2. Волочильный стан

Техническую систему «волочильный стан» можно рассматривать как систему седьмого ранга – машина – в случае однократного волочения, и техническую систему восьмого ранга – агрегат – в случае многократного волочения. Последние станы распространены более широко. Способ организации блоков волочильного стана в агрегат отражается в названии стана: магазинного, прямоточного типа, со скольжением и т.д.

Рассмотрим систему седьмого ранга технической системы – блок волочильного стана (или базовый элемент многократного стана). Как было показано выше (см. рис.4, 7), под волочением понимается процесс ОМД, при котором энергия в очаг деформации вводится через передний конец обрабатываемого металла в виде силы волочения F_вол (Р) и скорости движения переднего конца металла. При этом происходит изменение сечения заготовки или, в случае круглого профиля, диаметра D₀  d₁, где D₀ – начальный диаметр, d₁ – конечный. Это изменение происходит в некотором объеме, созданном волочильным инструментом. Объем металла, в котором происходит изменение диаметров D₀  d₁, называется оперативной зоной преобразования или очагом деформации при волочении.

Инструмент, создающий оперативную зону при волочении, называется волокой или фильерой.

Можно отметить, что в данном случае энергия, необходимая для деформирования металла, передается в очаг деформации не через инструмент (как, например, при прокатке), а через продеформированный объем металла – передний конец. В этом случае упрощается конструкция инструмента, но уровень передаваемой энергии определяется только прочностью переднего конца и поэтому ограничен. В настоящее время основным инструментом для волочения является монолитная волока, представленная на рис.41, либо роликовая волока (рис.42).

Как видно из рис.41 – 42, волочильный инструмент достаточно прост по конструкции, и в основном проблемы при его применении связаны с износостойкостью материала волоки.

Так же как и в случае прокатки, техническую систему «волочильный стан» можно представить в виде структурной схемы (рис.43).

1

2

Рис.41. Монолитная волока в разрезе:

1 – рабочий конус; 2 – калибрующий поясок

Диаметр металла на выходе d₁ зависит только от калибрующего пояска (поз.2, см. рис.41) или диаметра калибра (см. рис.42). Поэтому управление такой подсистемой осуществляется только на стадии наладки. Оперативное управление отсутствует.

Рис.42. Роликовая волока

Следует отметить, что между протягиваемым металлом и поверхностью волоки создается режим граничного трения при применении монолитной волоки, либо режим трения качения – в роликовой волоке. При этом может быть реализован и режим жидкостного трения в монолитных волоках более сложных конструкций.

Выигрыш, полученный от простоты конструкции, существенно уменьшается полным отсутствием возможности управления (на рис. 43 связь 3 – 4 отсутствует).

Для создания тянущего усилия (силы волочения) существуют два варианта.

I,U M,  трансмиссия

1 2 V 3

I₁ I₂

4

Рис.43. Структурная схема технической системы «волочильный стан»:

 - угловая скорость вращения вала двигателя и тягового

устройства;

V – линейная скорость металла;

I₁ – I₄ – станы однократного волочения;

I₁ – I₄ – станы многократного волочения

Первый вариант заключается в захвате свободного конца клещами и прямолинейном перемещении на определенную длину. Это дискретное волочение. Второй вариант – это так называемое бухтовое (непрерывное) волочение, когда тянущее усилие создается за счет силы трения, образующейся между вращающейся поверхностью тянущего барабана и боковой поверхностью проволоки (рис.44).

F₁

 , М

F₂

Рис.44. Схема действия закона Эйлера при волочении

Величина этой силы определяется из закона Эйлера и равна

F₂ = F₁ · e^f,

где f - коэффициент трения;

 - угол охвата, рад.

Как показывает опыт, угол охвата составляет 6 - 10 рад (3 – 5 оборотов), что достаточно для создания необходимой силы волочения. Как видно, для этой схемы нет ограничения по длине обрабатываемой проволоки.

