§ 6.3. Степень деформации

Надо иметь в виду:

1. Степень деформации влияет на прочностные характеристики, поэтому, изучая её влияние на силу и напряжение волочения, следует учитывать изменение  σ_в.

2. Рост степени деформации влечёт за собой увеличение её скорости, что в общем случае увеличивает сопротивление деформации. Однако, в пределах практически применяемых при волочении степеней деформации, их влияние на скоростной коэффициент сопротиления деформации настолько незнасительно, что им часто пренебрегают.

3. Степень деформации влияет на величину прироста новой поверхности, а при сохранении профиля волоки – на длину деформационной зоны. От этого зависят скорости взаимного перемещения протягиваемого металла относительно контактной поверхности волоки и условия смазки, а следовательно, и коэффициент внешнего трения.

4. Степень деформации может быть выражана тремя показателями: δ =

λ =  i_l = .   Степень деформации можно изменить, меняя только

величину начального сечения, только величину коненого сечения, либо того и другого одновременно. Но произвольный выбор степени деформации невозможен. Так, при изменении только начального сечения нельзя использовать показатель δ, т.к. в этом случае величины показатнлей будут несравнимы между собой из-за того, что при изменении F_н вместе с числителем меняется и знаменатель, а разность сечений (F_н – F_к) будет отнесена не к постоянной величине, а к переменной. При изменении только конечного сечения нельзя по той же причине использовать показатель  λ. При изменении же обоих сечений неприменимы ни первый, ни второй показатели. В этом отношении от первых двух выгодно отличается третий интегральный (логарифмический) показатель  i_l, который аддитивен и получтся в результате суммирования элементпрных деформаций и применим во всех случаях.

5. Рассматриваемые показатели степени деформации отражают лишь осевое удлинение и не учитывают сдвигов в этом направлении. Поэтому они определяют только главную максимальную деформацию центрального элементарного слоя. Но главные максимальные деформации всех остальных слоёв превышают величну, определяемую этим показателем, и поэтому его можно считать минимальным по отношению к показателям степени деформации периферийных слоёв.

При волочении труб на оправке (цилиндрической закреплённой, цилиндрической подвижной) кроме общей степени деформации за переход, необходимо учитывать соотношение деформаций на диаметр и на толщину стенки трубы. При увеличении вытяжки по  возрастает утолщение стенки на участке безопрвочного волочения, приводящее к возрастанию немонотонности деформации и к возрастанию действительной деформации по сравнению с рассчётной по отношению площадей. Поэтому при волочении труб на оправках целесообразно увеличивать вытяжку по стенке и уменьшать вытяжку по .

§ 6.4. Форма продольного профиля волочильного канала и его оптимальные папаметры

Контактная поверхность волочильного канала состоит из двух основных зон: обжимающей (рабочей) и калибрующей. Назначение калибрующей зоны, помимо придания выходящему из волоки профилю заданных поперечных размеров, состоит в повышении стойкости выходной части канала. Образующая обжимающей части канала чаще всего представляет собой прямую линию, наклонённую под небольшим углом (3…15º), а иногда и линию, близкую к дуге окружности, часто называемую радиальной. Образующая калибрующей зоны представляет собой прямую линию, параллельную оси канала. Обжимающая и калибрующая зоны соединены переходной, которая представляет собой продолжение обжимающей с постепенно уменьшающимся углом наклона образующей к оси канала. Образующую переходной зоны можно считать дугй окружности радиуса r (радиус закругления), касательной к образующим обеих крайних зон. Такая переходная зона резко уменьшает, а чаще всего исключает образование внеконтактной деформации и увеличивает стойкость канала, т.к. исключает возможность интенсивного износа (истирания) мест сопряжения. При неизменной длине деформационной зоны с увличением радуса закругления переходной зоны возрастает общая длина обжимающей зоны, а длина калибрующей зоны канала уменьшается. Если образующая обжимающей зоны представляет кривую, близкую к дуге окружности, переходная зона сливается с обжимающей.

Имеются также входная и выходная зоны. Назначение входной зоны: а) предотвращать возможность появления царапин и надрывов металла у входа в обжимающую зону канала из-за всегда имеющегося некоторого несовпадения оси канала и оси протягиваемого профиля; б) улучшить подачу смазки в деформационную зону в результате её скопления во входной зоне, отжимаемой из канала и обволакивания этой смазкой металла у входа в обжимяющую зону.

Оптимальный угол между образующей входной зоны и осью канала должен составлять 40…45º, а длина этой зоны должна равняться (1…1,5)D_н.

