Размещено на http://www.allbest.ru/

Технология волочения

Волочение - один из основных процессов ОМД, при котором пластическая деформация длинной заготовки осуществляется путем протягивания изделия через отверстие в инструменте (волоке), сечение которого меньше поперечного сечения заготовки. Волочение применяют для производства проволоки диаметром до 0,002 мм, прутков, профилей и труб (в том числе малого диаметра и с весьма тонкой стенкой) и для калибровки поперечного сечения проката. Чаще всего волочение реализуют при комнатной температуре, при которой пластическая деформация стали, медных, алюминиевых и других сплавов сопровождается упрочнением. Скорость волочения тонкой проволоки до 50 м/с, прутков и труб - до 10 м/с.

К преимуществам волочения относятся:

Высокая точность размеров поперечного сечения получаемых изделий

Высокая чистота поверхности

Возможность повышения прочностных свойств металла вследствие упрочнения при холодной деформации и пластичности при последующем отжиге. Предел прочности арматурной проволоки диаметром 3…12 мм из высокоуглеродистой стали, полученной волочением, достигает 1400…1900 МПа.

Волочением можно получать сплошные и полые профили сложного поперечного сечения. К недостаткам процесса можно отнести малую величину единичной степени деформации, которая ограничена прочностью выходящего конца изделия, к которому приложена деформирующая сила.

Волочение проволоки

проволока катанка волочение

В качестве исходного материала для волочения используют катаные, прессованные и непрерывно литые заготовки. Получение длинномерных изделий с малым поперечным сечением горячей прокаткой затрудняется вследствие трудности поддержания требуемой равномерной по всей длине температуры. Поэтому горячей прокаткой не получают заготовки диаметром менее 5 мм (для стали) или 8 мм (для меди). Заготовки для производства проволоки из алюминия и других цветных металлов получают горячим прессованием (выдавливанием) или на литейнопрокатных агрегатах.

Для производства канатной проволоки используют катанку из высокоуглеродистых и из легированных сталей. Медная и алюминиевая проволока применяется главным образом в качестве проводников электрического тока.

Технология производства проволоки включает следующие этапы:

Подготовка заготовки (катанки) к волочению

Заострение конца заготовки для ввода в канал оправки и захвата тянущим устройством

Многократное волочение

Промежуточная (для снятия наклепа) и окончательная термообработка

Нанесение покрытий.

Подготовка катанки к волочению

Для эффективного волочения заготовка должна иметь подходящую микроструктуру (для стальной катанки, например, сорбитную структуру).

В ХХ в. было принято подвергать стальную катанку операции патентирования, которая заключается в нагреве до температуры аустенизации (выше А_с3) с последующей выдержкой в расплаве свинца или соли при температуре 450…500 ^оС. На современных непрерывных высокоскоростных проволочных станах удается получать необходимую для волочения структуру непосредственно с прокатного нагрева путем регулируемого двухстороннего водовоздушного охлаждения катанки, расположенной витками на по проницаемой ленте конвейера. При температуре конца прокатки 1000 ^оС и скорости охлаждения 20 ^оС/с на одной тонне катанки образуется 25 кг окалины. Ускоренное охлаждение катанки уменьшает образование окалины на развитой поверхности проката. Поэтому выходящую из чистовой клети катанку (скорость прокатки до 140 м/с) пропускают через заполненные водой трубы и лишь затем подвергают регулируемому охлаждению для образования сорбитной микроструктуры.

Перед волочением необходима тщательная подготовка заготовки для обеспечения возможности реализации эффективной пластической деформации, снижения износа волочильного инструмента и обеспечения высокого качества поверхности готового изделия.

При подготовке катанки к волочению удаляют слои окалины окалины, образуют подсмазочный слой, наносят смазку.

Окалину удаляют механическими и химическими (травлением) и электрохимическим способами с последующей промывкой в горячей и в холодной воде (струей при повышенном давлении). Медь и ее сплавы травят в 5…10 % серной кислоте при температуре 30…60 ^оС.

