» » Силовые условия волочения
14.01.2015

Сила волочения зависит от большого количества самых разнообразных факторов, влияние которых при аналитическом определении трудно учесть. Поэтому при разработке аналитических зависимостей для определения силы волочения приходится вводить упрощения, ограничиваясь лишь учетом основных факторов.
При анализе процесса наиболее часто рассматривается волочение круглого прутка в коническую волоку. Это объясняется тем, что указанный вариант волочения наиболее прост и в аналитическом описании, и в экспериментальной проверке. Кроме того, почти все определяющие факторы данного процесса имеют место и при других его разновидностях. Поэтому решение этой простейшей задачи позволяет путем внесения соответствующих уточнений перейти к определению силовых условий более сложных процессов волочения.
При волочении некруглых сплошных профилей для обеспечения одновременности начала деформации отдельных элементов образующие контактной поверхности волочильного канала наклонены к его оси под разными углами. В результате этого появляются дополнительные деформации, которые определяются формами начального и конечного поперечных сечений, что приводит к росту неравномерности упрочнения отдельных элементарных объемов. Все это значительно усложняет вывод аналитических зависимостей для определения напряжений волочения профилей некруглой формы. Следует также иметь в виду, что по состоянию развития общей теории обработки металлов давлением, не все факторы могут быть в равной степени учтены при аналитическом определении силы волочения, а некоторые из них вообще не поддаются строгому аналитическому описанию. К последним можно отнести неравномерность деформации и немонотонность ее изменения по длине пластической зоны.
И.Л. Перлиным получены зависимости для определения напряжения волочения профилей с поперечным сечением, близким к кругу, и прямоугольного сечения. Формула для определения напряжения волочения для профилей прямоугольного сечения может быть использована при анализе силовых условий волочения тонкостенных профилей. В этом случае напряжение волочения можно определить как средневзвешенное напряжение волочения отдельных элементов в условиях плоской деформации. Сечение тонкостенного профиля может быть расчленено на отдельные полосы, для которых напряжение волочения определяется по формуле
Силовые условия волочения

где σSC — среднее значение сопротивления деформации (истинного предела текучести); α — угол наклона образующей волоки; S0, Sк — толщина полки профиля соответственно до и после волочения; σ/упр — напряжение на границе упругой и пластической зон очага деформации; a = cos2p(1 + f ctg α) — 1, где f — коэффициент трения; р — угол трения (р = arctg f).
Величину σ/упр можно определить путем экстраполирования прямолинейной зависимости K (ln μ) до оси ординат (рис. 17). Такое определение может быть произведено для профиля одного типоразмера, поскольку интенсивность зависимости K (ln μ) практически инвариантна к форме профиля. При отсутствии экспериментальных данных для ориентировочных расчетов можно принять σ/упр = (0,1/0,12) σSC.
Рассчитанные по формулам напряжения волочения позволяют определить коэффициент запаса прочности при волочении, который представляет собой отношение временного сопротивления материала при данных условиях волочения к напряжению волочения, т.е. γ3 = σв/Кв и характеризует устойчивость процесса.
Однако коэффициент запаса прочности (γ3) при волочении тонкостенных профилей характеризует устойчивость процесса в стационарной стадии и не является определяющей характеристикой для начальной стадии, так как обрывы профилей в начале процесса волочения наблюдаются даже при относительно низких значениях напряжения волочения, когда коэффициент запаса прочности превышает 1,8/2. Это объясняется тем, что в начальной стадии волочение осуществляется при более низкой температуре вследствие подхолаживания участка профиля в зоне контакта с инструментом. В таких условиях растягивающие осевые напряжения в поперечном сечении профиля могут возрасти до значений, приводящих к обрыву профиля. Поэтому при оценке начальной стадии процесса необходимо учитывать прочность захватки профиля.
Силовые условия волочения

