книги / Теория волочения

метром 340 мкм с внутренним разрывом. Возможность образования внутренних разрывов указанной формы присуща процессу волоче­ ния. Для этого же процесса при одинаковом состоянии протяги­ ваемого металла во всем объеме деформационной зоны характерна невозможность образования на нем поверхностных поперечных трещин без общего разрушения металла.

Однако при волочении сильно упрочненных или интенсивно упрочняющихся во время процесса волочения металлов, особенно при использовании волок с большим рабочим углом, разрушение может начаться и у поверхностных слоев. Причина этого в том, что наиболее деформированные и, следовательно, наиболее упроч­ ненные поверхностные слои становятся более чувствительными к продольным растягивающим напряжениям. При волочении поверхности полного разрыва имеют такую же форму, как и по­ верхности описанных выше пустот. На рис. 29 показана форма поверхности разрыва, полученного при волочении медного прутка.

При прессовании прутков часто наблюдается	обратное	явление,
а именно частое образование поверхностных	трещин	и редкое,

за исключением утяжин, образование внутренних трещин, свя­ занное с ненормальным ведением процесса (например, недоста­ точный прогрев осевой зоны слитка). Периодичность образования внутренних пустот объясняется тем, что каждый разрыв, созда­ ющий пустоту, разгружает последующую по движению металла часть деформационной зоны, а возникающие в этой части напря­ жения растут по направлению к выходу, и после того, как они достигнут предела прочности, произойдет последующий разрыв с разгрузкой остальной части зоны и т. д. Таким образом, соз­ даются периодические нагрузки и разгрузки центральных слоев с образованием периодических разрывов. Наличие внутренних пустот может быть установлено измерением наружного диаметра протянутого прутка. Диаметр сечения протянутого прутка в том месте, где имеется пустота, обычно уменьшен. При волочении проволоки средних сечений такие периодические уменьшения диаметра легко обнаруживаются на ощупь. Волочильщики на­ зывают это явление «перетяжкой». Схема таких дефектов показана на рис. 26.

Все эти явления подтверждают высказанное ранее положение, что при волочении в деформационной зоне центральные слои дви­ жутся несколько быстрее периферийных.

Изложенное указывает на большую неравномерность напря­ женного состояния не только вдоль канала, но и в его радиальных направлениях. Эта неравномерность усиливается с увеличением рабочего угла волоки — одного из факторов, вызывающих воз­ никновение дополнительных напряжений.

Большая неравномерность напряженного состояния мешает любому процессу обработки давлением, в том числе и волочению, так как при этом требуется повышенный расход энергии и часто

42

разрушается металл. Поэтому в практике волочения обычно при­ меняют волоки с рабочим углом не более 15 град. Напряженное состояние протягиваемого металла может быть охарактеризовано ортогональной сеткой линий скольжения, являющихся траекто­ риями наибольших (главных) касательных напряжений [161. Эти линии, как известно из теории пластических деформаций, рас­ полагаются под углами 45 град, к направлениям главных нор­ мальных напряжений. На рис. 20, чтобы не загружать чертежа, была показана для примера лишь одна ячейка абвг> образованная линиями скольжения, находящимися в осевой плоскости, а на

Рис. 30, Сетки траекторий главных нормаль-			Рис. 31.	Схема сил, действую-
ных	напряжений (сплошные линии) и линий		щих при	подъеме груза по на-
скольжения (пунктирные линии), находящих-			клонной плоскости
ся^в	меридиональной	плоскости деформаци­
	онной	зоны

рис. 30 даны ортогональные сетки главных нормальных напряже­ ний (сплошные линии) и линий скольжения (штриховые линии) в деформационной зоне.

Из теории пластических деформаций известно, что чем резче меняется направление линий скольжения, т. е. чем больше угол их поворота, тем сильнее изменяется среднее нормальное напря­ жение.

