» » Волочильный инструмент
14.01.2015

Наиболее широкое применение при волочении фасонных профилей сложной формы находят волоки из металлокерамических твердых сплавов. Их отличает износо- и адгезионная стойкость, невысокий коэффициент трения, термостойкость. Эти качества позволяют использовать твердые сплавы для волок, имеющих высоконагруженные зоны (выступы, тонкостенные элементы, переходы между расположенными под углом элементами профиля) при волочении высокопрочных материалов в холодном состоянии и с нагревом. Если вопросы, связанные с выбором материала, изготовлением и эксплуатацией твердосплавных волок для волочения круглых профилей, достаточно широко освещены в литературе, то опыт применения твердых сплавов при волочении профилей сложной формы — недостаточно.
Особые сложности возникают при волочении из титановых сплавов и высокопрочных сталей тонкостенных профилей с большим диаметром описанной окружности (до 80 мм) и развитым периметром сечения. Для волочения таких профилей требуются разъемные волоки, работающие в условиях, отличных от тех, в которых эксплуатируются неразъемные твердосплавные волоки, запрессованные в обоймы.
Эффективное применение твердосплавных волок предполагает прежде всего рациональный выбор материала. Используемые в волочильном производстве твердые сплавы состоят из монокарбидов вольфрама (WC) или титана (TiC) и металлического кобальта. Микроструктура сплавов WC-Co является практически двухфазной, состоящей из кристаллитов карбида вольфрама и участков цементирующей фазы. Цементирующая фаза состоит из кобальта, в котором растворено небольшое количество вольфрама и углерода (до 1 %). С изменением соотношения содержания карбидов вольфрама и кобальта изменяются физикомеханические свойства сплавов. Важным фактором является также размер карбидных зерен.
В табл. 12 приведены состав, свойства и условия применения в волочильном производстве твердых сплавов систем WC-Co и WC-TiC-Co.
Поскольку в процессе эксплуатации волоки для обработки сложных профилей чаще выходят из строя из-за раскалывания под действием ударных нагрузок и поломок при наличии изгибающих усилий, оправданным является использование сплавов BK 15 и ВК20, так как при этом в несколько раз уменьшается число поломок фасонных волок. Эти сплавы, как показал опыт ряда заводов, рационально применять при волочении профилей с диаметром описанной окружности более 35 мм; для профилей с диаметром описанной окружности до 10 мм — сплав ВК6, диаметром 10—35 мм — сплав ВК8.
Волочильный инструмент
Волочильный инструмент

