книги / Теория волочения

Глава IV

ВОЛОЧЕНИЕ В ВОЛОКАХ С ПОДВИЖНЫМИ КОНТАКТНЫМИ

ПОВЕРХНОСТЯМИ

1.ВРАЩАЮЩИЕСЯ МОНОЛИТНЫЕ ВОЛОКИ

Врассмотренных выше процессах значительная часть силы воло­ чения уходит на преодоление внешнего трения. Для повыше­

ния интенсивности процесса при волочении круглых профилей волоке сообщают вращательное движение в плоскости, перпен­ дикулярной оси канала. На рис. 61 показана схема сил, действую­ щих на элементарной площадке А контактной поверхности вра­ щающейся волоки. Каждая такая площадка будет двигаться от-

Рис. 61. Схема сил, действующих на металл в канале монолитной вращающейся волоки

носительно протягиваемого металла прямолинейно в направлении, обратном поступательному движению металла, со скоростью vBAy

соответствующей скорости волочения цв, и вращаться со скоростью

В точке А на металл действуют элементарная сила N, нормаль­ ная к его поверхности, и вызываемая ею сила трения Nfn, дей-

ствующая в направлении движения волоки относительно металлаt т. е. в направлении вектора vp. При проектировании силы трения на ось канала и на плоскость, ей перпендикулярную, эта сила разложится на две: Nf cos р и Nf sin р. Очевидно, что по сравне­ нию с невращающейся молокой растягивающие силы в каждой элементарной площадке уменьшатся на NА (1 — cos Р). Это умень­ шение тем значительнее, чем больше угол р, т. е., согласно фор­ муле (IV-2), чем больше отношение окружной скорости точки А к скорости волочения, тем меньше силы трения, действующие в направлении, обратном волочению.

Этот вывод подтвердился опытами, которые показали, что при скорости волочения 1,5 мм/сек и при окружной скорости 2,5— 3,0 мм/сек, т. е. при tg р = 1,7ч-2, напряжение волочения сни­ жается примерно на 12—15% [11.

Практического применения этот способ, однако, не получил, так как при обычных скоростях волочения для заметного снижения напряжения пришлось бы вращать волоку с чрезвычайно боль­ шим числом оборотов. Действительно, при скорости волочения

= 80 000 об/мин, что совершенно неприемлемо.

Поэтому вращение волоки с возможным (по конструктивным соображениям) числом оборотов может быть применено лишь для достижения равномерной разработки (износа) волочильного ка­ нала. Это используют в некоторых устройствах для волочения прутков.

2.ДИСКОВЫЕ ВОЛОКИ

При волочении в монолитных волоках, особенно профилей сложных форм, силы внешнего трения заметно снижают эффек­ тивность процесса. Повысить эффективность процесса можно лишь, уменьшив силы внешнего трения, для чего применяют дисковые волоки. Рабочие поверхности волочильного канала в этих волоках частично или полностью образованы поверхностями вращающихся дисков, оси которых заключены в хорошо смазывающиеся под­ шипники скольжения или качения. Схема таких волок показана на рис. 62. Иногда дисковые волоки применяют для волочения круглых профилей из твердых сталей по системе круг—овал—круг (рис. 62). При таких волоках, по данным работ [2—51, не только облегчается процесс волочения, но и несколько повышаются ме­ ханические свойства готовой проволоки. Напряженное состояние в деформационной зоне дисковой волоки принципиально не отли­ чается от напряженного состояния в монолитной волоке. Однако соотношение напряжений зависит от формы профиля. Для каждой формы профиля соотношение напряжений должно быть установ­ лено отдельно.

82

Волочение в дисковых волоках отличается следующими осо­ бенностями.

Силы внешнего трения в канале отчасти заменяются силами внешнего трения в подшипниках дисков.

Рис. 62. Схемы конструкций дисковых волок для волочения:

Характер течения металла в деформационной зоне близок

кпрокатке в закрытых калибрах с натяжением полосы. Большое преимущество дисковых волок — возможность из­

менять в процессе волочения расстояния между дисками, в ре­ зультате чего получаются про­ фили переменного сечения [6].