Назначение выходной зоны – предохранение поверхности деформированного металла от царапин, которые могут образоваться от трения о кромки канала у выхода при несовпадении оси канала с направлением тяговой силы. Форма выходных зон – коническая или полушаровая. Обычно на производстве входная и выходная зоны называются входной и выходной «распушками».

Размеры входной и выходной зон зависят от смазки, особенностей волочильного оборудования и материала волоки.

При проектировании канала с прямыми образующими существует зона оптимальных углов α, где сила и напряжение волочения при пр.р.у. практически минимальны. Существование зоны оптимальных углов объясняется влиянием угла α на силовые условия в двух прямо противоположных направлениях:

1. Увеличение угла α ведёт к повышению резкости поворотов линий скольжения, вызывающему увеличение дополнительных сдвигов, допонительное упрочнение металла, рост напряжений на контактной поверхности и, т.о., повышение сил и напряжений волочения.

2. С увелиыением угла α уменьшается контактная поверхность, что способствует понижению общего давления металла на волоку и, т.о., сил и напряжений волочения; одновременно увеличивается проекция равнодействующих элементарных нормальных и касательных сил, возникающих на контактной поверхности, на ось канала (рис.81), что ведёт к повышению силы и напряжения волочения.

3. С увеличением угла α повышается скорость деформации, а с ней иногда несколько повышается и сопротивление деформации.

Рис. 81.  Изменение величины контактной поверхности и проекций равнодействующих  R₁  и  R₂  элементарных нормальных и тангенциальных сил на направление оси волочильного канала в завсимоости от угла α (угол трения ρ постоянен)

4. При вводе смазки в канал без достаточного давления с увеличением угла α неизбежно ухудшаются условия трения и повышается коэффициент трения, т.е. его среднее по контактной поверхности значение  f_{n ср}. При волочени в таких условиях смазка отгоняется в сторону входа в волочильный канал, о чем свидетельствует её накопление у входа. Чем больше угол α, тем больше нормальное и касательное напряжение контактной поверхности и тем интенсивнее отгон смазки. Поэтому у такого металла получается более чистая поверхность. Сила волочения заметно понижается от смазки, когда угол волочильного канала невелик. При больших углах сила волочения понижается от смазки, особенно жидкой и малоактивной, очень мало, т.к. она интенсивно выдавливается из волочильного канала и почти не остаётся на контактной поверхности волочильного канала. С увеличением угла α повышается кэффициент трения, а с ним сила и напряжение волочения. При малых углах канала (α = 2…3º) вследствие гидродинамического эффекта значительно уменьшается износ канала волоки.

5. С увеличением номальных напряжений возрастает количество тепл трения. Это ведёт к повышению температуры в основном тонкого поверхностного слоя протягиваемого металла, отчего увеличивается коэффициент внешнего трения и иногда ухудшаются условия смазки.

6. Значительное уменьшение угла α вызывает соответствующее увеличение контактной поверхности, что, несмотря на гидродинамический эффект, может повысить силу и напряжение волочения.

В результате сложного взаимодействия перечисленных факторов образуется оптимальный угол или зона оптимальных углов, при которых сила и напряжение волочения минимальны (рис.83).

Рис. 83. Образование зоны оптимальных углов

Кривая 1 показывает изменение той части напряжения волочения, которая не зависит от сил контактного трения. Эта кривая с увеличением α монотонно возрастает из-за увеличения угла поворота линий скольжения. Кривая 2 показывает изменение той части напряжения волочения, которая зависит от сил трения. С ростом α контактная поверхность уменьшается в начаче (левый участок) интенсивнее, чем повышается напряжение трения на этой поверхности, в результате чего на этом участке понижается напряжение волочения. На среднем участке изменения контактной поверхности и напряжения трения взаимно компенсируются. На правом участке контактная поверхность с ростом α уменьшается менее интенсивно, чем повышаются напряжения трения, и напряжения волочения увеличиваются.

Кривая 3 – результирующая кривых 1 и 2 и она показывает полное напряжение волочения K_в в зависимости от α при пр.р.у. Эта кривая на среднем участке показывает зону опимальных углов. 

При α = 0 кривая 3 показывает σ_в = σ_т, что следует из условия пластичности (2.9). После достижения осевым напряжением волочкния величины σ_тк (σ_т изменяется по длине волочильного канала σ_н → σ_к) радиальное напряжение становится равным нулю, и силы трения на последующих участках контактной поверхности не возрастают.

