Определение технологических параметров процесса волочения

Между силой волочения и прочностными характеристиками σ_В и σ_Т металла заготовки существует практически линейная зависимость [1, с.105-106]. Сопротивление деформации металла заготовки при волочении наиболее близко к пределу пластичности σ_Т, если металл находится в отожжённом состоянии. Если металл уже подвергался деформированию и упрочнён, его нагрузочная кривая может не иметь площадки текучести; в таком случае в качестве величины сопротивления деформации берут условный предел пластичности σ₀₂.

Обычно при проектировании процесса волочения марка и состояние металла заранее известны (исходные данные) и его сопротивление деформации можно определить по справочнику [2] или измерить непосредственно при снятии прочностных характеристик. При волочении, в ходе холодной пластической деформации, металл заготовки интенсивно упрочняется, его сопротивление деформации возрастает, он испытывает деформационное упрочнение. Сопротивление деформации (предел текучести) можно непосредственно снять с деформационной кривой или определить по известной степени деформации по диаграмме упрочнения стали данной марки, взятой в справочнике [2]. Если это необходимо, надо учитывать и масштабный фактор [1, с.217].

Характеристики взаимно трущихся поверхностей заготовки и инструмента влияют на условия смазки и коэффициент трения при волочении. Требования к рабочей поверхности волоки однозначны: она должна иметь минимальную шероховатость (максимальную чистоту поверхности). Поверхность же заготовки должна обладать мелкой шероховатостью, улучшающей захват и удержание смазки в очаге деформации, что способствует снижению коэффициента трения.

Исследование параметров шероховатости проводят на приборах – профилометрах (профилографах). Обычно замеряют следующие характеристики:

R_a   – среднеарифметическое отклонение профиля;

R_Z   – отклонение профиля, измеренное по 10-ти точкам максимального отклонения;

R_max – наибольшая величина отклонения;

P_C   – число пиков на 1 см поверхности.

Критерии качества поверхности заготовки с точки зрения процесса волочения представляются следующими: параметры R_a, R_Z и R_max должны быть не слишком малыми, но близкими друг к другу; параметр P_C должен быть возможно бóльшим. Микрорельеф такой поверхности однороден. С помощью профилографа можно, кроме того, строить профилограммы поверхности.

Силы контактного трения могут быть уменьшены применением качественных технологических смазок. Качество же технологической смазки характеризуется следующими параметрами:

• вязкостью;

• активностью по отношению к металлу или подсмазочному покрытию;

• температурной стойкостью в условиях зоны деформации.

Повышение до некоторого предела вязкости смазки уменьшает силы трения [1]. Вязкость может измеряться специальным прибором – вискозиметром.

Активность смазки (адгезия, липкость) проявляется как её способность связываться с поверхностью металла при волочении. При хорошей адгезии смазочный клин становится более толстым и устойчивым и коэффициент трения снижается. Для повышения адгезии смазок применяют специальные подсмазочные покрытия, по отношению к которым активность смазки высока.

Смазка не должна разлагаться (окисляться, подгорать) в условиях очага деформации – высоких температур, давлений и градиентов скоростей. Это определяется химической стойкостью и инертностью смазочного вещества в условиях повышенных температур. Кроме того, смазка не должна слишком значительно снижать свою вязкость при высоких температурах.

Нормальное напряжение на контактных поверхностях в начале деформационной зоны быстро возрастает и может достигать величин, превышающих сопротивление деформации. Для ввода смазки между контактными поверхностями необходимо, чтобы она подавалась под давлением, несколько превышающим начальное нормальное контактное напряжение. Величина этого превышения зависит от способа подачи смазки в зону деформации и определяет начальную толщину смазочного клина. Способ подачи смазки в зону деформации определяется оснащением волочильного узла, т.е. узла, включающего смазочную ванну (мыльницу) и волоку в волокодержателе. Основные способы подачи смазки в зону деформации следующие:

• свободный ввод смазки;

• гидростатический (принудительный);

• гидродинамический (самонагнетание).

Свободный ввод смазки означает, что смазка, расположенная у входа в волочильный канал, находится под атмосферным давлением. При свободном вводе смазки наблюдается её отгон от рабочей зоны под действием контактных напряжений. Превышение давления смазки над начальным контактным напряжением определяется только адгезионной способностью (липкостью) смазки по отношению к поверхности заготовки и конфигурацией входной части волочильного канала, в т.ч. углом рабочего конуса волоки. При уменьшении угла волоки на входе в рабочую зону давление смазки и толщина смазочной прослойки возрастает, отгон уменьшается, коэффициент трения снижается.

Гидростатическим называется способ, при котором повышенное давление смазки у входа в канал создаётся специальным насосом высокого давления.

