книги / Теория волочения

ником. Такое устройство чаще всего представляет собой коробку с несколькими вращающимися роликами, перегибающими про­ волоку в разные стороны с затухающей стрелой прогиба (рис. 184).

J

/2

Рис. 184. Схема правильного аппарата и его установки:

/ — волока; 2 — правильное устройство; 3 — приемник проволоки

3. ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ

Остаточные напряжения в круглых прутках и проволоке

В условиях волочения круглого профиля при полной симметрии деформаций и напряжений относительно продольной оси профиля, а также полной гомогенности металла неравномерность деформа­ ций и напряжений возникает только вследствие трех причин:

1 . Конусообразная форма деформационной зоны, при которой нормальные силы, возникающие на контактной поверхности, даже при полном отсутствии сил трения (абстрактный случай) вызывают отставание периферийных слоев от центральных и приводят к ис­ кривлениям ранее плоских поперечных сечений (см. гл. II).

2. Действие сил трения на контактной поверхности волочиль­ ного канала, усиливающих отставание периферийных слоев от центральных; поэтому периферийные слои испытывают большие удлинения, чем центральные.

3. Неравномерность передачи радиальных напряжений от во­ локи на металл и в обратном направлении (так же, как и окруж­ ных) аналогична тому, как это происходит при передаче напря­ жений, приложенных к внешней или внутренней поверхности трубы [1 1 1 .

Во время процесса волочения периферийные слои подвергаются повышенным деформациям сдвига в продольном направлении, чем центральные. Поэтому после окончания процесса волочения пери­ ферийные слои вследствие упругого последействия укорачиваются больше, чем центральные. Целостность металла как бы выравни­ вает эти укорочения. Поэтому неизбежно появление растягиваю­ щих остаточных напряжений в периферийных и сжимающих оста­ точных напряжений в центральных слоях сплошного круглого протянутого прутка. В соответствии с этим характер распределе­ ния продольных напряжений в протянутом круглом прутке может быть представлен схемой, изображенной на рис. 185, а. Существо­ вание остаточных продольных растягивающих напряжений на по­ верхности протянутого профиля подтверждает форма плен, иногда

встречающихся на этих поверхностях, обычно отстающих в виде изогнутых чешуек.

Вследствие явления упругого последействия все кольцевые слои круглого профиля увеличиваются по диаметру, однако этому в какой-то мере противодействует соседний, обволакизающий слой. Поэтому в радиальном-направлении все концентрические кольцевые слои, подобно трубам, нагруженным внутренним равно­ мерным давлением, находятся под напряжениями сжатия, сни­ жающимися до нуля у самого поверхностного слоя.

В соответствии с этим характер остаточных радиальных на­ пряжений круглого протянутого прутка может быть представлен схемой, изображенной на рис. 185, б.

Остаточные напряжения при всех условиях взаимно уравно­ вешиваются. Этому, на первый взгляд, не соответствует характер

Рис. 185. Эпюры продольных (а), радиальных (6) и окружных

(а) остаточных напряжений в протянутом круглом прутке при отсутствии какой-либо дальнейшей обработки

эпюры напряжений, изображенной на рис. 185, б, которая пока­ зывает наличие только сжимающих радиальных напряжений. Но эти напряжения симметричны относительно оси прутка, поэтому создаваемые ими элементарные сжимающие силы попарно уравно­ вешиваются и соблюдается упоминавшееся выше условие взаим­ ного уравновешивания остаточных напряжений.

Такой характер эпюры остаточных напряжений подтверждается известным в производстве проволоки расщеплением ее по меридио­ нальной плоскости (рис. 186, в), появляющимся при волочении сплавов малой вязкости (например, вольфрам, легированная сталь) в результате их интенсивного упрочнения, когда вызываемые оста­ точными напряжениями деформации превышают предельные для упрочненного металла.

Если сточить некоторый наружный слой круглого протянутого прутка, то диаметр оставшегося прутка вследствие упругого после­ действия несколько увеличится. Это показывает, что каждый на-

372

ружный слой нагружен растягивающими окружными напряже­ ниями от действия внутреннего слоя.

Если высверлить некоторый центральный объем прутка в виде продольного круглого канала, то диаметр высверленного канала несколько уменьшится. Это показывает, что внутренние концен­ трические слои находятся под окружными напряжениями сжатия.

Таким образом, у протянутого круглого прутка внешние кон­ центрические слои находятся под окружными напряжениями рас­ тяжения, а внутренние — под окружными напряжениями сжатия. Следовательно, имеется какая-то нейтральная цилиндрическая поверхность с нулевым окружным напряжением. В соответствии с этим характер остаточных окружных напряжений круглого про­ тянутого прутка может быть представлен схемой, изображенной на рис. 185, в.