После очистки поверхности на поверхность заготовки наносят подсмазочный слой, способный удерживать смазку при волочении и избегать налипание металла на рабочую поверхность волоки. Для волочения стальной проволоки сначала наносят первый состоящий из пассиватов подсмазочный слой (меднение, желтение, фосфатирование), а затем верхний слой, способный удерживать смазку (известь, бура). Для желтения проволоку обрабатывают 20…60 мин распыленной водой и паром для образования на поверхности гидрооксида железа. Для омеднения - погружают в водный раствор, содержащий 2…4 % медного купороса и 1,5…3 % серной кислоты. Поверхностный слой меди на стальной поверхности снижает коэффициент трения до 0,08…0,12. Для фосфатирования используют ортофосфорную кислоту и стружку цинка для образования фосфатов цинка, железа и марганца, которые хорошо удерживают смазку. Время обработки 5…10 мин. Известкование выполняют в горячем 5…10 % растворе окиси кальция с интенсивным перемешиванием. При этом удаляются остатки кислот и образуется удерживающая смазку пленка. Затем заготовку сушат горячим воздухом в течение 5…20 мин. Концы бухт проволоки соединяют сваркой для уменьшения потери времени на заправку волочильных машин.

При сухом волочении в качестве смазки применяют мыльный порошок, сульфид молибдена, консистентные масла. При мокром волочении используют эмульсии, которые кроме смазки интенсивно охлаждают проволоку. Для образования 100 л эмульсии берут 580 г олеиновой кислоты, 170 г кальцинированной соли, 980 г минерального масла.

Процесс волочения

Основными показателями степени деформации указаны ниже.

Коэффициент вытяжки (вытяжка) м = F₀/F₁ = L₁/L₀ = v₁/v₀ (закон постоянства секундных объемов).

Относительное обжатие е = (F₀-F₁)/ F₀.

Логарифмическая (истинная) деформация ц = ln(F₀/F₁) = ln м

Эти показатели однозначно связаны между собой:

м = 1/(1- е) = e^ц;

е = 1-м^-1 = 1- e^-ц;

ц = ln [1/(1- е)].

При многопроходном волочении общие показатели деформации равны:

м_об= м₁ м₂ м₃… м_n

ц_об = ц₁ + ц₂ + ц₃ + …+ ц_n

е_об = (F₀ - F_n)/ F₀

(относительные деформации не суммируются).

Волочение осуществляется силой Q, которая вызывает в вышедшем из волоки конце напряжение, называемое напряжением волочения

q = Q / F₀.

Работа А силы Q равна сумме работ сил внутреннего трения (работе деформации) и сил сил внешнего трения металла о стенки канала волоки. При известной величине работы А напряжение волочения определяется как

q = А/(F₁L),

где (F₁L) - объем протянутого изделия.

Степень деформации (вытяжка) за проход ограничена прочностью конца изделия, растягиваемого силой Q.

Условие пластичности при волочении со смазкой можно рассматривать в виде

у_x + р = у_s,

где у_s - напряжение текучести (сопротивление деформации), определяемое с учетом упрочнения металла, у_x - среднее нормальное напряжение в поперечном сечении волочимой проволоки, р - нормальное контактное напряжение (давление) инструмента. Гидростатическое давление (среднее нормальное напряжение) по длине волочильного канала изменяется от - у_т0/3 на входе в очаг деформации до + q/3 на выходе из волоки. Так как величина растягивающего напряжения у_x возрастает по длине рабочего участка гораздо быстрее, чем у_s, минимальное контактное давление имеет место в конце рабочего участка. Его величина в калибрующем участке будет тем меньше, чем больше у_x. Контактное напряжение трения ф пропорционально р и также снижается по длине рабочего участка, причем большей вытяжке оно меньше. С этим связано одно из преимуществ процесса волочения, заключающееся в том, что максимальный износ рабочего канала волоки наблюдается не в конце (где скорость скольжения наибольшая), а в начале - на входе заготовки в волоку, причем износ калибра волоки не увеличивается, а уменьшается с повышением степени деформации за проход. Минимальный износ в калибрующем участке способствует длительности срока службы рабочего инструмента.

Отношение у_т1/ q = к >1 , обеспечивающее отсутствие деформации и исключение обрывности выходящей проволоки, называется коэффициентом запаса при волочении. Обычно к = 1,2…1,4.

Можно показать, что даже при к=1 коэффициент вытяжки за один проход волочения не может превысить

м_{пр = 1 +} у_т1 /р_ср - Т_х /( р_срF₁).

Анализ этой формулы показывает, что применение волочения наиболее эффективно для сильно упрочняющихся сплавов, у которых велико отношение конечного предела текучести у_т1 к среднему контактному давлению р_ср . Последнее слагаемое в правой части равенства показывает вредное влияние суммы проекций сил трения на ось волочения. Влияние этого слагаемого можно уменьшить путем снижения величины (смазка, роликовые волоки) или направления силы трения (вращающиеся волоки).