Дисковые волоки часто при­ меняют для волочения полос прямоугольного сечения. Воз­ можность изменения расстояния между дисками позволяет через одну и ту же волоку протяги­ вать полосы разных размеров. При этом, однако, трудно уста­ навливать диски для обработки кромок полосы, т. е. поверхно­ сти по узкой стороне попереч­ ного сечения.К процессу волоче­

ния в дисковых волоках можно отнести прокатку на станах Стекля. Ю. В. Шухов [7] предложил метод плющение—волочение, т. е. совмещенное волочение полос прямоугольного сечения через

дисковую и клиновидную волоки, схематически показанный на

рис. 63. В этом процессе основной деформации обрабатываемый материал подвергается в дисковой волоке. В клиновидной же во­ локе полоса немного утоняется, кромкам ее придаются точные раз­ меры по ширине. При методе плющение—волочение сила волоче­ ния меньше, чем при волочении только через клиновидную во­ локу (см. гл. VI и VIII), а поэтому, применяя процесс плющение— волочение, можно несколько повысить степень деформации за переход.

3.ШАРИКОВЫЕ И РОЛИКОВЫЕ ВОЛОКИ

На рис. 64 показана схема конструкции вращающейся шарико­ вой волоки.

Обойму волоки, сходную с наружной обоймой обычного шари­ кового подшипника, вкладывают во вращающийся волокодержатель (на рис. 64 не показан). Такой волокодержатель может быть присоединен непосредственно к полому валу электромотора, что

Рис. 64. Схема конструкции шариковой волоки:

/ — торцовое опорное кольцо; 2 — обойма волоки, вложенная во вра­

щающийся волокодержатель

позволяет создать очень большое число оборотов волоки (в одном опытном образце число оборотов доходило до 20 000 в минуту).

Теоретические и экспериментальные данные показывают, что при рационально подобранных вытяжках и размерах шариков можно добиться некоторого снижения сил и напряжений волоче­ ния. Это объясняется тем, что при накатывании шариков на трубу часть сил волочения передается не через трубу, а через шарики, в то же время силы трения уменьшаются вследствие замены тре­ ния скольжения трением качения. Такое снижение сил волочения может быть весьма полезным при изготовлении тонкостенных труб, особенно из сплавов с высоким сопротивлением деформации.

Для конструктивного осуществления шариковой волоки и про­ цесса накатывания шариков на трубу необходимо соблюдать сле­ дующие основные условия:

84

1. Во избежание выжимания металла трубы в пространство между шариками необходимо, чтобы в волоке было не менее шести шариков. Из элементарных геометрических соотношений известно, что вложенные в круглую обойму шесть соприкасающихся между собой шариков могут опереться только на трубу, диаметр которой равен диаметру шарика. При большем же числе шариков диаметр трубы, на которую они могут опереться, превышает их диаметр,

Ш арик

таким образом, для обеспечения надежности процесса необходимо,

Следовательно, каждый шарик волоки во время накатывания совершает два движения (рис. 65): от поступательного движения

85

трубы (вектор ON) в направлении ОА и от вращения волоки (век­ тор ОМ) в направлении OD.

Результирующая скорость движения шарика выразится век­ тором ОЕ, наклоненным к OD под углом ср. Согласно соотношению между 1>тр и у0б»

tg ср « 0,02-0,04,

Контактная поверхность шарика и трубы, показанная на гори­ зонтальной проекции участком nlk и на вертикальной — участ­ ком n ll1k 1, образует своими дугами п1у п 2, п3центральные углы а и а 2, а 3, величина которых убывает и в точке п х равна нулю. Эти углы можно считать углами захвата. Опыт показывает, что на­ катывание может надежно осуществляться, если максимальный угол захвата будет не более 15°, т. е. азах ^ 1 5 ° .

Ввиду небольших значений этих углов здесь можно применить соответствующие формулы из теории прокатки в гладких валках

Так как по условию (IV-3) нельзя применять шарики больших диаметров, условие (IV-6) ограничивает возможности утонения стенки трубы. Это — один из основных недостатков шариковой волоки.

3. Число оборотов центров шариков около оси трубы заметно меньше числа оборотов обоймы волоки около той же оси.