Таким образом, элемент 2 (см. рис. 43) включает в себя вращающийся цилиндр, который называется тянущим барабаном (тянущей шайбой) волочильного стана.

Ось вращения тянущего барабана чаще всего расположена вертикально, хотя существуют волочильные станы с горизонтально расположенным барабаном.

Между источником энергии (элемент 1) и тянущим барабаном находятся, как правило, несколько редукторов, которые изменяют момент и скорость вращения тянущего барабана по сравнению с валом двигателя. Кроме того, меняется направление оси вращения. Например, горизонтально расположенный двигатель и горизонтально расположенный барабан. Кроме того, в состав канала передачи энергии 2 входит ступенчатый редуктор (коробка перемены передач) для ступенчатого регулирования скорости волочения. На основе вышеуказанных технических устройств может быть создана техническая система (агрегат) – волочильный стан однократного волочения, которая имеет вышеописанную структуру (рис. 43).

Наибольший интерес представляет стан многократного волочения, в котором, как в агрегате, будут объединены волочильные блоки (системы 7 ранга). Это объединение стало возможно благодаря разрешению противоречия: синхронизация скорости движения проволоки по стану при случайном изменении вытяжки.

Для этого необходимо решить задачу изменения скорости вращения вала электродвигателя в зависимости от изменения вытяжки по блокам многократного волочильного стана (реализация связи I₁ – I₄, см. рис.43), либо изменить скорость движения проволоки при постоянной скорости вращения тянущего барабана (реализация связи I₂ – I₄, см. рис.43).

При волочении, наряду с технологической вытяжкой (коэффициентом вытяжки ), определяемой из условия:

 = L_к/L₀,

где L_к – конечная длина; L₀ – начальная длина,

используется понятие кинематической вытяжки

i = V_n+1/V_n,

где V_n+1 – скорость вращения последующего барабана;

V₀ - скорость вращения предыдущего барабана.

Вследствие отсутствия управления подсистемой 3 (см. рис.43) технологическая вытяжка  в процессе волочения постепенно уменьшается со временем, так как из-за износа увеличивается диаметр волоки. При этом происходит знакопеременные изменения  из-за изменения диаметра проволоки (рис.45).

Идеальный вариант при волочении проволоки – это совпадение кинематической и технологической вытяжек (i = ). Однако  - величина переменная, поэтому необходимо изменять величину кинематической вытяжки. При этом возможны два варианта. Первый вариант заключается в соблюдении равенства i =  в каждый момент времени. Второй вариант – равенство выполняется для усредненных величин i_ср = _ср, а в каждый момент времени может быть i >  либо i < .

i

 i

tн Время t

Рис. 45. Изменение коэффициента вытяжки на волочильном блоке

В первом случае техническая реализация осуществляется путем управления источником энергии системы (подсистема 1, см. рис.43, связь I₄ – I₁). При этом возможно изменение скорости вращения двигателя постоянного тока или величины возбуждения электромагнитной муфты при использовании асинхронного двигателя (рис.46).

Управляющее воздействие формируется от сравнения натяжения проволоки на переходе от одного барабана на другой. Величина натяжения определяется по величине тока якоря двигателя на станах прямоточного типа либо с помощью специального реостата на станах петлевого типа (рис.47).

1

Н

₂

2

₁

 = const; ₂ = ₂ (Н)

Рис. 46. Схема регулирования скорости вращения

с помощью электромагнитной муфты:

1 - асинхронный электродвигатель; 2 - электромагнитная муфта

Рис.47. Схема регулирования скорости барабана натяжными роликами:

1 – натяжной ролик; 2 – управляющий рычаг; 3 – пружина; 4 – зубчатый сектор; 5 – шестерня; 6 – реостат; А, б – барабаны; В - волоки

Второй вариант реализуется на волочильных станах магазинного типа, а также станах со скольжением.