На рис. 18 представлена типовая осциллограма процесса волочения с нагревом. В отличие от известных осциллограмм при холодном волочении в данном случае сила волочения в начальной стадии процесса сохраняет высокие значения в течение 6—12 с в зависимости от скорости волочения и времени заправки профиля в губки тянущей тележки, затем происходит уменьшение силы волочения и начинается станционная стадия процесса. Сила волочения в начальной стадии может превышать силу в стационарной на 20—40 %.
Условие обеспечения надежности процесса в начальной стадии можно записать так:
Силовые условия волочения

где σв — временное сопротивление захваточной части профиля при температуре волочения; σр — растягивающее напряжение в захваточной части профиля.
Учитывая, что растягивающие напряжения в захваточной части составляют
Силовые условия волочения

где Pн=Kв.нFк — сила в начальной стадии волочения; F3, Fк — соответственно площадь сечения захватки и профиля после волочения (конечная); Кв.н — напряжение волочения в начальной стадии процесса.
Условие запаса прочности в начальной стадии процесса волочения можно записать в виде
Силовые условия волочения

Из условия (2.16) следует, что при прочих равных параметрах волочения запас прочности зависит от отношения площадей сечения захватки и волоченого профиля. При волочении профилей с острением, когда F3/Fк<1, коэффициент запаса прочности захватки значительно снижается. Это проявляется тем более интенсивно, чем больше периметр профиля. Последнее может быть объяснено тем, что при острении равных по площади профилей на одинаковую толщину съема изменение площади будет наименьшим у профиля с минимальным периметром. Таким профилем является круг. Поэтому для сравнения развитости периметров профилей воспользуемся Коэффициентом формы Aф. На рис. 19 представлен график изменения F3/Fк для профилей с одинаковой площадью поперечного сечения и величиной съема при острении 0,1 мм в зависимости от коэффициента Аф. График показывает, как с увеличением уменьшается площадь поперечного сечения остреного конца профиля, а вместе с ним и запас прочности γ3'. Наибольший запас прочности имеет профиль круглого сечения. Поэтому при проектировании процесса волочения профилей, близких к кругу, запас прочности остреного конца обычно не принимается во внимание.
Силовые условия волочения

Исследуемый нами сортамент профилей имеет площадь сечения 1—0,3 см3 и Аф=3,0/4,5. Следовательно, при острении профилей площадь поперечного сечения уменьшается на 8—20 %. При этом значительно снижается запас прочности захватки. Практика показала, что даже при условии хорошо выполненной захватки обжатие при волочении не превышает 7—9 %. Это еще раз доказывает нерациональность волочения тонкостенных профилей с предварительным острением. Таким образом, для повышения запаса прочности захватки необходимо, чтобы F3/Fк≥1. Этого можно достичь при волочении профилей без предварительного острения.
Другой путь повышения γ3' — увеличение прочности захватки, что может быть достигнуто интенсивным охлаждением захваточной части профиля после выхода из волоки, например, путем введения спреерного устройства. Однако, как показала практика, при интенсивном охлаждении захватки в момент заправки ее в губки тянущей тележки наблюдается охлаждение самого профиля, что влечет за собой увеличение напряжения волочения в начале процесса.
Таким образом, при волочении профилей с предварительным острением повышение частных обжатий вызывает серьезные трудности. Поэтому для успешного ведения процесса волочения необходимо, чтобы коэффициент запаса прочности захватки профиля был больше или равен коэффициенту запаса прочности при волочении:
Силовые условия волочения

Из этого условия можно записать
Силовые условия волочения

Однако следует учесть, что условие (2.18) справедливо для профилей, близких по площади к кругу, и тонкостенных профилей с полками равной толщины. Так как при волочении разнотолщинных профилей в отдельных полках возникают различные продольные напряжения, при определении коэффициента запаса прочности следует пользоваться средней величиной напряжения волочения по профилю. Наиболее целесообразно определять средневзвешенную величину напряжения волочения. В этом случае сечение тонкостенного профиля может быть расчленено на полосы, для которых напряжение волочения определяется из условия плоской деформации
Силовые условия волочения

