки и процесса накатываниия шариков на трубу необходимо соблюдать следующие условия:

1. Во избежание выжимания металла трубы в пространсто между шариками необходимо, чтобы в волоке было не менее 6 шариков. Из элементарных геометрических соображений известно, что вложенные в круглую обойму 6 соприкасающихся между собой шариков могут опираться на трубу,  которой равен  шарика. При большем же числе шариков  трубы, на которую они могут опираться, превышает их . Т.о., для обеспечения надежности процесса необходимо, чтобы количество шариков было бы не меньше, чем может поместиться по окружности трубы, но не менее шести.

2. Во избежание появления на поверхности трубы винтовых линий, труба за один оборот волоки подается на весьма малую, по сравнению с длиной окружности трубы, вепичину m : m = (0,02…0,04)πD₁.   (4-3)

 Соответственно, v_тр = (0,02…0,04)v_об ,   (4-4)

где D₁ –  трубы; v_тр – скорость волочения трубы; v_об – окружная скорость обоймы по поверхности трубы. Следовательно, каждый шарик волоки во время накатывания совершает два движения: от поступательнлго движения трубы и от вращения волоки. Т.к. по условию (4-3) нельзя применять шарики больших размеров, возможность утонения стенки трубы ограничена.

3. Число оборотов центров шариков около оси трубы заметно менньше числа оборотов обоймы волоки около той же оси.

Крупный недостаток шариковой волоки – потери на трение между шариками, а также между шариками и опорными поверхностями обоймы. Действительно, шарики, вращаясь в обойме в одном и том же направлении, противодействуют один другому в своём движении; опорная поверхность на торцевом кольце не позволяет шарикам двигаться без скользящего трения на цилиндрической опорной поверхности обоймы.

Из-за перечисленных условий и недостатков шариквые волоки не используются в массовом производстве.

В роликовых вращающихся волоках шарики заменены косорасположенными ролками.

§ 4.4. Вибрирующие волоки

Установлено, что, придавая волочильному инструменту вибрацию (колебательное движение), можно в некоторых условиях процесса добиться значительного снижения сил и напряжений волочения, а при разных силах и напряжениях соответственно повысить деформации за переход. Вибрации могут быть осевыми, поперечными и вращательными (крутильными) (рис.66).

Используемые при этом частоты подразделяются на низкие  (звуковые –  25 – 500 Гц) и высокие (ультразвуковые –  16 000 – 80 000 Гц).

Рис. 66. Возможные виды вибраций при волочении (осевая, поперечная и крутильная): 1 – вибраторы; 2 – волока; 3 – волока с обоймой

При низких частотах колебаний волоки она смещается относительно протягиваемого изделия с частотой, обеспечиваемой вибрационным устройством, однако этот процесс не носит волнового характера, поскольку длина волны при таких частотах больше расстояния от волоки до тянущего устройства. Мощность исполбзуемых вибраторов достаточна для обеспечения колебаний волоки без затухания под действием силы волочения. Для получения колебаний низких частот используют вибраторы с механическим или гидравлическим пирводом. Наименьшее значение силы контактного трения получают при минимальной величине отношения v_А/v_к, где v_A – скорость поступательного движения точки вдоль образующей канала волоки; v_к – скорость колебательного движения этой точки, направленная перпендикулярно v_А. Т.о., для достижения максимального эффекта при вибрационном волочении с использовании крутильных колебаний колебательная скорость волоки должна быть возможно большей по сравнению со скоростью волочения.

При использовании продольных колебаний сила волочения начинает снижаться только в том случае, если скорость колебательного движения волоки значительно превышает скорость волочения.

В отличие от волочения с использованием вибраций низких частот, волочение с приложением механических колебаний ультразвуковой частоты нельзя рассматривать только с позиции механического сложения поступательного движения точки вдоль образующей канала волоки и движения в направлении распространения колебаний, хотя такое совмещение существует и заметно влияет на величину контактного трения. При волочении с ульразвуковыми колебаниями имеет место волновой процесс, когда длина волны соизмерима с размерами инструментальной оснастки и расстоянием от волоки до тянущего устройства.

Мощность колебательного органа (0,5…3,0 кВт) значительно меньше мощности, затрачиваемой непосредственно на осуществление процесса волочения. Поэтому, во избежание гашения колебаний при приложении рабочей нагрузки, следует создавать колебарельную систему, включающую в себя волочильный инструмент и протягиваемое изделие, т.о., чтобы она работала в режиме стоячих волн (в резонансе) и на холостом ходу, и в процессе волочения.

В качестве источников механических ультразвуковых колебаний обычно применяют пьезоэлектричкские или магнитострикционные излучатели. Работа пьезоэлектричкского излучателя основана на обратном пьезоэлектричкском эффекте, когда в некоторых кристаллах (кварц, сегнетовая соль, турмалин и др.) под действием переменого электрического поля возникают знакопеременные напряжения и деформации.

В магнитострикционных излучателях используется эффект магнитострикции. Он заключается в способности ферромагнитных материалов изменять свои размеры под действием переменного магнитного поля. В качестве магнитострикционных материалов наиболее часто используют чистый никель, сплав никеля с железом (пермаллой), сплав кобальта с железом (пермендюр).

Рис. 67. Ультразвуковое волочение трубы на закреплённой оправке: 1 – преобразователь; 2 – волновод; 3 – стержень с оправкой; 4 – стакан; 5 – волновод - волокодержатель; 6 – рабочая волока; 7 – волока для настройки в резонанс колебательной системы при приложении силы волочения; 8 – протягиваемая труба

Разработаны различные методы, обеспечивающие сохранение резонансных условий при волочении с различными способами подвода колебаний в деформационную зону (рис.67). Эти методы также предотвращают "неконтролируемое разупрочнение", которое прежде часто приводило к обрывам при напряжениях, значительно меньших предела текучести деформируемого металла.