Это положение полностью соответствует элементарным за­ конам механики, согласно которым активная сила, предназначен­ ная для уравновешивания соответствующей ей реактивной, будет по своей абсолютной величине равна последней только в том слу­ чае, когда обе они находятся на одной прямой. Во всех остальных случаях величина активной силы будет превышать величину соот­ ветствующей ей реактивной, потому что часть активной силы пой­ дет на уравновешивание дополнительных реактивных сил, неиз­ бежно возникающих в результате несовпадения направлений активной и основной реактивной сил. Это видно, например, при сравнении сил, действующих для подъема груза по наклонной плоскости в направлении этой плоскости и параллельно гори­ зонтальной плоскости (рис. 31):

A = R\ А г	JR	(II-Ю)
	cos

Из сказанного следует, что с увеличением рабочего угла во­ локи и с уменьшением радиуса закругления у выхода из канала

43

возрастает резкость поворотов линий скольжения и, следовательно, траекторий главных нормальных напряжений, что неизбежно ведет к повышению продольных напряжений и, следовательно, напряжений волочения. Поэтому волочение ведут через волоки с небольшими рабочими углами (5—10 град.) и с возможно боль­ шими радиусами закруглений образующих у выхода из канала.

Направление наиболее отклоненных от оси канала продольных главных нормальных напряжений, очевидно, не может составлять с этой осью угла более прямого, так как в противном случае (рис. 32) траектории этих напряжений должны принять совершенно невероятные формы (кривые / — 1 и 2—2), указывающие на тече­

Рис. 32. Схема к опре­ делению теоретического максимума рабочего угла волочильного канала

ние металла в периферийных слоях с изменением направления на противоположное. При таких параметрах процесса произойдет отрыв периферийных слоев либо образуется большая внеконтактная зона, которую можно принять за «естественную» деформа­ ционную зону (см. штриховую кривую на рис. 32).

На основе изложенного теоретический максимум угла наклона образующей волочильного канала определяется выражением

'шах — 2 Р* (ii-ii)

Увеличение угла а и уменьшение радиуса г, как было указано ранее, приводят к повышению на периферийных слоях продольных растягивающих напряжений. Эти напряжения, возрастая, при известных условиях (очень большие а и очень малые г) могут вы­ зывать разрушение периферийных слоев. В этом случае процесс волочения превратится в процесс строгания, схематически пред­ ставленный на рис. 33.

В практике волочильного производства такой процесс строга­ ния волокой иногда применяют для удаления с протягиваемого металла поверхностных дефектов. Здесь следует, однако, иметь в виду, что, помимо увеличения а и уменьшения г, процесс раз­ рушения поверхностных слоев вызывается и повышением степени деформации. Происходит это потому, что с ее увеличением растут напряжения волочения во всех слоях протягиваемого металла.

44

Следовательно, чем меньше относительная толщина удаляемого слоя (т. е. толщина стружки), тем больше должен быть угол а и меньше радиус закругления г. Иначе говоря, волока должна превратиться в своеобразный трубчатый острый резец. При малых толщинах предполагаемого к удалению слоя и больших радиусах г (т. е. при тупом резце) процесса строгания даже при больших углах а не произойдет. Вместо него будет осуществляться обычный процесс волочения.

Резкие повороты траекторий главных нормальных напряжений у выхода создают значительные силы на поверхности закругления канала (см. рис. 30). Поэтому при очень малых радиусах закругле­ ний эта поверхность быстро изна­

шивается, что также		заставляет
делать	максимально	возможные
радиусы закруглений		у выхода
из рабочей зоны волоки и при­
менять.	калибрующие	цилиндри­
ческие	участки.
	5. ПРОТИВОНАТЯЖЕНИЕ И ЕГО ВЛИЯНИЕ
	НА	ХАРАКТЕР ДЕФОРМАЦИЙ
	И НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ

При рассмотрении различных методов волочения было указано на применение в некоторых случаях противонатяжения (см. рис. 2), которое создает растягивающие напряжения у протяги­ ваемого металла еще до вступления этого металла в канал волоки. Это в общем случае ведет к повышению осевых растягивающих напряжений в пластической зоне.