В общем виде область применения волок из твердых сплавов ограничивают значениями двух факторов: величиной критического давления до прилипания Pп.кр и величиной критического давления до разрушения Pр.кр. Добиваясь увеличения допустимой величины критического давления до прилипания Pп.кр' удается применять твердосплавные волоки вместо алмазных для более тонких сечении протягиваемого металла.
Это может быть достигнуто за счет применения новых смазок, совершенных способов подготовки поверхности, а также путем изменения технологии волочения (частные обжатия, температура, применение специальных приемов, например, гидродинамического подвода смазки, наложения ультразвуковых колебаний). С повышением значения критического давления до разрушения Pр.кр можно увеличить размеры сечений металла, протягиваемого через твердосплавные волоки. Наряду с отмеченными приемами снижения нагруженности инструмента одним из важнейших факторов становится конструкция волоки и способ ее крепления в обойме.
При определенных условиях обработки, например, при увеличении скорости волочения представляют значительный интерес волоки из титано-вольфрамокобальтовых твердых металлокерамических сплавов (WC-TiC-Co). Титаново-вольфрамокобальтовые сплавы с повышением температуры эксплуатации обладают повышенной ударной вязкостью по сравнению с вольфрамокобальтовыми сплавами и сохраняют ее при высоких температурах.
С введением в сплав карбида титана уменьшается налипание твердых сплавов на поверхность стали, а также коэффициент трения при соприкосновении со сталью, отчего повышается стойкость при истирании. Это делает целесообразным опробование титано-вольфрамокобальтовых сплавов, например, Т5К10, Т15К6 при волочении с нагревом профилей из высокопрочных материалов.
Для изготовления волок из твердых сплавов применяют три вида заготовок: стандартные заготовки по ГОСТ3382—74 и ГОСТ 9453-60; отпрессованные в пресс-формы и затем спеченные заготовки; пластифицированные прессованные заготовки. Применение стандартных заготовок волок оправдано для профилей несложной конфигурации, когда потери твердого сплава при обработке на электроэрозионных станках не превышают 25 % от массы заготовки. При изготовлении волок для профилей чаще не представляется возможным подобрать стандартные заготовки требуемых размеров. В этом случае для профилей простых форм (круг, квадрат, шестигранник) заготовки получают прессованием с последующим спеканием. После спекания волоки подвергают только окончательной доводке для удаления дефектного слоя, достижения требуемых точности канала волоки и шероховатости поверхности. При такой технологии изготовления волок необходимы специальные пресс-формы для каждого типоразмера волок.
Сам процесс изготовления пресс-форм является весьма трудоемким. Для точной подгонки деталей фасонной пресс-формы требуется применение квалифицированного ручного труда до 30 нормочасов. Поэтому экономически целесообразно изготавливать волоки по схеме прессование — спекание при годовой потребности каждого типоразмера не менее 20 шт. Расчет размеров пресс-форм производят с учетом коэффициента усадки в процессе спекания (R), припуска на удаление дефектного поверхностного слоя (δ1) и припуска на устранение искажения формы заготовки в процессе спекания (δ2). Тогда искомый размер пресс-формы H = (H0 + δ1 + δ2)R, где H0 — размер заготовки. Коэффициент усадки R принимают в зависимости от марки спекаемых сплавов следующим: ВКЗ, ВК8 1,20; ВК15 1,23; ВК20 1,25. Необходимо учитывать, что коэффициент усадки может изменяться в зависимости от дисперсности порошков в пределах 1—2 %. Величину δ1+ δ2 можно принять в пределах 0,4-0,7 мм.
Для изготовления пресс-форм используют инструментальные стали типа У8, ХВГ, 9ХС. Прессование осуществляют на механических или гидравлических прессах, обеспечивая величину средних рабочих напряжений на рабочей поверхности пуансона 30-40 МПа.
В условиях мелкосерийного и единичного производства наиболее приемлем разработанный во ВНИИТС способ получения пластифицированных заготовок. Сущность метода заключается в прессовании порошка с пластификатором, который представляет собой раствор каучука в бензине. Затем заготовку спекают при 650—700 °C в среде водорода. Спеченные заготовки пропитывают парафином. Такая заготовка хорошо поддается последующей механической обработке. При спекании пластифицированной заготовки вследствие более однородной плотности порошка по объему, чем при прессовании в пресс-форме, искажения формы уменьшаются, а потому и допуск уменьшается с 0,3—0,5 до 0,1—0,2 мм. Благодаря указанным преимуществам пластифицированные заготовки применяют при изготовлении в условиях единичного производства твердосплавных волок для волочения в нагретом состоянии широкого сортамента тонкостенных профилей из высокопрочных сталей и титановых сплавов.
Волочильный инструмент

Корнеев Н.И., Хабаров Н.Д., Тарасов В.И. предложили выполнять составную волоку с наружной поверхностью в виде конуса с само-тормозящимся углом. По их мнению, части такой волоки, наложенные на профиль, будут затягиваться до окончательного размера под действием усилия волочения. Как показал последующий анализ предложенного способа и проведенные эксперименты, выполнение наружной поверхности составной волоки в виде конуса является условием необходимым, но недостаточным для обеспечения процесса затягивания частей волоки. В связи с этим возникла необходимость в создании специального устройства, обеспечивающего волочение тонкостенных профилей без острения захваток. На основе этого принципа было создано оригинальное устройство, ранее не применявшееся в промышленности (см. рис. 9).
В зависимости от конфигурации профиля применяют разъемные волоки, состоящие из двух, трех или четырех частей. Твердосплавный вкладыш составной волоки (рис. 12) крепится в разъемном корпусе, который выполняется из инструментальной стали У10. К стальным деталям корпуса вкладыш припаивают самофлюсующимся припоем ВПр4 или латунью Л62. Пайка производится на высокочастотной установке. Детали корпуса волоки с укрепленными твердосплавными вкладышами и уложенной в зазоры между ними фольгой припоя помещают в кварцевую трубку, продуваемую аргоном, нагревают выше температуры плавления припоя на 100—150°С (до 1050— 1100°C), выдерживают при этой температуре в течение 3-5 мин и охлаждают при продувке аргоном до 300—350°С, а затем на воздухе. После пайки производят окончательную доводку размеров волок в сборе.
При волочении без острения профилей полузакрытого типа (швеллер и т.п.) большую сложность представляет заправка профиля в канал волоки в случае, если ширина полости на профиле остается постоянной или увеличивается по переходам волочения. Устранить названное затруднение можно изменением калибровки инструмента и размеров сечения исходной заготовки за счет постепенного по переходам волочения уменьшения ширины полости. Однако этот путь не всегда оптимален по деформационным условиям. Поэтому для обеспечения свободной заправки таких профилей необходимо создать достаточно большой развод частей составной волоки, величина которого превышает глубину полости. Достигнуть большого развода частей составной волоки при сравнительно небольшом их продольном перемещении по втулке возможно при использовании радиального профиля образующей втулки (рис. 13). В результате поворота частей волоки при перемещении их по радиусу R внутри втулки калибрующая зона внедряется в поверхность профиля не всей плоскостью одновременно, а с постепенным увеличением поверхности контакта, что позволяет уменьшить необходимое усилие поджима.
Волочильный инструмент

