§ 2.5. Противонатяжение и его влияние на характер деформаций и напряжённое состояние

Практически заметное повышение осевых растягивающих напряжений в пластической зоне начинается не сразу, а только по достижении некоторой (критической) величины противонатяжения. Поэтому противонатяжение нецелесообразно доводить до больших величин, например, равных пределу текучести, особенно при волочении предварительно упрочнённого металла.

Подвергаясь только упругим или малым упруго-пластическим деформациям от противонатяжения, протягиваемый металл входит в основную пластическую зону с небольшим уменьшением своего первоначального сечения. Т.к. условие пластичности (2-9) остается неизменным, то вызываемое противонатяжением общее увеличение растягивающих напряжений  σ_l  неизбежно влечёт снижение сжимающих напряжений  σ_r  и  σ_n  и напряжений трения  τ_f.  Как следствие этого, уменьшается износ волочильного канала, значительно реже появляются кольцевые углубления в начале контактной поверхности. Но общее увеличение растягивающих напряжений вызывает необходимость снижения обжатия для исключения обрывов. Т.о., противонатяжение повышает стойкость инструмента, но в общем случае вызывает увеличение дробности деформации, что в некоторых случаях может приводить к менее экономичным суммарным результатам.

Изменение продольных напряжений (рис.34) при отсутствии противонатяжения представлено линией σ_lo, при противонатяжении σ_q – линией σ_lq. Линией (σ_l + σ_r) представлено изменение суммы продольных и радиальных напряжений каждой точки зоны. Положение этой линии в пластической зоне не зависит от наличия, величины или отсутствия противонатяжения, т.к. отражает лишь изменение величины σ_т, связанное с процессом волочения. Поэтому в любом поперечном сечении пластической зоны YY часть ординаты ac показывает величину главного радиального нормального напряжения какой-то точки при отсутствии противонатяжения, а часть ординаты ab – величину главного радиального нормального напряжения в этой же точке при противонатяжении, при этом ab < ac. При волочении с противонатяжением увеличиваются растягивающие и уменьшаются сжимающие напряжения, а следовательно, снижаются напряжения трения. В этом случае линия σ_lo займёт положение линии σ_lq. Приведена также схема (рис.35), дополнительно иллюстрирующая влияние противонатяжения на силовые условия волочения.

Рис. 34. Изменение продольных и радиальных главных нормальных напряжений вдоль деформационной зоны при волочении с внешним противонатяжением σ_lq и без него (σ_q – напряжение противонатяжения)

Рис.35. Дополнительная схема изменения продольных σ_l и радиальных σ_r главных нормальных напряжений и напряжения трения τ_f в зависимости от отсутствия а или наличия б внешнего противонатяжения Q

В случае, когда при волочении без противонатяжения в определённых условиях (рис.9) возникает зона трёхосного сжатия, при противонатяжении она укорачивается, а при достаточной величине его полностью исключается.

§ 2.6. Пластичность при волочении

При напряжённом состоянии (одно растягивающее и два сжимающих напряжения), в котором находятся почти все элементарные объёмы деформационной зоны (за исключением возможной очень небольшой зоны трёхосного сжатия), создаются условия, при которых пластичность протягиваемого металла становится наименьшей по сравнению с пластичностью этих же металлов при всех других технических процессах ОМД. Исключение составляет лишь процесс листовой штамповки, при котором пластичность почти такая же, как при волочении, и процесс растяжения, пластичность при котором понижается ещё сильнее, чем при волочении. Это объясняется тем, что при деформации растяжением растягивающие напряжения в деформируемом металле в общем случае больше, чем напряжения, возникающие в таком же металле при волочении с такой же степенью деформации. Это следует из условия пластичности (2-9), поскольку в процессе равномерного линейного растяжения σ_r = 0, а также из того, что сила при растяжении P_рас действует лишь на пути ΔL_н, тогда как сила волочения на пути L_к = L_н + ΔL_н. Следовательно, сравнительно небольшое превышение работы волочения над работой растяжения приводит к тому, что P_рас >> P_в.  Об этом же свидетельствует и то, что при волочении одна главная деформация – продольная – является активной (удлинение), а две другие – радиальная и окружная (укорочение) – пассивные, способствующие удлинению без разрушения. Иначе говоря, процесс волочения идёт при активно-пассивных деформациях, тогда как линейное растяжение ведётся только при активной деформации. Относительно невысокая пластичность металла в процессе волочения обусловливает то, что серийные процессы волочения, например, проволоки, ведутся со сравнительно небольшими частными деформациями. Так, при волочении проволоки даже из наиболее вязких металлов, вытяжка в осевом направлении практически не превышает 1,75 (интегральная деформация i = 0,56, обжатие δ = 43%).