Гидродинамический ввод смазки предполагает использование эффекта повышения давления смазки от её трения о движущуюся заготовку в узком зазоре между заготовкой и специальной, герметически соединённой с волокой трубкой-насадкой, в качестве которой обычно применяются напорная трубка или напорная фильера (прямое следствие закона Бернулли о сопротивлении движению жидкости в трубах). Давление, обеспечиваемое насадкой, определяется не только активностью и вязкостью смазки, но и длиной насадки, величиной зазора и скоростью движения заготовки в этом зазоре [7].

В том или ином виде гидродинамический эффект захвата и транспорта смазки через волоку при волочении действует всегда. Например, именно он вызывает отгон смазки от деформационной зоны обратно в смазочную ванну.

В процессе волочения в деформационной зоне выделяется тепло от деформации и тепло от трения заготовки о поверхность волоки (т.н. тепло внешнего трения). Выделяющееся при волочении тепло повышает температуру проволоки относительно исходной температуры заготовки. Оно и определяет температурный режим процесса волочения. В большинстве случаев холодного волочения исходная температура заготовки равна температуре окружающей среды в помещении, где она хранится, и может быть измерена обыкновенным термометром. Если при волочении применяется нагрев или охлаждение заготовки, её исходная температура может быть измерена соответственно в нагревателе (печи) или охладителе (холодильнике) с помощью термопары.

Тепло деформации распределяется почти равномерно по всему сечению протягиваемого металла. Наблюдается некоторое увеличение количества выделяемого тепла к периферийным слоям сечения, обусловленное дополнительными сдвигами. Теплота от внешнего трения выделяется на контактной поверхности, т.е. строго на контуре сечения, поэтому в течение некоторого времени после выхода из канала поверхность проволоки отличается существенно более высокой температурой по отношению ко всему сечению.

В итоге повышается температура волоки, проволоки и смазки, что ведёт к изменению сопротивления деформации и сил трения. Измерение температур при волочении производят с помощью контактных термопар, закрепляемых на проволоке и волоке, либо с помощью «естественной термопары», образованной проволокой и волокой; но необходимо учитывать, что величина э.д.с. такой термопары зависит от толщины смазочной плёнки. Более точные и надёжные результаты могут быть получены с помощью аппаратуры, регистрирующей интенсивность инфракрасного излучения проволоки сразу после её выхода из волоки. Это могут быть инфракрасные фотометры (болометры), тепловизоры.

Таким образом, по установленным параметрам усилие и напряжение волочения может быть определено аналитически по известным формулам:

• Формула И.Л.Перлина [1]:

; (1.1)

• Приближенная формула И.Л.Перлина:

; (1.2)

• Формула Р.Б.Красильщикова для оценочных расчётов:

. (1.3)

Расшифровка входящих в формулы параметров дана в Л.р.№4. Формулы отличаются между собой сложностью. Кроме того, они также характеризуются различной степенью точности для различных условий процесса волочения.

З а д а н и е

1. Извлечь из волоки заготовку и по отпечатку рабочего канала волоки определить геометрические параметры процесса волочения:

1.1. определить форму и размеры начального профиля заготовки d_Н;

1.2. определить форму и размеры конечного профиля проволоки d_К;

1.3. определить угол конусности α волочильного канала;

1.4. определить длину калибрующего пояска волоки l_К  {примечание: чтобы получить чёткий отпечаток кромки калибрующего пояска, следует перед извлечением заготовки несколько раз отогнуть вращательными движениями выходную (более тонкую) её часть}.

1.5. по различным показателям вычислить степень пластической деформации:

1.5.1. вытяжку μ,

1.5.2. относительное обжатие δ,

1.5.3. относительное удлинение λ,

1.5.4. интегральную деформацию удлинения i_l.

2. По марке стали катанки, используя справочные материалы, определить сопротивление металла деформации:

2.1. исходное σ_ТН;

2.2. конечное σ_ТК;

2.3. величину абсолютного деформационного упрочнения ∆σ_Т = σ_ТН – σ_ТК,

2.4. вычислить среднее сопротивление металла в процессе волочения:

2.4.1. арифметическое σ_ТС = (σ_ТН + σ_ТК)/2,

2.4.2. геометрическое .

3. Визуально и на ощупь убедиться в различии шероховатости поверхности катанки:

3.1. в исходном состоянии (с окалиной);

3.2. после взлома и отслаивания части окалины (окалиноломания);

3.3. после окончательной, более тонкой абразивно-порошковой очистки;

3.4. после волочения проволоки (осторожно!);

3.5. сравнить характерные показатели шероховатости катанки и проволоки между собой и с шероховатостью рабочей поверхности волоки.

4. Определить вид технологической смазки и способ ее подачи в зону деформации.

5. Соблюдая осторожность, убедиться в высокой температуре проволоки после волочения.