В гл. VI показано, что практически заметное повышение осе­ вых растягивающих напряжений в пластической зоне начинается не сразу, а только по достижении некоторой величины противо­ натяжения (критическое противонатяжение). Поэтому противо­ натяжения нецелесообразно доводить до больших величин, на­ пример равных пределу текучести, особенно при волочении пред­ варительно упрочненного металла.

Подвергаясь только упругим или малым упругопластическим деформациям от противонатяжения, протягиваемый металл вхо­ дит в основную пластическую зону с небольшим уменьшением своего первоначального поперечного сечения. Так как, условие пластичности'(И-9) остается неизменным, то вызываемое противонатяжением общее увеличение растягивающих напряжений неизбежно влечет снижение сжимающих напряжений ог и оп и напряжений трения Xf. Как следствие этого, уменьшается износ

45

волочильного канала, например при достаточном противонатяжении значительно реже появляются кольцевые углубления в на­ чале контактной поверхности. Но общее увеличение растягива­ ющих напряжений вызывает необходимость снижения обжатия за переход.

Таким образом, волочение с противонатяжением повышает стойкость инструмента, но в общем случае вызывает увеличение

DI/DM/JJ

mwdwt/duVH

$

-

Упругая зона
/ Пласт цчесная зони
V	бГ б г ^	Т
Т	л	1
		— 1----------------------
	---------------- О?
	1о	1
Y
	's /S	/

1	п
1

^Деформационная зона

Рис. 34. Схема изменения продольных и радиальных главных нормальных напряжений вдоль деформационной зоны при волочении с внешним противонатяжением (<У[ ) н без него

(а^) (а^ — напряжение противонатяжения)

дробности деформации. Это может в некоторых условиях привести к менее экономичным суммарным результатам.

На рис. 34 показана схема изменения напряжений в де­ формационной зоне при волочении с противонатяжением и без него.

Изменение продольных напряжений при отсутствии противо­ натяжения представлено линией а/о, при противонатяжении с1д — линией aiq. Линией (О/ + аг) представлено изменение суммы про­

дольных и радиальных напряжений каждой точки зоны. Поло­ жение этой линии в пластической зоне не зависит от наличия или отсутствия противонатяжения, т. е. от величины противонатяже­ ния, так как отражает лишь изменение величины ST, связанное с упрочнением в процессе волочения. Поэтому в любом попереч­ ном сечении пластической зоны Y Y часть ординаты ас показывает величину главного радиального нормального напряжения ка­ кой-то точки при отсутствии противонатяжения, а часть орди­ наты ab — величину главного радиального нормального напря­ жения в этой же точке при противонатяжении. Но ab меньше ас,

46

что и подтверждает указанное ранее уменьшение радиальных напряжений с применением противонатяжения.

При волочении с противонатяжением увеличиваются растя­ гивающие и уменьшаются сжимающие напряжения, а следова­ тельно, снижаются напряжения трения. В этом случае линия сг/о займет положение линии alq (рис. 34).

Из сказанного также следует, что при противонатяжении уко­ рачивается, а при достаточной величине его полностью ликвиди-

Рис, 35. Дополнительная схема изменения продольных (tJj) и ра­ диальных (аг) главных нормальных напряжений и напряжения

трения (т^) в зависимости от отсутствия (а) или наличия (б) внеш­ него противонатяжения (Q) [17]

руется зона трехосного сжатия, возникающая при волочении без противонатяжения. На рис. 35 приведена схема, дополняющая представления о характере влияния противонатяжения на сило­ вые условия волочения [17].

