Реферат: Методы волочения металлов
МЕТОДЫ ВОЛОЧЕНИЯВолочением называетсяспособ обработки металла давлением, при котором обрабатываемый металл в видеполосы с одинаковым поперечным сечением вводится в канал волочильногоинструмента и протягивается (проволакивается) через него. Этот канал имеетпоперечные сечения, одинаковые по своей форме или близкие к форме поперечногосечения протягиваемого металла, но плавно уменьшающиеся от места входаметалла в инструмент к месту его выхода. Выходное сечение канала всегда меньшепоперечного сечения протягиваемой полосы. Поэтому последняя, проходя черезволоку, деформируется и изменяет свое поперечное сечение, принимая послевыхода из волоки форму и размеры наименьшего сечения канала. Длина полосы при этом увеличивается прямо пропорционально уменьшению поперечного сечения.Перед волочением на специальном станке заостряют передний конец полосы,предназначенной для обработки, с таким расчетом, чтобы конец легко входил вволоку и частично выходил с ее противоположной стороны. Этот конец захватывают специальным механизмом и протягивают.
Схемы основных методов волочения показаны на рисунке. Чтобы уменьшитьвнешнее трение, между поверхностями протягиваемого металла и волочильногоканала вводят смазку. Это уменьшает расход энергии на волочение, способствуетполучению гладкой поверхности у протягиваемого металла, сильно уменьшает износсамого канала и позволяет осуществлять процесс с повышенными степенямидеформации.
Для уменьшения внешнего трения иповышения стойкости канала часто применяют метод волочения спротивонатяжением. Сущность его заключается в следующем. К протягиваемомуметаллу со стороны входа его в волоку прикладывают силу, направленную всторону, противоположную движению металла, и потому называемуюпротивонатяжением. От этого в полосе еще до ее входа в волочильный канал восевом направлении создаются растягивающие напряжения. Они вызывают, как этобудет доказано далее, уменьшение давления металла на стенки канала, что,естественно, увеличивает стойкость последнего. Этот
/>/>/>
/>/>/>
метод имеет и некоторые недостатки,отмеченные далее, и потому не всегда применятся.
В большинствеслучаев металл, обрабатываемый волочением, предварительно не нагревают: онвходит в волочильный канал при комнатной температуре, а образующееся в каналетепло деформации и внешнего трения отводят, непрерывно омывая волокиохлаждающей эмульсией, водой, или окружающим воздухом. При таком холодномволочении с надлежащей смазкой и инструментом протянутый металл имеет гладкуюблестящую поверхность и достаточно точные размеры поперечного сечения.
В некоторых специальныхслучаях, когда деформируемый металл обладает недостаточной пластичностью, прикомнатной температуре или высоким сопротивлением деформированию, волочениеведут в предварительно нагретом состоянии. Например, при волочении цинковойпроволоки для увеличения пластичности заготовки ее предварительно подогреваютдо 80—90°, погружая моток в нагретую воду. В очаге деформации температурапроволоки доходит до 120—150°, т. е. до температуры, при которой образуетсямаксимальное количество систем скольжения.
При волочениивольфрама и молибдена, имеющих при комнатной температуре особо высокуюсопротивляемость пластическому деформированию, их предварительно нагревают до700—800°, пропуская протягиваемый металл через нагревательную камеру,установленную перед волокой.
В настоящее времянамечается применение процесса горячего волочения при протяжке профилей сложныхформ и для уменьшения сопротивления деформированию в тех случаях, когда этодопускается требованиями к поверхности, механическим свойствам и точностиразмеров поперечного сечения.
Из приведенных схемволочения следует, что все они обладают тремя следующими, отличающими их отпрочих видов обработки металлов давлением признаками:
а) линейные размеры поперечныхсечений протягиваемого металла могут уменьшаться до заданных величин во всехнаправлениях одновременно;
б) возможность получить неизменяющийся по длине полосы как сплошной, так и полый профили почти любойформы и таких чиненных размеров его поперечного сечения, какие позволяет техникаизготовления волочильных каналов,
в) величина деформации за одинпропуск ограничивается максимально допустимым напряжением растяжения, возникающим в поперечном сечении протягиваемого металла у выхода из очагадеформации.
Естественно, что это неограничивает величины суммарной деформации между отжигами, которой может бытьподвергнут металл, обрабатываемый волочением Путем ряда последовательныхпротяжек можно получить суммарную деформацию любой величины, в зависимости отпластических свойств протягиваемого металла
Волочение применяется1. Для производствапрофилей большой длины, но сравнительно малых и очень малых сечений различныхформ с отношением ширины к толщине поперечного сечения, не превышающимпримерно 12. Такое изделие называется проволокой.