С целью обеспечения благоприятных условий затягивания частей волоки величина радиуса может быть определена из выражения
R = ΔS/ (1 - cos α),

где ΔS — величина абсолютного обжатия на сторону за переход волочения; α — самотормозящий угол трения.
При волочении фасонных профилей волочильный инструмент работает в условиях сложного нагружения при наличии изгибающих напряжений, отрицательно влияющих на работоспособность металлокерамического материала волок. Как правило, выход волок из строя вызван поломками или выкрошиванием рабочей части. В связи с этим важное значение имеет совершенствование конструкции и технологии изготовления металлокерамических волок. Одним из таких совершенствований является наплавка рабочей части волок металлокерамическим сплавом.
Наплавка с целью упрочнения поверхности инструмента широко применяется в промышленности. Однако наплавление металлокерамического сплава вызывает ряд технологических трудностей, обусловленных его высокой температурой плавления и низкой электропроводностью, а также резким различием коэффициентов линейного расширения наплавленного слоя и основы, приводящим к трещинообразованию при охлаждении. Рациональные режимы наплавки и термической обработки волок из стали ЗХ2В8, при которых исключалось трещино-образование, разработаны В.В. Гуляевым. В качестве исходного материала для наплавки были использованы прессованные и спеченные вольфрамокарбидные электроды из сплава ВК8 диаметром 4 мм. Для достижения доброкачественной наплавки электроды были покрыты обмазкой. Ниже приведен состав порошкового покрытия вольфрамокарбидных электродов, кг на 10 кг смеси: мрамор 1,7; графит 2,0; феррованадий 1,3; рутил 2,0; плавиковый шпат 3,0.
Подготовка электродов к работе производится следующим образом: порошкообразные материалы обмазки помещают в барабан и тщательно перемешивают до получения равномерной по составу смеси. В приготовленную смесь непосредственно перед ее нанесением добавляют жидкое стекло (ГОСТ 4419—48) до получения пастообразной обмазки.
Электроды, помещенные в специальные кассеты, погружали в обмазочную смесь, после чего просушивали при комнатной температуре в вертикальном положении. Просушенные электроды прокаливали в электрической печи при 200 °C в течение 1,5—2,0 ч. Электродуговую наплавку производили с помощью сварочного аппарата ПС—500 при силе тока 120 А. Перед электродуговой наплавкой волоки подогревали в электропечи до 700 °C. Нагрев выше 700 °C нежелателен во избежание интенсивного окалинообразования. Наплавку вели послойно: первый слой накладывали непосредственно на поверхность волоки после фрезерования; второй и третий слои накладывали на предыдущий до получения требуемых размеров с учетом припуска под механическую обработку. В месте наплавки на волоке предварительно производили выборку металла на глубину 1,0—1,5 мм. Толщина наплавленного слоя 1,5—2,5 мм.
С целью предотвращения образования трещин при остывании после наплавки волоки подвергали термообработке по следующему режиму: загрузка в печь при 700 °С; выдержка 2—3 ч; повышение температуры в печи до 800 °С; выдержка 20 мин; повышение температуры до 1100 °С; выдержка 20—30 мин; охлаждение на воздухе до 350 °С; загрузка нагретых до 350 °C волок в печь при 550 °C; выдержка 3 ч; охлаждение на воздухе. В результате были получены волоки достаточно большой твердости. Распределение твердости по поверхности волоки после термической обработки приведено на рис. 14.
Так как процесс волочения профилей осуществлялся в нагретом состоянии, то для снижения перепада температур между протягиваемым металлом и волокой ее перед работой подогревали до 350—400 °C. Более сильный подогрев волок нежелателен в связи с интенсивным окислением наплавки из твердого сплава и снижением прочности основного металла волоки.
Волочильный инструмент