Несмотря на сложный характер взаимодействия различных факторов, влияющих на образование зоны оптимальных углов, довольно четко выражены следующие закономерности:

1. Положение зоны оптимальных углов зависит от степени деформации. С увеличением деформации начало зоны сдвигается в сторону больших углов, сокращая этим величину контактной поверхности.

2. Положение зоны оптимальных углов зависит от величины коэффициента трения. С его ростом, как и с ростом степени деформации, эта зона сдвигается в сторону больших углов. Это подтверждается положением зон оптимальных улов для разных металлов и сплавов. Начальные границы оптимальных зон у алюминия и меди, коэффициенты внешнего трения у которых несколько больше, чем у твёрдых металлов и сплавов (бронзы, никелевых латуней), смещены в сторону больших углов.

3. На положение зоны оптимальных углов влияет противонатяжение. С его ростом несколько уменьшается величина угла, соответствующего началу зоны оптимальных углов.

4. С увеличением среднего  профиля, т.е. среднего  деформационной зоны, при пр.р.у. возрастает контактная поверхность и более быстро затухают продольные сдвиговые деформации от периферийных слоёв к осевым. Это приводит к уменьшению влияния поворота траекторий главных нормальных продольных напряжений на силу волочения. С увеличением среднего  зона оптимальных углов при пр.р.у. сдвигается в сторону больших углов, при которых контактная поверхность уменьшается.

Канал конической формы, пригодный для больших обжатий, т.е. имеющий большой угол α, при малых обжатиях даёт недостаточную контактную поверхность и быстро изнашивается (рис.87).

Рис. 87. Сравнение деформационных зон радиального и конического каналов

Конический канал, предназначенный для малых обжатий, т.е. со сравнительно небольшим углом, при протяжке с большими обжатиями даёт большую длину контактной поверхности, отчего могут увеличиться силы внешнего трени. Радиальная же форма – комбинация каналов с большими и малыми углами, а поэтому она более универсальна. Несмотря на это преимущество, радиальные волоки применяются для волочения проволоки тонких размеров. При больших длинах деформационной зоны, соответствующих средним и большим  проволоки, получить канал с радальной образующей заданной кривизны более трудно, чем канал с пямой образующей. При малых длинах деформационной зоны, соответствующих тонким и тончайшим , разброс в кривизне образующей получается значительно меньшим, что облегчает получение каналов с радиальной образующей.  Параметром профиля обычно служит угол α (рис.89), образованный хордой АВ (или СВ), проходящей через начало и конец рабочей части радиальной образующей. Этот условный параметр изменяется по длине деформационной зоны. Он обязательно увеличивается с ростом обжатия, что следует учитывать при анализе процесса волочения проволоки тонких и тончайших .

Рис. 89. Волоки коического и радиального профиля: а – конический профиль  α = α₁ = α₂; б – радиальный профиль α₁ < α₂

При волочении проволоки больших и средних  применяют каналы конической и радиальной форм (со сравнительно большими радиусами кривизны), для волочения тонких и тончайших размеров используют каналы практически только радиальной формы.

Более эффекттивно для обеспечения равномерности износа волочильного канала соблюдение постоянсва произведения интенсивности деформации на напряжение контактного трения. Это произведение может к выходу уменьшаться, поэтому более рациональной становится форма канала, приближающаяся к конической (рис.90).

Рис. 90. Изменение относительного напряжения волочения Кв/Sтx по длине деформационной зоны при волочении латуни Л63 через волоки с каналами разного профиля:  1 – α = const, tgα = 0,1; 2 – tgα_A = 0,1, tgα_Е = 0,72, l/R = 0,65; 3 – tgα_A = 0, tgα_E = 0,86, l/R = 0,86

Была предложена форма образующей волочильного канала, образованная кривой АБ (рис.91), вогнутой в тело волоки и построенной по формуле

F_x sin2α_x = const, (6.1)

где  F_x  – текущее поперечное сечение канала; α_x  – текущее значение угла наклона касательной к кривой АБ (α_x1 и α_x2 на рис.91).

Рис. 91. Предложенный профиль волочильного канала

Эта зависимость была получена при проектировании профиля, который, изнашиваясь, сохранял бы свою форму, отчего увеличивался бы срок службы канала. При этом применялись следующие допущения:

1. нормальное давление на стенки обжимающей зоны канала постоянно;

2. отсутсрвует давление металла на стенки калибрующей зоны канала и её износ;

3. совершенно равномерный износ стенок канала под влиянием равномерно распределённого давления.