Действительно, пусть ось шарика, параллельная оси трубы, неподвижна (см. рис. 64). Тогда за один оборот шарика вокруг

сторону. Следовательно, обойма и труба за один оборот шарика

повернутся одна относительно другой на — f- оборотов.

Если труба сделает один оборот вокруг своей оси, тошарик около

оси трубы.

Если исключить возможность кругового движения трубы, осво­ бодить ось шарика и заставить его сделать относительно своей

оси оборотов, то ось шарика обойдет трубу один раз, а обойма

86

Таким образом, число оборотов обоймы должно быть всегда

в ^1 + —^ раза больше рабочего числа оборотов волоки.

Крупный недостаток шариковой волоки — потери на трение между шариками, а также между шариками и опорными поверх­ ностями обоймы.

Действительно, из схемы рис. 64 следует, что шарики, вращаясь в обойме в одном и том же направлении, противодействуют один другому в своем движении; опорная поверхность на торцовом, кольце не позволяет шарикам двигаться без скользящего трения на цилиндрической опорной поверхности обоймы.

Из-за перечисленных условий и недостатков шариковую волоку не используют в массовом производстве.

В роликовых вращающихся волоках шарики заменены косо­ расположенными роликами.

4.ВИБРИРУЮЩИЕ ВОЛОКИ

Установлено, что, придавая волочильному инструменту вибра­ ции (колебательные движения), можно в некоторых условиях про­ цесса добиться значительного снижения сил и напряжений воло­ чения по сравнению с процессом без вибрации, а при равных силах и напряжениях соответственно повысить деформации за переход. Вибрации могут быть осевыми, поперечными и враща­ тельными (крутильными), На рис. 66 приведены схемы таких вибраций.

Используемые при этом частоты колебаний подразделяются на низкие [звуковые (25—500 гц)] и высокие [ультразвуковые (16 000-800 000 гц) 1.

При низких частотах колебаний волоки она смещается относи­ тельно протягиваемого изделия с частотой, обеспечиваемой вибра­ ционным устройством, однако этот процесс не носит волнового характера, поскольку длина волны при таких частотах больше расстояния от волоки до тянущего устройства. Мощность исполь­ зуемых вибраторов достаточна для обеспечения колебаний волоки без затухания под действием силы волочения. Для получения ко­ лебаний низких частот используют вибрационные устройства с ме­ ханическим или гидравлическим1 приводом [8—101.

1 Патент (англ.) № 1113553, 1968.

87

Изменение силы трения при крутильных колебаниях волоки по «сравнению с обычным волочением определяется коэффициентом

тде Гср — средняя сила трения за период колебаний; Т — сила трения при обычном волочении.

Наименьшие значения коэффициента л, а следовательно, и ве­ личины средней контактной силы трения получаются при мини­ мальных величинах отношения vA!vK (где vA — скорость посту-

Рис. 66. Возможные виды вибрации при волочении:

нательного движения точки вдоль образующей канала волоки; vK— скорость колебательного движения этой точки, направлен­ ная перпендикулярно ил) [И ]. Таким образом, для достижения максимального эффекта при вибрационном волочении с исполь­ зованием крутильных колебаний колебательная скорость волоки должна быть возможно большей по сравнению со скоростью воло­ чения.

При использовании продольных колебаний волоки сила воло­ чения снижается только в тех случаях, если скорость колебатель­ ного движения волоки значительно превышает скорость волочения.

В английском патенте предложена конструкция гидравличе­ ского устройства для обеспечения продольной вибрации волоки в процессе волочения проволоки. В этом устройстве волокодержатель прикреплен к полому поршню гидравлического цилиндра. Проволока проходит через полый гидравлический цилиндр, полый поршень и волоку и наматывается на барабан волочильной ма­ шины. В процессе волочения жидкость подают попеременно на обе стороны поршня с частотой, регулируемой в пределах 25—

■88

500 гц, заставляя волокодержатель с волокой возвратно-посту­ пательно перемещаться вдоль проволоки. Такая продольная виб­ рация улучшает качество поверхности протягиваемой проволоки,, снижает силу волочения и повышает стойкость волоки. Однако* при повышенных скоростях волочения (2—5 м/сек) эффект от ис­ пользования продольных колебаний резко снижается и вообще исчезает.