в

Рис. 186. Схема расположения трещин на латунном прутке от сезон­ ного растрескивания (а и б) и на сплавах малой вязкости при их чрезмерном упрочнении (в)

Такой характер остаточных напряжений подтверждается не­ посредственным их измерением [1 , 12, 131, а также расположением трещин, иногда появляющихся на прутках из латуни и некоторых других сплавов вследствие проявления процесса так называемого сезонного растрескивания. Эти трещины, как известно, являются последствием газовой коррозии металла, находящегося под рас­ тягивающими напряжениями, и располагаются обычно либо по образующей цилиндрической поверхности (рис. 186, а), либо пер­ пендикулярно к ней (рис. 186, б), либо в обоих этих направлениях, что подтверждает описанный ранее характер остаточных напря­ жений.

Большие растягивающие продольные и окружные напряжения, возникающие на периферийных слоях, могут служить причиной продольных расщеплений, наблюдающихся иногда на концах про­ тянутого прутка. Остаточные напряжения можно заметно снизить низкотемпературным отпуском ранее протянутого металла, спо­ собствующим осуществлению «возврата» [14].

Такие напряжения могут быть также заметно снижены допол­ нительной механической обработкой, создающей небольшие пла­ стические деформации, которые, распространяясь только по по­

373-

верхностным слоям, вызывают их удлинение и увеличение диа­ метров. Удлинение в первую очередь уничтожает имевшиеся до дополнительной обработки в этих слоях продольные упругие де­ формации растяжения. Если это удлинение не затухает, то вслед­ ствие сопротивления к удлинению более глубоких слоев появ­ ляются поверхностные упругие деформации сжатия, вызывающие остаточные напряжения сжатия. Стремление наружных слоев

Рис. 187. Схема обкатки круглого прутка гиперболо идальными роликами

к увеличению диаметра возникает вследствие невозможности их полного удлинения. Это приводит к уменьшению растягивающих окружных напряжений, а иногда и к образованию сжимающих окружных напряжений. При этом в наружных слоях (вследствие

их стремления оторваться от внутренних слоев) вместо имевшихся ранее сжимающих создаются радиальные растягивающие напря­ жения.

Одним из таких распространенных видов дополнительной ме­ ханической обработки является правка прутков обкаткой гипер-

няются по схеме, показанной на рис. 188, описанной С. И. Губки­ ным [11 и Заксом [131. При этом несколько увеличивается диа­ метр правленого прутка по сравнению с волоченым. Это увеличение диаметра объясняется осевым сжатием центральных и соответству-

374

ющим расширением периферийных слоев и становится заметным при диаметре примерно 30 мм и более. Последнее обстоятельство необходимо учитывать при волочении прутков больших диамет­ ров и подборе соответствующих диаметров волок, чтобы правле­ ный пруток не вышел из поля допусков.

Имеются указания [15], что волочение с обжатием в последнем переходе в пределах 0,8—1,5% дает примерно такие же резуль­ таты, как и обкатка. Такое обжатие, как и при обкатке, создавая небольшие пластические деформации только поверхностных слоев, помогает переходу в этих слоях упругих продольных и окружных

к большим дополнительным напряжениям и к росту остаточных осевых напряжений. Закс [13], измеряя стрелы прогиба обточен­ ных проволок, подсчитал величину продольных напряжений, воз­ никающих в центральных слоях латунной проволоки при разных углах а и деформациях. Результаты его расчетов приведены на рис. 189. Они подтверждают указанное предположение. Повыше­ ние коэффициента внешнего трения приводит к тем же результа­ там, что и увеличение угла а, так как в том и другом случае растет осевая составляющая давления инструмента на протягиваемый металл. Это подтверждается известным в волочильном производ­ стве увеличением продольной кривизны полосы, протянутой с пло­ хой смазкой (большой коэффициент трения), по сравнению с кри­ визной такой же полосы, протянутой при прочих равных усло­ виях с хорошей смазкой (малый коэффициент трения).

Опыты Закса показали, что величины остаточных продольных напряжений в центральных слоях изменяются в зависимости от степени деформации не монотонно, а растут от малых деформа-

375

ций к некоторым предельным (в опытах Закса эти пределы колеб­ лются между 20—30%) и затем падают. Примерно такой же ха­ рактер зависимости величины остаточных напряжений от степени деформации показали опыты Форстера и Штамбке [15] при магнит­ ном исследовании напряжений в никелевой проволоке. Такой ха­ рактер изменения рассматриваемых напряжений объясняется следующим образом. Пусть:

L0 — длина проволоки до волочения;

Ln — длина поверхностного слоя этой же проволоки после во­ лочения;

Lu — длина бесконечно тонкого слоя, прилегающего к оси проволоки после волочения.