Приложение силы противонатяжения заготовки уменьшает контактное давление, а следовательно, силы трения, разогрев проволоки и износ волоки. Уменьшение разогрева улучшает условия применения смазки и повышает точность размеров изделия.

Однако необходимость уравновешивать эту силу повышает силу волочения, снижает коэффициент запаса или допускаемую величину вытяжки.

Элементы технологии производства

Т.к. пластичность металла при холодном волочении постепенно снижается, после достижения определенной степени деформации необходим промежуточный отжиг. Стальную проволоку подвергают отжигу после обжатия от 70 до 85 % (для разных сталей. Медную проволоку в ряде случаев волочат до общей деформации 99 %, латунь до 95 %, бронзу до 80 %.

После отжига необходимо очищать поверхность от окалины.

Тонкую проволоку получают на машинах одно- и многократного волочения. При многократном волочении выходящий из волоки конец проволоки наматывается на тяговый барабан, а другой конец сматывается с него и поступает в следующую волоку и на следующий барабан.

Стан многократного волочения может иметь до 30 волок. При работе без скольжения проволоки по барабанам образуют подвижные петли для компенсации некоторого различия в скоростях. Сматывание проволоки с барабана осуществляется системой роликов, один из которых может свободно поворачиваться вокруг оси барабана. Скорость волочения достигает 12 м/с.

При волочении со скольжением проволоку навивают на тяговые шайбы один или несколько (до 4) раз. Силы волочения создаются трением шайбы по проволоки. При волочении с каждой шайбы сматывается столько же витков, сколько и наматывается. Скольжение требует дополнительной энергии, ухудшает качество поверхности проволоки и приводит к износу шайб. Без скольжения волочат мягкую проволоку из меди, алюминия и низкоуглеродистой стали. Окружную скорость тяговых шайб делают на 2…4 % больше скорости выходящей из волоки проволоки, которую определяют из условия постоянства секундного объема. Приемный барабан сматывает готовую проволоку без скольжения. Машины, работающие со скольжением, проще по конструкции и компактнее. При применении жидкой смазки скорость волочения достигает 50 м/с.

Сталь волочат в волоках из твердых сплавов (карбиды вольфрама, молибдена, ванадия, титана, тантала, бора, металлокерамика). Угол волочения 5…12^о.

Для получения тончайшей проволоки (до 0,2 мм) применяют волоки из технического алмаза, в котором отверстие прошивают лазерными и электронными лучами.

Увеличение угла волочения снижает эффективность применения смазки, облегчая ее выдавливание из очага деформации. Наилучшие результаты дает применение жидкостного (гидродинамического) трения, когда между поверхностями заготовки и инструмента сохраняется слой смазочной жидкости. Режим гидродинамического трения наступает при большой скорости волочения, когда находящаяся на заготовке жидкая смазка нагнетается в очаг деформации, и давление в ней превышает давление металла на инструмент. Для повышения давления смазки применяют напорные волоки (рис. ).

Маршрутом волочения называют последовательность изменения размеров проволоки по всем проходам. Если заданы диаметры и скорости вращения барабанов машины многократного волочения, то вытяжки в каждой волоке определяются однозначно. Наибольшая сила волочения зависит от мощности привода барабана N:

Q = зN/v₁.

Толстую (>1.4 мм) медную проволоку волочат со степенью деформации 25…35 % за проход. Проволоку диаметром 0,4…0,6 мм (в катушках) получают с обжатием 15…25 % за проход, тончайшую проволоку (0,03…0,09 мм) - 10…15 %.

Применяя различные степени деформации после окончательного отжига, проволоку поставляют в твердом (е = 35…50 %), полутвердом (15…25 %) и мягком (отожженном) состоянии.

Волочильные машины и их работа

Машины (станы) однократного волочения предназначены для получения проволоки диаметром 4…25 мм, некоторых профилей и труб небольшого диаметра. Проволоку волочат с помощью тянущих вертикальных или горизонтальных барабанов диаметром 350…1000 (преимущественно 550…750) мм. Диаметр барабана выбирают в зависимости от минимального диаметра готовой проволоки.

Схема волочения дана на рис. . Протягиваемая заготовка 2 сматывается с разматывателя 1, заостренный конец задается через мыльницу со смазкой в волоку 3 и закрепляется клещами, соединенными цепью с тянущим барабаном 5, приводимом электродвигателем 7 через редуктор или коробку передач 6. После намотки 6 -7 витков барабан останавливают, конец проволоки освобождают от клещей и закрепляют. В процессе намотки витки проволоки поднимаются вверх по конической части барабана. После накопления на барабане определенного количества проволоки, моток снимают и укладывают на увязочную фигурку. Масса бунта до 1…1.5 т. Частые остановки стана для установки и снятия бунтов ограничивают производительность оборудования. Стан ВС-1/650 имеет барабан диаметром 650 мм. Скорость волочения проволоки диаметром 6 мм до 153 м/мин. Максимальная сила волочения 50 кН.