Вследствие большой длиныпроволоку либо свертывают в мотки, либо наматывают на катушки Волочением можнополучить проволоку диаметром до 6—8 мм. Для дальнейшего уточнения приходитсяприменять процессы, не требующие волок, например процесс равномерногорастяжения, рассмотренный в конце настоящей главы, процесс электролитическогорастворения периферийных слоев.
2 Для производства профилей среднихи больших сечений разных форм с отношением ширины к толщине поперечногосечения, не превышающим примерно 20, а также и в том случае, когдатребуется получить сечение с минимально возможными отклонениями от заданныхразмеров или чистую и гладкую поверхность Такие профили обычно протягивают донебольшой длины (5—6 м) и не смешивают
3 Для производства полыхпрофилей (труб) разных форм и сечений и, особенно, тонкостенных Волочением получают трубки диаметром до 0,5 мм, а иногда и тоньше.
Процесс волочения принятохарактеризовать следующими основными показателями:
а) вытяжка;
б) коэффициент уменьшения сечения;
в) относительное обжатие,
г) относительное удлинение;
д) съем и
е) коэффициент съема.
Каждый из этих показателейв разных математических выражениях, приведенных в табл., связывает поперечныесечения деформируемою металла до и после процесса и этим до некоторой степенихарактеризует степень деформации в рассматриваемом процессе Поэтому всеперечисленные показатели связаны между собой точными геометрическимисоотношениями, основанными на законе практического постоянства объема припластических деформациях, также указанными в табл… В практических расчетах частоприменяют показатель 5 — «относительное обжатие», представляющих собой, как этоуказано в табл., отношение уменьшения поперечного сечения протягиваемогометалла к начальному поперечному сечению (до протяжки). Применение этогопоказателя при волочении, а также и при других процессах обработки металловдавлением, перенесенное из теории упругих деформаций, нельзя считать достаточнотеоретически обоснованным
Еслимысленно разделить любой процесс волочения на несколько этапов и соответственноразделить на части полное уменьшение поперечного сечения протягиваемой полосыза рассматриваемый процесс, то становится очевидной необоснованность определениястепени деформации конечного и любого промежуточного этапа процесса путемотнесения уменьшения сечения полосы на этом участке к начальному сечениюпервого этапа, а не к начальному сечению рассматриваемого этапа. Иначе говоря,если начальные сечения каждого из этапов обозначить через 5Н; 5г, /> , то степень деформации m-го этапа логичнее
определить по отношению/>чем по отношению-/>
Между тем, применяя показатель«обжатия» для всего процесса
в виде выражения/>степень деформации на каждомэтапе
учитывают по второму,менее обоснованному отношению. При этом получаются заниженные результаты какдля каждого участка, так и общей степени деформации, потому что/>
Необоснованностьприменения показателя «обжатия» становится особенно заметной при сравнениибольших пластических деформаций Пусть для примера сравниваются процессы с обжатиямив 98 и 99% На первый взгляд может показаться, что эти процессы по степенидеформации почти одинаковы (отличаются всего на 1 %). Между тем, еслиопределить вытяжку для обоих процессов по формуле, приведенной в табл. />, станет
очевидным, что вытяжка при второмпроцессе вдвое больше, чем при первом, так как:
/>
/>
Поэтому оберассматриваемые степени деформации считать близкими нельзя.
Если сравнить обжатия ещебольшей величины, то разрывы полечатся еще более заметные.
Рассуждая так же, можносчитать недостаточно обоснованным и применение показателя «съем»/>являющегося аналогом показателя«обжатие» и показателя «удлинение», который в отличие от показателя 5 даетзавышение степени деформации Только в области упругих деформаций металлов,имеющих, как известно, весьма небольшие относительные значения, в итогепрактически получаются одни и те же величины, независимо от того, отнесенаразность сечений к начальному или конечному сечению.
В связи с изложенным,важное значение в расчетах имеет так называемый интегральный показатель степенидеформации, равный/>, численныезначения которого находятся между соответствующими значениями 5 и >числовые связи
в/>.
Этот показатель частоназывают/>показателем «истинной»относительной деформации потому, что он является суммой бесконечно малыхдеформаций, претерпеваемых рассматриваемым элементом и составляющих егоконечную относительную деформацию При этом за начальные и конечные размеры длякаждой промежуточной деформации принимаются те размеры, которые имеет элементдо и после каждой рассматриваемой бесконечно малой деформации, а не размеры дои после рассматриваемой конечной деформации. Интересно отметить, что интегральныепоказатели, соответствующие обжатиям 98 и 99%, сравнивавшиеся ранее, равнысоответственно 3,9 и 4,6, т. е. заметно отличаются друг от друга и этимсоздают более правильные представления о степенях деформаций в подобныхпроцессах. Важным расчетным свойством интегрального показателя является его«аддитивность», т. е возможность суммирования показателей и следующих друг задругом переходов Таким свойством показатели />и/> не обладают. Болееподробно об этом показателе. Однако то, что в теории пластических деформацийпродолжают применять показатели/>и/> объясняется, с однойстороны, переходом из теории упругих деформаций, а с другой — простотойопределений.