6.ПЛАСТИЧНОСТЬ ПРИ ВОЛОЧЕНИИ

При напряженном состоянии (одно растягивающее и два сжи­ мающих главных нормальных напряжения), в котором находятся почти все элементарные объемы деформационной зоны (за исклю­ чением очень небольшой зоны трехосного сжатия, которая может образоваться у входа в рабочую зону канала), создаются условия, при которых пластичность протягиваемого металла становится наименьшей по сравнению с пластичностью этих же металлов почти при всех других технических процессах обработки металла дав­ лением. Исключение составляет лишь процесс листовой штамповки, при котором пластичность примерно такая же, как при волочении, и процесс растяжения, пластичность при котором понижается

47

еще сильнее, чем при волочении. Это объясняется тем, что при деформации растяжением растягивающие напряжения, возни­ кающие в деформируемом металле, в общем случае больше, чем напряжения, возникающие в таком же металле, при волочении с такой же степенью деформации. Это следует из условия пластич­ ности (11-9), поскольку в процессе равномерного линейного рас­ тяжения аг = 0, а также из того, что сила при растяжении Ррас действует лишь на пути ALH, тогда как сила волочения на пути LK= LH+ ALH. Следовательно, сравнительно небольшое пре­ вышение работы волочения над работой растяжения приводит к тому, что Ррас > Рв• Об этом же свидетельствует и то, что при волочении одна главная деформация — продольная — является активной (удлинение), а две другие — радиальная и окружная (укорочение) — пассивные, способствующие удлинению без раз­ рушения. Иначе говоря, процесс волочения идет при активно­ пассивных деформациях, тогда как линейное растяжение ведется только при активной деформации. Относительно невысокая пла­ стичность металла в процессе волочения обусловливает то, что серийные процессы волочения, например проволоки, ведутся со сравнительно небольшими частными деформациями. Так, при волочении проволоки даже из наиболее вязких металлов вытяжка в осевом направлении практически не превышает 1,75 (интеграль­ ная деформация i = 0,56, обжатие б = 43%). В гл. X показана необходимость снижения деформаций от перехода к переходу в связи с упрочнением и постепенным снижением пластических свойств металла, а также необходимость вследствие этого при очень больших суммарных деформациях применения промежу­ точных отжигов, место которых в технологическом цикле опреде­ ляется допустимой суммарной степенью деформации. Пониженная по сравнению с остальными техническими процессами обработки металлов давлением пластичность при волочении уменьшает и допустимую суммарную степень деформации, что приводит к более частым отжигам, чем при других процессах при равных общих степенях деформаций.

Здесь следует отметить влияние гидростатического давления на пластичность.

Теоретические и опытные данные П. Бриджмена [18] пока­ зали, что при внешних всесторонних сжимающих давлениях 10 000—30 000 кГ/см2, соответственно повышающих гидростатиче­ ские давления, возникающие при пластических деформациях, заметно повышается пластичность при растяжении. Так, полное сужение при внешнем давлении 25 000 кГ/см2 составляло при разрыве твердых сталей 90—95%, чугуна — до 45%, фосфористой бронзы для припоя (93% Си и 7% Ph) — до 80%.

Эти результаты позволили предположить, что, применяя боль­ шие гидростатические давления, можно заметно повысить плас­ тичность при волочении и этим увеличить суммарные степени де-

48

формации от отжига до отжига. Такие опыты по волочению при больших давлениях описаны П. Бриджменом. Эти опыты прово­ дили с нагартованной стальной проволокой диаметром 1,93 мм с пределом прочности до волочения 230 кГ/мм2 на установке, схематически показанной на рис. 36. Проволоку волочили под внешним давлением 120 кГ1мм2 и за шесть переходов без проме­ жуточных отжигов при средней вытяжке за переход 1,43 протя­

нули на 0,66 мм.

Такая же проволока для срав­

нения была протянута до диаметра

0,66 мм при атмосферном давле­

нии. Эту операцию удалось вы­

полнить

лишь

за

15

переходов

со средней вытяжкой за переход

только

1,15.

При

сопоставлении

механических

свойств

проволок,

протянутых

при примерно одина­

ковых

суммарных

деформациях

в условиях повышенного внешнего

и атмосферного давления,

было

обнаружено, что до диаметра при­

мерно 1 мм проволока, протя­

нутая

обоими

методами,

отлича­

лась почти одинаковыми

механи­

ческими свойствами. При дальней­

ших

протяжках

на

проволоке,

Рис. 36. Схема установки для гидро­

полученной волочением при атмо­

статического волочения проволоки [18]:

сферном

давлении,

в

некоторых

а — исходное положение; б — положе­

местах

были

обнаружены

нару­

ние в начале процесса волочения; 1 —

металлический стержень, подвергаемый

шения

целостности

и уменьшение

волочению; 2 — волока;

3 — первая

камера высокого давления;

4 — вторая

пределов прочности.