На двухступенчатом вертикальном барабане можно волочить сразу через две волоки.

Трубоволочильные станы имеют диаметр барабана до 3000 мм, на них получают трубы из цветных сплавов диаметром до 75 мм.

При многократном волочении, при котором можно применять большие общие обжатия, проволока одновременно деформируется в нескольких волоках. Т.к. напряжение в волочимой проволоке близко в пределу текучести волочение через несколько волок одним тянущим усилием (одним барабаном) невозможно, поэтому количество волок обычно равно количеству тянущих барабанов. При установившимся процессе размеры и скорости проволоки во всех сечениях должны удовлетворять уравнению закона постоянства секундных объемов (Fv = Const). При отклонениях от этого условия образуются петли или разрывы.

Для многократного волочения, применяют петлевые и прямоточные станы.

Привод барабанов может быть групповым или индивидуальным. При групповом приводе окружная скорость повышается от барабана к барабану изменением передаточных отношения редуктора (коробок передач) или увеличением диаметров барабанов. Если скорость волочения окажется больше окружной скорости барабана тягового усилия не будет. При индивидуальном приводе случае расширяется возможность выбора единичных деформаций. На станах многократного волочения можно получать тончайшую проволоку. Скорость волочения после каждого прохода возрастает в м раз. Окружные скорости увеличиваются от барабана к барабану при увеличении диаметра или угловой скорости. Последовательный ряд уменьшающихся размеров калибра волоки образует маршрут волочения.

Станы, работающие со скольжением проволоки по барабанам (тяговым шайбам) отличаются простотой конструкции и небольшими габаритами. Применение эффективной жидкой смазки позволяет применять высокие скорости волочения (до 50 м/с). Стан 13/250 имеет 13 волок и барабаны диаметром 250 мм.

Для волочения со скольжением проволоку поочередно заправляют во все волоки, наматывая витки на каждую шайбу. При включении двигателя шайбы создают тяговые силы при окружной скорости, превышающей скорость волочимой проволоки. Если скорость проволоки u_i, а поперечное сечение F_i, то

u₁F₁ = u₂F₂ =…= u_iF_i =…= u_nF_n,

при этом скорость проволоки на зависит от скорости шайб v_i, а зависит только от окружной скорости приемного барабана v_n = u_n. Относительное скольжение на каждой шайбе

(v_i - u_i)/v_i >0,

где

u_i = u_n F_n/F_i.

Для устойчивости процесса волочения необходимо соблюдать неравенство

F_i / F_n > v_n / v_i.

Обычно скольжение на каждой шайбе делают не меньше 2…4 %, но не больше 10…40 %.

При расчетах принимают, что вытяжка в одной волоке м_i = 1,05 i_i, где i_i = v_i+1/v_i = 1,15…1,35 (передаточное отношение). Для последней (калибрующей) волоки, в которой вытяжка минимальна i_n = v_n/v_n-1 = 1,05…1,15. На данной машине передаточные отношения фиксированы. Волочение со скольжением реализуется на компактных машинах с большой кратностью. Достаточно одного волочильщика. Применение жидкой смазки, отводящей выделяющуюся теплоту и повышающей чистоту поверхности позволяет применять скорости волочения до 50м/с.

Недостатки волочения со скольжением связаны с неизбежным износом тяговых шайб и ухудшением качества поверхности проволоки. Такие станы применяются только для мокрого волочения. Для волочения тонкой и тончайшей проволоки применяют ступенчатые барабаны. На каждом валу могут располагаться до 10 шайб различного диаметра.

Общий вид стана волочения без скольжения дан на рис. 4., а одного волочильного блока - на рис.5. Скорость барабанного волочения ограничена динамическими нагрузками на барабанах или перегревом волочимой проволоки. На каждом барабане накапливают определенное количество проволоки для компенсации возможного отклонения скорости волочения от скорости барабана. Отношение окружных скоростей двух смежных барабанов, которое называется передаточным числом или коэффициентом ускорения последующего барабана, должно удовлетворять условию

Vi/Vi-1 > м_i,

т.к. постоянного равенства этих коэффициентов добиться практически невозможно. Если м_i =1,05 Vi/Vi-1, имеется определенный запас, исключающий обрыв проволоки даже при уменьшении вытяжки из-за износа волоки. Петледержатели с подвижными роликами необходимы для согласования скоростей проволоки и барабанов.

