Усиление волочения

Чтобы протянуть трубу или пруток через волоку, необходимо к захватке приложить определенную силу. Эта сила, называемая усилием волочения, расходуется на изменение размеров и формы изделия и на преодоление сил трения, возникающих при движении изделия по поверхности инструмента.

Энергия, затрачиваемая на волочение, в значительной мере (до 80—85%) превращается в теплоту, которая идет на нагревание изделия, инструмента, смазки.

Изучение условий, влияющих на усилие волочения, имеет большое практическое значение. Действительно, чем меньше усилие волочения, т. е. чем меньше напряжение в переднем (протянутом) конце изделия, тем меньше обрывов и затраты энергии на волочение, тем больше можно дать обжатие. Частые обрывы изделий говорят о том, что усилие волочения превышает прочность переднего конца изделия.

Усилие волочения измеряется тонна-силами (T) или килограмм-силами (кГ и кгс).

Для сравнения напряжений, возникающих в передних концах протягиваемых прутков или труб, пользуются понятием напряжения волочения. Оно соответствует той части усилия волочения, которая приходится на каждый квадратный миллиметр поперечного сечения переднего протянутого конца. Величина напряжения волочения зависит от усилия волочения и площади сечения переднего конца изделия; ее можно определить по формуле

где р — напряжение волочения, кГ/мм2;

P — усилие волочения, кГ;

E — площадь сечения изделия после волочения, мм2.

При неблагоприятных условиях протяжки напряжение волочения может стать равным пределу прочности протягиваемого материала и тогда изделие разорвется. Чтобы снизить напряжение волочения, необходимо стремиться к уменьшению усилия волочения.

Усилие волочения зависит от целого ряда факторов: механических свойств обрабатываемого металла, величины обжатия, размера изделий, профиля и состояния рабочих поверхностей инструмента, состояния поверхности изделий, смазки, скорости волочения и т. д.

Рассмотрим значение каждого фактора в отдельности. Между механическими свойствами обрабатываемого металла и усилием волочения существует следующая зависимость: чем больше предел прочности, чем тверже металл, тем большее требуется усилие волочения. Это подтверждается следующим примером. Протягивали медные отожженные и наклепанные трубы, причем предел прочности у первых составлял 23 кГ/мм2, а у вторых 28 кГ/мм2. Te и другие трубы протягивали с размера 15,3X1,15 мм на размер 12X1,0 мм в одинаковых условиях. Замеры показали, что усилие волочения отожженных труб равно: P1 = 550 кГ, а наклепанных P2 = 760 кГ. Зная, что сечение трубы диам. 12х1,0 мм равно 34,5 мм2, легко подсчитать и напряжение волочения Для отожженных труб оно равно:

Видим, что наклепанные трубы потребовали большего усилия волочения и напряжение волочения в них больше, чем у отожженных.

Прямая зависимость существует также между усилием волочения и величиной обжатия; с увеличением обжатия, как видно на рис. 115, усилие волочения возрастает. Действительно, если усилие при волочении медных прутков диам. 9 мм с обжатием на 17% составляет 600 кГ, то при обжатии на 30% оно возрастает до 1120 кГ. Такая же зависимость наблюдается при волочении других прутков.

Влияние инструмента на усилие волочения можно рассмотреть в зависимости от конструктивных особенностей волоки: величины угла волочения, ширины цилиндрической части, формы волочильного очка (канала), качества полировки и материала волоки.

Под углом волочения подразумевается угол, образующийся между осью изделия или параллельной ему линией и боковой конической поверхностью отверстия волоки. На рис. 116 этот угол помечен буквой а.

Зависимость напряжения волочения от угла волочения показана на рис. 115. Кривая 3 показывает, что при волочении медной мягкой проволоки с обжатием 10% наименьшее напряжение волочения будет при угле а =6—7°. С увеличением обжатия до 20 и 30% оптимальный угол возрастает до 12—15°. На основании таких кривых, а также учитывая то, что волоки с меньшим углом волочения более стойки, на практике угол а для прутковых волок принимают равным 6—7°. При протяжке труб на оправке, когда возникают дополнительные силы трения между трубой и оправкой, угол волочения увеличивают до 10—15°. Для толстостенных труб угол волочения берут по нижнему пределу, а для тонкостенных — по верхнему.

На усилие волочения влияет также величина цилиндрической части волоки 3 (см. рис. 116): чем она меньше, тем меньше усилие волочения. Ho практически делать цилиндрическую часть меньше 0,5—0,4 мм нецелесообразно, так как вследствие трения она быстрее изнашивается и волока скорее выходит из строя.