Проволока

камера высокого давления;

5 — соеди­

диаметром 0,66 мм

ломалась при

нительная камера; 6 — тяга; 7 — втул­

ка;

8 — вентиль;

9 — поршень

изгибе и имела практически

нуле­

полученная

волочением

вую

остаточную вязкость.

Проволока,

при

давлении

120

кГ!мм2,

была

менее хрупкой

и отличалась

заметной остаточной вязкостью.

Установка, на которой Бриджмен проводил опыты (рис. 36), представляет собой сосуд высокого давления, состоящий из двух камер, соединенных между собой. Давление создается при пере­ мещении поршня в той камере, в которой находятся волока и от­ резок проволоки, подвергающейся волочению. К выступающему из волоки концу проволоки присоединена тяга в виде длинного стержня, который проходит через соединительную камеру и почти достигает втулки, находящейся у входа во вторую камеру. Тяга плотно пригнана к отверстию втулки. Давление до заданной ве­ личины поднимается соответствующим перемещением поршня, после чего поршень срезает предохранительный штифт;'при этом

4 И. Л. Перлин

49

освобождается пружина, действующая на скользящие втулки (эти втулки и пружина на схеме не показаны). Под действием пружины вся система, состоящая из волоки, проволоки и присоединенной к ней тяги, перемещается до упора в дно первой камеры. При этом тяга входит в отверстие втулки, находящейся у входа во вторую камеру, и вся система занимает положение, показанное на правой стороне рисунка. После этого открывается вентиль (положение б), находящийся в нижнем конце второй камеры, давление постепенно снижается, тяга под повышенным давлением в первой камере про­ талкивается во вторую, а прикрепленная к ней проволока протя­ гивается через волоку при давлении, созданном в первой камере.

Описанные опыты Бриджмена и повышение пластичности при очень сильном увеличении давления в настоящее время еще в про­ мышленности не используются. Однако они могут быть применены при лабораторных исследованиях, когда необходимо получить в небольших количествах проволоку из сильно упрочненных ме­ таллов, в обычных условиях плохо деформирующихся.

7. ОСОБЕННОСТИ И УСЛОВИЯ ВОЛОЧЕНИЯ БИ- И ПОЛИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ

ПРОДОЛЬНО-СЛОИСТЫХ ПРОФИЛЕЙ

Большое распространение в технике получила биметаллическая проволока, состоящая из пары металлов или сплавов с различными физическими и механическими свойствами, например сталь и медь, сталь и алюминий и др. Один из металлов этой пары расположен в центре в виде сердечника, а второй — на периферии в виде плотно прилегающей к сердечнику концентрической оболочки. Такую проволоку производят главным образом прокаткой или прессова­ нием с последующим волочением биметаллической заготовки. Иногда применяют заготовку, состоящую из трубы со свободно введенным в нее сердечником. В отдельных случаях биметалли­ ческую проволоку получают сверткой оболочки вокруг сердеч­ ника при протяжке через волоку с каналом специального профиля (рис. 37). Освоено и применяется в промышленном производстве электролитическое наложение оболочки на сердечник.

Процессы волочения биметаллических полос в общем подчи­ няются основным закономерностям процесса волочения сплошных круглых профилей. Однако различие механических свойств (проч­ ность, вязкость), а вследствие этого и соотношения величин по­ перечных сечений сердечника и оболочки создают дополнительные условия, которые могут затруднять течение процесса. Здесь особо важен, как уже было выяснено ранее (см. рис. 16), рост продоль­ ных напряжений от периферийных слоев к центральным слоям деформационной зоны, в то время как радиальные и, следова­ тельно, окружные напряжения, наоборот, от периферийных слоев к центральным уменьшаются. Поэтому сжимающие напряжения,

50