Применение противонатяжения уменьшает нагрев волок и проволоки, прочность последней стабилизируется, уменьшается выгорание смазки, появляется возможность повысить скорость волочения. На петлевом стане (рис. ) проволока не скручивается. Перемещение дополительных роликов позволяет точно регулировать петли и натяжение при большой скорости волочения. К недостаткам относится сложность заправки, требующей огибания проволокой небольших натяжных и направляющих роликов. При огибании проволока получает дополнительные пластические деформации. Для волочения необходима сложная система управления.

Индивидуальный привод барабанов применяется в беспетлевых станах (рис. ). Станы работают, не скручивая проволоку, поэтому можно получать некруглые сечения. Заправка упрщается, изгибные деформации незначительны , управлять станом проще. Система управления волочильным станом контролирует силы и скорости волочения на каждой шайбе, оптимизирует режимы обжатий.

Для острения проволоки применяются валковые, ротационно-ковочные, электропневматические машины, резцовые головки, гидропрессы, устройства для заталкивания. На рис.8 показан общий вид острильного станка для круглой заготовки диаметром менее 15 мм, а на рис.9 - острильный валок.

В СССР были разработаны линии волочения с непрерывным отжигом медной проволоки диаметром 0,02…3,5 мм. Часовая производительность непрерывной линии (т/ч) определяется по формуле

А_ч = 2,83сv_бd²k_м,

где с - плотность проволоки (г/см³), d - ее диаметр (мм), v_б - скорость волочения (приемного барабана) (м/с), k_м = 0,5…0,75 - коэффициент машинного времени.

Технологические расчеты

Необходимое для получения конечного размера количества проходов и волок определяется по формуле

n = ln м_{об /} ln м_ср

При известных размерах заготовки и готовой проволоки задаемся частными деформациями и определяем промежуточные размеры проволоки и калибров волок на основании формулы

м_i = F_i-1/F_i.

Затем, учитывая характеристику стана и допуски на размеры сечения готовой проволоки, задаемся скоростью волочения в последней волоке и вытяжкой м_n.

При волочении мягких металлов вытяжки в остальных волоках м_i можно принимать одинаковыми. Для сильно упрочняемых сплавов вытяжки уменьшают по ходу волочения (м_{i+1 <} м_i). Затем для каждого прохода необходимо определить напряжение волочения q_i и коэффициент запаса

к_i = у_тi / q_i.

Переменные пределы текучести у_тi определяем по кривой упрочнения материала или по уравнению

у_тi = у_т0 +аеⁿ,

где у_т0 - предел текучести отожженного материала, а и n - характеристики упрочнения (по экспериментальным данным),

е_i = (F₀ - F_i)/F₀,

F₀ и F_i - площади сечения соответственно отожженной и проволоки, выходящей из данной волоки.

При малых коэффициентах к_i (слишком больших м_i) возможны местные утонения, внутренние разрывы (следствие неравномерности деформации) и есть вероятность обрыва проволоки. При излишне высоких к_i (малых м_i) увеличивается количество проходов (n), общий расход энергии и себестоимость продукции, ниже производительность.

При использовании станов однократного волочения порядок расчета технологии следующий.

Определяем размер сечения готовой проволоки с учетом минусовых допусков.

Размер исходной заготовки определяем с учетом плюсовых допусков.

Определяем максимальную величину общей вытяжки:

м_об^max = (d₀+Д d₀)²/(d₁+Д d₁)²

Задавшись величиной м_ср, определяем необходимое количество проходов, округляя полученное значение в большую сторону.

Если общая степень деформации превышает допустимую для данного сплава по условию пластичности назначаем количество и моменты промежуточных термообработок (отжига).

Назначаем вытяжки в каждом проходе с учетом характера и степени упрочнения материала. В последнем проходе для обеспечения необходимой точности размеров при длительном сроке службы волоки вытяжку принимаем значительно меньше средней. И.Л. Перлин рекомендовал принимать

м_n = vм_ср .

Определяем пределы текучести до и после каждого прохода волочения в зависимости от полученной после отжига степени деформации.

Вычисляем напряжение волочение, коэффициенты запаса к_i и силы волочения Q_i для каждого прохода.

При недостаточных к_i и излишне высоких Q_i (по характеристике стана) перераспределяем деформации по проходам или увеличиваем их количество (n).

Размещено на Allbest.ru