В отличие от процесса волочения с использованием вибраций низких частот волочение с приложением механических колебаний ультразвуковой частоты нельзя рассматривать только с позиций механического сложения поступательного движения точки вдольобразующей канала волоки и движения в направлении распростра­ нения колебаний, хотя такое совмещение существует и заметно влияет на величину контактного трения. При волочении с ультра­ звуковыми колебаниями имеет место волновой процесс, когда длина волны соизмерима с размером инструментальной оснастки и расстоянием от волоки до тянущего устройства.

Мощность колебательного органа (0,5—3,0 кет) значительна меньше мощности, затрачиваемой на осуществление процесса во­ лочения. Поэтому во избежание гашения колебаний при прило­ жении рабочей нагрузки следует создавать колебательную систему, включающую в себя волочильный инструмент и протягиваемое изделие, таким образом, чтобы она работала в режиме стоячей волны (в резонансе) и на холостом ходу, и в процессе волочения.

Вкачестве источников механических ультразвуковых колеба­ ний, применяемых для процесса волочения, обычно используют пьезоэлектрические или магнитострикционные излучатели.

Работа пьезоэлектрического излучателя основана на исполь­ зовании обратного пьезоэлектрического эффекта, когда в неко­ торых кристаллах, например кварца, сегнетовой соли, турмалина

идр., под действием переменного электрического поля возникают знакопеременные напряжения и деформации.

Вмагнитострикционных излучателях используют эффект магнитострикции. Он заключается в способности ферромагнитных материалов изменять свои размеры под действием переменного магнитного поля. В качестве магнитострикционных материалов наиболее часто применяют чистый никель, сплав никеля с желе­ зом — пермаллой или сплав кобальта с железом — пермендюр.

Анализ схем подвода ультразвуковых колебаний к деформи­ руемому металлу в процессе волочения дан в работах [12, 131. Рассмотрены схемы ультразвукового волочения проволоки и труб

спередачей колебаний на волоку, которая располагалась в пуч­ ности смещений и в пучности напряжений.

Чаще использовали схемы с продольными колебаниями волоки, но были опробованы и схемы с поперечными и крутильными коле­ баниями. При волочении полых изделий на оправке применяли схему с подачей колебаний на оправку. Однако в большинстве

89-

работ не выполнялось указанное выше требование сохранения резонанса в колебательной системе в течение всего процесса воло­ чения. В связи с этим полученные в работах результаты отра­ жают только качественную сторону вопроса и не дают количе­ ственных зависимостей, необходимых для разработки технологии.

В настоящее время разработаны различные методы, обеспечи­ вающие сохранение резонансных условий при волочении с различ­ ными способами подвода колебаний в деформационную зону. Эти методы также предотвращают «неконтролируемое разупрочнение» в протянутом изделии, которое прежде часто приводило к обрывам

Рис. 67. Схема ультразвукового волочения трубы на закрепленной оправке:

/ — преобразователь; 2 — волновод; 5—стержень с оправкой; 4 — ста­ кан; 5 —волновод-волокодержатель; 6 — рабочая волока; 7 — волока

для настройки в резонанс колебательной системы при приложении силы волочения; 8 — протягиваемая труба

при напряжениях, значительно меньших, чем предел текучести деформированного металла.

В качестве примера рациональной конструкции акустической системы, используемой при волочении труб, можно привести уста­ новку1, приведенную на рис. 67. Определенная акустическая длина трубы 8 фиксируется волокой 7, которая может быть уста­ новлена на любом расстоянии от колеблющейся волоки 6. Колеба­ тельный контур, предназначенный для ввода колебаний в волоку 6> крепится полуволновым стаканом к волочильной доске, причем крепежный фланец расположен в середине стакана по его длине. По приведенной схеме колебания передаются не только на волоку, но и на закрепленную оправку 3. Система, состоящая из преобра­ зователя /, волновода 2 и оправки 3, закреплена в узле амплитуды, что обеспечивает ее изоляцию от массы стана. Система получается акустически замкнутой, и гашения колебаний в процессе волочения не будет. Однако имеется техническая трудность реализации этой схемы, так как необходимо подготовить заправочный конец обра­ батываемого изделия такой длины, чтобы он вошел сразу в обе волоки.

1 Патент (США) № 3209573, 1963.

90