Следует отметить, что при волочении труб и прутков величина цилиндрической части волоки влияет на кривизну протянутых изделий, т. е. чем она больше, тем изделие получается прямее. Поэтому у волок, предназначаемых для волочения прутков диаметром менее 40 мм, цилиндрическую часть делают равной 3—7 мм. Вопрос о возрастании усилия волочения не имеет существенного значения, так как это окупается более легкой правкой. У трубных волок тех же размеров цилиндрическую часть, как правило, делают не более I—2 мм, так как с ее увеличением возрастает число случаев обрывов труб. Только при волочении тонкостенных труб большого диаметра (73х1,5 мм, 121х1,5 мм и др.), когда правка готовых труб сопряжена с возможностью их смятия, цилиндрическую часть волоки делают равной 10—15 мм; обжатия в этих случаях принимают значительно меньшие.

Форма канала волоки — коническая или радиальная (рис. 116) — на усилие волочения влияет незначительно. Ho благодаря простоте изготовления и контроля за формой канала на практике приняты конические волоки.

Весьма заметно на усилие волочения влияет качество полировки инструмента: чем мельче следы обработки (продольные или поперечные риски), тем меньшее требуется усилие волочения. Плохая полировка повышает усилие волочения.

На усилие волочения влияет также и состояние поверхности волочимых изделий. Оставшаяся на изделиях после травления окалина и остатки травильного раствора при плохой промывке увеличивают силы трения и, следовательно, усилие волочения.

Для относительного сравнения сил трения вводится понятие о коэффициенте трения.

Коэффициентом трения называется отношение силы трения к силе давления движущегося тела на поверхность, по которой оно перемещается. Допустим, что для передвижения ящика с грузом (рис. 117) общей массой 200 кг требуется приложить силу, равную 60 кГ. При этих условиях коэффициент трения равен 60:200 = 3:10 = 0,3, т. е. сила трения в этом случае составляет 0,3 силы давления. Чем меньше коэффициент трения, тем меньше сила, требующаяся для перемещения груза.

Коэффициент трения зависит, в частности, от материала трущихся поверхностей и смазки между ними. Например, коэффициент трения меди по стали марки ЭХ12 без смазки равен 0,36, а при смазке он уменьшается до 0,06—0,08.

Скорость волочения, т. е. скорость движения цепи или окружной скорости барабана на усилие волочения влияет незначительно. При небольших скоростях (0,5—5 м/мин) усилие с повышением скорости возрастает. При больших скоростях, достигающих нескольких сот метров в минуту, наоборот, усилие волочения снижается. Таким образом, высокие скорости не припятствуют повышению производительности оборудования.

Усилие волочения можно определить с помощью измерений специальными силомерами (динамометрами) или же расчетом по формулам.

Наиболее простой гидравлический силомер состоит из стальной массивной коробки, заполненной жидкостью, и манометра. При сжатии коробка упруго деформируется, а давление, возникающее в жидкости, передается манометру. По его показаниям, пересчитанным на тонна-силы или килограмм-силы, судят о величине нагрузки, приложенной к коробке.

При работе на волочильных станах один силомер помещают под волоку, а другой — под пятку волочильного болта. В первом случае силомер показывает давление трубы на волоку, а во втором —- силу натяжения болта. Складывая эти показания, находят усилие волочения.

Иногда силомер размещают в волочильной тележке, и тогда прибор показывает общее усилие волочения.

Для определения усилия волочения расчетным путем имеется несколько сравнительно сложных формул. При ориентировочном подсчете можно применять следующую простую формулу:

где P — усилие волочения, кГ;

F0 и F1 — площадь сечения изделия до и после волочения, мм2;

ob1 — предел прочности изделия на разрыв после волочения, кГ/мм2, находится по диаграмме упрочнения металла при наклепе (см. рис. 22);

А — коэффициент, учитывающий влияние формы волочильного инструмента, угла волочения, трения на контактных поверхностях инструмента и изделия и т. д.; для труб A = 2, для прутков А = 1,8.

Разница между указанными коэффициентами объясняется тем, что труба при волочении испытывает трение и о волоку, и об оправку, а пруток только о волоку.

Из формулы (20) видно, что усилие волочения зависит от механических свойств (ob) и размера (F1) изделия, величины обжатия (F0-F1/F0) и от других условий (А).

Необходимо заметить, что точность определения усилия волочения зависит от того, насколько точно определены механические свойства металла и условия волочения. Свежая или старая смазка, хорошее или плохое качество травления и промывки, качество полировки инструмента и т.д. могут существенно влиять на усилие волочения.