Упругие деформации, которые произойдут после процесса во­ лочения и вызовут остаточные продольные напряжения, можно считать прямо пропорциональными отношению разности удлине­ ний периферийного и центрального слоев к конечному размеру проволоки:

При повышении деформации в пределах небольших величин зна­

упругие деформации и остаточные продольные напряжения. При росте деформации в пределах больших величин наблюдается обрат­

Противонатяжецие уменьшает остаточные напряжения. Это под­ тверждается известным в волочильном производстве фактом, что проволока, протянутая с противонатяжением, всегда изгибается заметно меньше проволоки, протянутой при прочих равных усло­ виях без противонатяжения. Это происходит потому, что при противонатяжении напряжение волочения возрастает, а с ним уве­ личиваются абсолютные значения упругих продольных дефор­ маций, нормальные же напряжения на контактной поверхности падают (согласно условию пластичности), а с ними уменьшается и отставание периферийных слоев от центральных, т. е. в выра­ жении (XI11-5) числитель уменьшается, а знаменатель увеличи­ вается.

Рассмотренные положения позволяют установить характер влияния дробности деформации на величину остаточных напря­ жений. С увеличением дробности деформации, т. е. с уменьшением частных вытяжек в каждом отдельном переходе, понижается на-

.376

пряжение волочения и повышаются радиальные напряжения, а с ними и силы трения. Вследствие этого неравномерность дефор­ мации, свойственная процессу волочения, суммарно увеличивается и возрастают остаточные напряжения.

На первый взгляд, может показаться, что на развитие про­ дольных остаточных напряжений могут заметно влиять периоди­

фигурации плоских поперечных сечений во время волочения (рис. 191). Поперечное сечение У—У(рис. 191, а), бывшее до воло-

а — после первого перехода; б — после второго перехода с сохранением напра­ вления; в — после второго перехода с волочением в противоположном напра­

влении

чения плоским, после первого перехода превратилось в выпуклое. Плоское сечение 2—2, проходящее через вершину выпуклости се­ чения У—У, после второго перехода (рис. 191, б), выполненного- в одинаковом направлении с первым, также стало выпуклым. Кривизна сечения У—У за второй переход сильно увеличилась главным образом вследствие положительной деформации в про-

377

степени приводит к отступлению от закономерностей, выведенных без учета этих дополнительных, но неизбежных факторов. Поэтому,, изучая остаточные напряжения в круглых прутках, полученных в производственных условиях, можно встретиться и с заметными отклонениями от схем эпюр, показанных на рис. 185 и 188.

Остаточные напряжения в сплошных некруглых профилях

При волочении сплошных некруглых профилей к изложенным факторам, вызывающим появление остаточных напряжений в круг­ лых профилях, часто добавляется еще один решающий фактор — большая неравномерность деформации по отдельным участкам поперечного сечения профиля. Упругие деформации, возникающие при волочении профиля с большой неравномерностью пластиче­ ской деформации по поперечному сечению, накладываясь на

А

Рис. 193. Продольный изгиб профиля КЛИНОВИДНОЙ

формы, протянутого из прямоугольной заготовки

упругие деформации, возникающие по другим причинам, могут резко изменить напряженное состояние.

Рассмотрим напряженное состояние профиля клиновидной формы, протянутого из прямоугольной заготовки. Такой профиль после волочения обязательно изгибается и принимает форму дуги (рис. 193). Это происходит потому, что слои металла, лежа­ щие ближе к грани А , удлиняются больше, чем лежащие ближе к грани Б. Целостность металла препятствует достижению каж­ дым из слоев своей «естественной длины», т. е. длины, которую имели бы эти слои в таких же деформационных условиях, но без воздействия на них соседних слоев. В результате этого происходит некоторое выравнивание слоев по их длинам, вызывающее у слоев, лежащих вблизи грани Л, остаточные сжимающие напряжения, а у слоев, лежащих ближе к грани Б , остаточные растягивающие напряжения. Очевидно, что с уменьшением неравномерности деформации по отдельным участкам поперечного сечения профиля дополнительные остаточные напряжения меньше влияют на напря­ женное состояние, которое в этом случае приближается к напря­ женному состоянию круглого профиля.

В подтверждение этого на рис. 194 приведены шестигранные латунные образцы с продольными и поперечными трещинами, аналогичными появляющимся у круглых профилей. Следует отметить, что у профилей, имеющих углубления, на поверхност­ ных слоях этих углублений никогда не замечается поперечных

379