Для волочения профилей простых конфигураций может применяться универсальная волока с регулируемыми размерами очка. Обычно применяемая конструкция волоки (рис. 15) позволяет использовать одни и те же твердосплавные вкладыши на нескольких переходах волочения, а также при калибровании серии однотипных профилей. Указанные вкладыши просты в изготовлении и взаимозаменяемы. С другой стороны, при использовании такой волоки необходимо производить острение захваток профилей. Вследствие недостаточной жесткости конструкции, а также необходимости наладки инструмента перед каждым переходом увеличивается разброс размеров по толщине полок готового профиля. В случае волочения профилей, имеющих на одной полке элементы разной толщины, необходимо изготавливать специальные вкладыши на каждый переход, что сводит на нет основное преимущество регулируемого инструмента. При этом наладка очка волоки на требуемые размеры настолько сложна, что использование регулируемого инструмента для подобных целей становится нецелесообразным.
Для обеспечения наладки регулируемой волоки и увеличения ее жесткости была разработана новая оснастка (рис. 16). Установка необходимых размеров очка волоки производится посредством шаблонов, закладываемых между твердосплавными вкладышами. Затяжка твердосплавных вкладышей производится посредством клиновых подушек.
Таким образом, универсальную регулируемую волоку целесообразно применять при изготовлении профилей простых конфигураций небольших партий, когда изготовление специального инструмента экономически неоправдано. На такой оснастке также возможно волочение профилей по специальному маршруту, когда это необходимо из-за малой точности исходной заготовки. При этом значительно сокращается цикл подготовки производства.
Стойкость твердосплавных волок в несколько раз выше стойкости волок из инструментальных сталей. По данным Ижевского металлургического завода, при волочении без нагрева углеродистых и малолегированных сталей стойкость волок из ВК15 составляет ориентировочно 5000—10000 м профилей, в то время как из стали Х12Ф1 — всего 1000—2000 м. По зарубежным данным, твердосплавные волоки при волочении профилей имеют стойкость 16000—30000 м, а стальные — 320-2600 м. При волочении тонкостенных профилей из титановых сплавов и высокопрочных сталей с нагревом установлена средняя величина износа твердосплавных вкладышей, равная 0,0375 мкм на 1 м профиля; эксплуатационная стойкость волок составляет 3000—5000 м.
Перед установкой на волочильный стан твердосплавные волоки для волочения с нагревом должны быть нагреты до 300—400 °C, что уменьшает захолаживание поступающей в очаг деформации заготовки, снижая тем самым величину рабочих напряжений на контактной поверхности, силу волочения и повышая стойкость волок.
Волочильный инструмент

Во избежание попадания смазки в разъемы волоки перед последующим переходом волочения волоку необходимо продувать сжатым воздухом.
Особое внимание следует обращать на правильный подбор и тщательное нанесение смазки на поверхность металла перед волочением. Неудовлетворительная подготовка поверхности перед волочением, разрывы смазочного слоя приводят к быстрому износу волоки и образованию рисок и наплывов на поверхности протянутых профилей. Важным также является соблюдение плавности пуска волочильного стана и постепенности нарастания скорости до заданной величины. В связи с этим используемый стан для волочения тонкостенных профилей усилием 150 кH имеет регулируемую скорость перемещения волочильной тележки в пределах 3—12 м/мин.
В процессе работы необходимо постоянно следить за состоянием поверхности протянутого профиля; в случае появления на ней. продольных рисок следует немедленно очистить наждачной бумагой канал волоки от налипов. После завершения работы твердосплавная волока должна быть также тщательно очищена от остатков смазки и налипших частичек протягиваемого металла. Это позволяет удлинить срок службы волок.