Следует отметить влияние гидростатического давления на пластичность. При гидростатических давлениях 10 000 – 30 000 кГ/см², соответственно повышающих всесторонние сжимающие напряжения, возникающие при пластических деформациях, заметно повышается пластичность при растяжении. Так, полное сужение при внешнем давлении 25 000 кГ/см² составляло при разрыве твёрдых сталей 90 – 95%, чугуна – до 45%, фосфористой бронзы для припоя (93% Cu и 7% Ph) – до 80%.

Установка для волочения при больших давлениях представляет собой сосуд высокого давления (рис.), состоящий из двух камер, соединённых между собой.

Рис. 36. Установка для гидростатического волочения проволоки: а – исходное положение; б – положение в начале процесса; 1 – металлический стержень, подвергаемый волочению; 2 – волока; 3 – первая камера высокого давления; 4 – вторая камера высокого давления; 5 – соединительная камера; 6 – тяга; 7 – втулка; 8 – вентиль; 9 – поршень

Давление создаётся при перемещении поршня в той камере, в которой находятся волока и отрезок проволоки, подвергающийся волочению. К выступающему из волки концу проволоки присоединена тяга в виде длинного стержня, который проходит через соединительную камеру и почти достигает втулки, находящейся у входа во вторую камеру. Тяга плотно пригнана к отверстию втулки. Давление поднимается до заданной величины соответствующим перемещением поршня, после чего поршень срезает предохранительный штифт; при этом освобождается пружина, действующая на скользящие втулки (эти втулки и пружина на схеме не показаны). Под действием пружины вся система, состоящая из волоки, проволоки и присоединённой к ней тяги, перемещается до упора в дно первой камеры. При этом тяга входит в отверстие втулки, находящейся у входа во вторую камеру, и вся система занимает положение, показанное на правой части рисунка. После этого открывается вентиль (положение б), находящийся в нижнем конце второй камеры, давление постепенно снижается, тяга под повышенным давлением в первой камере проталкивается во вторую, а прикреплённая к ней проволока протягивается через волоку при давлении, созданном в первой камере.

Опыты проводили с нагартованной стальной проволокой  1,93 мм с пределом прочности до волочения 230 кГ/мм². Проволоку волочили под внешним давлением 120 кГ/мм² и за 6 переходов без отжигов при средней вытяжке за переход 1,43 протянули на  0,66 мм.

Такая же проволока для сравнения была протянута до ≈ 0,66 мм при атмосферном давлении. Эту операцию удалось выполнить лишь за 15 переходов со средней вытяжкой за переход лишь 1,15. При сопоставлении механических свойств обоих проволок было обнаружено, что до ≈ 1 мм проволока, протянутая обоими методами, имела сходные характеристики. При дальнейших протяжках при атмосферном давлении на соответствующей проволоке в некоторых местах обнаруживались нарушения целостности и уменьшение пределов прочности. Проволока  0,66 мм ломалась при изгибе и имела практически нулевую остаточную вязкость. Проволока, полученная волочением при давлении 120 кГ/мм², была менее хрупкой и отличалась заметной остаточной вязкостью.

Эти результаты позволили предположить, что, применяя большие гидростатические давления, можно заметно повысить пластичность при волочении и этим увеличить суммарные обжатия от отжига до отжига.

Эти опыты применяются пока в лабораторных исследованиях, когда необходимо получить проволоку из сильно упрочнённых металлов, в обычных условиях плохо деформирующихся.