В обжимающей зоне канала поверхность протягиваемого металла увеличивается по направлению его движения и растёт воздействие сил трения на стенки канала, отчего он быстрее изнашивается по направлению к выходу. Целесообразнее делать пофиль обжимающей зоны с выпуклыми стенками волоки, т.е. радиальным.

Был предложен т.н. «сигмоидальный» профиль волочильного канала – комбинация конической и ралиальной форм (рис.92), образующую которой можно считать вогнуто-выпуклой линией.

Рис.92. «Сигмоидальный» («бутылкообразный») профиль рабочего канала

Было проведено сравнительное исследование волочения полос из алюминия через волоки с каналами 4-х форм: сигмоидальной, конической, вогнутой и выпуклой (табл.8). Таблица 8.

Напряжения волочения алюминиевых полос шириной 12,7 мм через волоки с разными профилями канала

Профиль канала	Толщина полосы, мм		Относительное обжатие δ, %%	Напряжение волочения σв, кГ/мм2
	Dн – до волочения	Dк – после волочения
Сигмоидальный Конический Радиальный вогнутый Радиальный выпуклый	9,593 9,588 9,588 9,58	4,915 4,902 4,927 4,992	48,8 48,9 48,6 49,0	9,62 10,00 9,67 10,38

Недостаток сигмоидальных каналов – повышенная трудность их изготовления и невозможность использования одной волоки для разных относительных деформаций, т.к. при уменьшении деформации часть канала с малым углом искключается из работы.

Представляет интерес определение величины оптимального угла α_опт,

например, по формуле  .   (6.2)

На силу и напряжение волочения влияет длина калибрующей зоны канала. Протягиваемый металл туда попадает под некоторым сжимающим напряжением от упругих деформаций, от чего между металлом и калибрующей поверхностью возникают напряжения внешнего трения. Длина калибрующей зоны может выбираться в пределах  (0,1…1,5)D_к.  Влияние длины калибрующей зоны на напряжение волочения зависит от степени деформации: при малых деформациях она больше, т.к. часть напряжения волочения, идущая на преодоление там трения, составляет заметную долю общего напряжения, и наоборот. Напорное волочение:

При волочении сплошных профилей, осаживании и профилировании труб иногда целесооразно применять сдвоенные или даже строенные (т.н. многосекционные) волоки. В отличие от многократного волочения, общая степень деформации при таком методе не может заметно превышать допустимой при однократном волочении. Однако этот метод имеет следующие преимущества:

1. Во второй и третьей волоках процесс идёт с противонатяжением от предыдущих волок, что ведёт к понижениию давления металла на стенки канала и уменьшает его износ. Поэтому можно более длительно использовать выходные волоки и заменять их по мере износа независимо от остальных.

2. Могут быть значтельно улучшены условия смазки и охлаждения протягиваемого металла, т.к. в межсекционные промежутки легко ввести смазку.

3. При волочении с большими углами наклона образующей канала (α = 20…25º), например, при осаживании труб с обязательным утонением стенок, применение многосекционных волок позволяет достичь наименьшего расхождения между осями каналов и направлением тянущей силы, т.к. при этом общая длина увеличивается и этим облегчается более правильная установка основной (центральной) секции волоки. Недрстатки многосекциоееой волоки:

1. Усложнение конструкции волокодержателя;

2. Увеличение отходов металла на захватку;

3. Некоторое повышение силы волочения по сравнению с односекционной волокой (прт пр.р.у. деформации). Это объясняется тем, что в промежутках между секциями волоки размеры протягиваемого металла вследствие его упругости несколько возрастают по сравнению с теми, которые у него были в момент выхода из предыдщей секции.

4. Увеличивается суммарная длина калибрующей зоны, что вызывает дополнительные затраты энергии на преодоление сил трения.

При определении размеров волочильного канала и заготовок для волочения необходимо учитывать:

а) длина обжимающей зоны должна быть несколько больше расчётной, чтобы исключить возможность начала деформации за пределами обжимающей зоны (т.е. во входной зоне канала) вследствие несовпадения оси канала и оси заготовки, а также вследствие возможного некоторого превышения начальных размеров протягиваемой полосы против расчётных (это может быть при разработке канала предыдущей волоки). Длина деформационной зоны должна определяться по максимуму;

б) длины входной и выходной зон должны обеспечивать достаточную прочность волоки против расклинивающего действия радиальных сил.

Лекция 6