Следует,однако, иметь в виду, что все перечисленные показатели степени деформацииполностью не отражают деформированного состояния обрабатываемого металла. Вволочении, как и во всяком техническом процессе обработки металлов давлением,удлинение (или укорочение) отдельных элементов обрабатываемого объема в общемслучае, помимо основных, или «чистых» сдвигов, сопровождается так называемымидополнительными или «простыми» сдвигами.
Толькопри удлинениях или укорочениях, протекающих в направлениях главных деформаций2, дополнительные сдвиги отсутствуют.
Вглаве II показано, что даже в самом простомпроцессе волочения круглого сплошного профиля из сплошной круглой заготовкиудлиняются в направлении этой оси без дополнительных сдвигов только бесконечномалые элементы деформируемого объема, которые расположены на оси волочильногоканала, т. е., что направления их главных осей деформации совпадают с направлениемоси канала. У всех же остальных бесконечно малых элементов деформируемогообъема направления главных осей деформации не совпадают с направлением осиволочильного канала и поэтому удлинения элементов в направлении оси каналасопровождаются дополнительными сдвиговыми деформациями. Величины этихдеформаций зависят от формы волочильного канала и других условий процесса.Можно совершенно точно доказать, что удлинения всех элементов, не расположенныхна оси канала, в направлениях их главных осей деформации будут большесоответствующих удлинений элементов, расположенных на оси канала.
Поэтомуследует иметь в виду, что приведенные ранее показатели степени деформацииотражают лишь удлинения в направлении оси канала, не учитывают дополнительныхсдвигов, возникающих во всех слоях в направлении этой оси, и являютсязаниженными по сравнению со средними значениями действительны4; деформацийудлинения. Это подтверждается тем, что металл, протянутый через волоку, припрочих возможных равных условиях, более упрочнен, чем металл, деформированныйрастяжением. Но все же рассматриваемые показатели считаются основными потому,что при заданных условиях процесса они определяют и дополнительные деформации.
Скоростьволочения, под которой обычно понимают скорость движения металла после выходаего из волоки, колеблется в очень больших пределах: от 2 до 3000 м/мин (50м/сек), Скорости волочения зависят от большого количества самых разнообразныхфакторов, влияние которых будет подробно разобрано дальше. В основном можносчитать, что полосы больших сечений подвергают волочению с меньшими скоростями,чем полосы малых сечений.
Твердыеи малопластичные сплавы (например, легированная сталь, нихром, бронза, вольфрами т. п.), а также малопрочные металлы (например, свинец), протягивают с малымискоростями. Наибольшие скорости применяют при волочении медной проволоки.
Волочение можно вестилибо через одну волоку, либо при помощи специальных устройств одновременночерез несколько волок. В первом случае волочение называется однократным, вовтором — многократным. Соответственно этому различают две основные группыволочильных машин— однократного и многократного волочения. Принципиальныесхемы многократных машин описаны далее.
Уменьшить диаметр круглогосплошного профиля можно и простым растяжением. Такой метод основан па известномиз теории пластической деформации свойстве всякого круглого образца,сделанного из металла, у которого предел текучести меньше истинного напряженияразрыва, под действием приложенных сил сравнительно равномерно растягиваться ссоответствующим уменьшением диаметра и сохранением формы поперечного сечения(круга). Чем больше разность между пределом текучести металла до растяжения инапряжением разрыва, тем большее равномерное пиление может показать образец дообразования шейки. Таким способом можно, например, медную отожженную проволокуудлинить примерно на 15% и соответственно уменьшить площадь ее поперечногосечения и диаметр, не применяя «никакой волоки. Советскими исследователямиМ. И. Бойко и Н. И. Куклиным предложен метод непрерывного растяженияпроволоки, названный ими «бесфильерным волочением».
Основныминедостатками этого метода нагружения, препятствующими его массовомуприменению, являются: понижение пластичности обрабатываемого металла инеобходимость после каждого сравнительно небольшого растяжения подвергатьобрабатываемый металл отжигу.
При обычном методе волочениячастые отжиги не являются необходимыми; так, например, медь можно протягиватьбез отжига с суммарной деформацией, доходящей до 99% (20—25 переходов).Однако, если отсутствуют волоки или имеются другие препятствия применениюобычного метода волочения, «бесфильерное волочение» может дать надлежащиетехнические результаты. Следует отметить явление «самоогранения» тончайших проволокпри таком растяжении, замеченное и описанное П. Д. Новокрещеновым. Сущностьэтого явления заключается в том, что круглое до растяжения поперечное сечениепроволоки после достаточного растяжения вследствие организованных поворотовкристаллов становится квадратным (Си, Си + 2п, А1, 5г) или шестигранным (2п,Мg) в соответствии с характером решетки металла.