где Кв1, Кв2, ..., Квn — напряжения волочения отдельных полок профиля; Fк1, Fк2, ..., Fкn — площадь сечения этих полок после волочения.
При волочении разнотолщинных профилей полки профиля, нагретые до температуры волочения, при контакте с инструментом охлаждаются неодинаково. Поэтому величина сопротивления деформации протягиваемого металла в состоянии после его выхода из деформационной зоны σSK имеет разную величину по полкам профиля. На сопротивление деформации при прочих равных условиях влияет также скорость деформации, которая зависит от толщины полки профиля и геометрических параметров деформационной зоны.
Учитывая эти обстоятельства, сопротивление деформации протягиваемого металла в выражении (2.18) следует принимать как средневзвешенную величину, аналогично напряжению волочения
Силовые условия волочения

Тогда запас прочности при волочении составит
Силовые условия волочения

Для расчета напряжения волочения профилей сложной конфигурации Г.Я. Гуном предложена следующая зависимость:
Силовые условия волочения

I — длина рабочего участка волочильного канала волоки с учетом калибрующей зоны; ΔF — изменение площади F за проход; П — полусумма начального и конечного контактных периметров; β — коэффициент Лоде.
Формула (2.21) получена применительно к малым углам волоки, не учитывает напряжений на границе упругой и пластической зон, сдвиговых деформаций и очень приближенно учитывает трение в калибрующем пояске волоки, но она наиболее проста и удобна для анализа. Эту формулу можно записать в другом виде:
Силовые условия волочения

где Пн, Пк — периметр сечения профиля соответственно до и после волочения, мм; Fн, Fк — площади поперечного сечения профиля соответственно до и после волочения.
Обозначим многочлен в квадратных скобках через а и преобразуем его применительно к элементам профиля прямоугольной формы. Тогда, принимая во внимание схему плоской. деформации (отсутствие обжатия полок профиля по ширине), запишем
Силовые условия волочения

где Sн, Sк — толщина полки профиля до и после волочения соответственно; В — ширина полки профиля.
Учитывая, что 2l/Sн-Sк=ctg αn, получаем а = (1 + fnctg αn).
Таким образом, напряжения волочения по элементам профиля равны
Силовые условия волочения

Тогда коэффициент запаса прочности примет следующий вид:
Силовые условия волочения

Выразим среднее значение сопротивления деформации как среднюю геометрическую величину сопротивления деформации до и после волочения
Силовые условия волочения

При этом предполагаем, что все элементы профилей перед входом в деформационную зону имеют одну температуру и σSH для всех элементов профиля одинаково.
Тогда
Силовые условия волочения

Определим из полученного выражения предельную вытяжку при условии σs cp/Kв ср=1:
Силовые условия волочения

Для удобства анализа этой формулы рассмотрим выражение для случая волочения профиля с полками одинаковой толщины, когда
Силовые условия волочения

Это условие показывает, что вытяжка за переход зависит главным образом от степени упрочнения материала при волочении. В условиях высоких температур, когда σт.к/σт.н=1 (без охлаждения профиля за выходом из волоки), вытяжка зависит от показателя а , а при fn=0 предельная вытяжка равна μF=е1/β=e0,87=2,38.
В работе показано, что при волочении круглых профилей при аналогичных условиях волочения вытяжка не превышает 2,71 (μF≤е=2,71). При волочении профилей в условиях плоской деформации предельная вытяжка меньше, вследствие введения в показатель степени величины 1/β, что вытекает из условия пластичности для плоской деформации.
Для экспериментального определения силы волочения обычно используют месдозы с проволочными или фольговыми тензодатчиками. Месдозы располагают в узле волочильного инструмента или на тележке стана и применяют в комплекте с многоканальными тензометрическими усилителями и шлейфовыми осциллографами различных типов.
Для исследования процесса горячего волочения стали и титановых сплавов при 600—900 °C не всегда можно применять безусилительные системы, построенные на индуктивных или магнитоупругих динамометрах, из-за довольно высокой температуры (200—250 °C) в зоне установки силовых элементов. В этих условиях целесообразно пользоваться надежными в эксплуатации тензометрами сопротивления, позволяющими легко компенсировать температурные погрешности, не прибегая к системам охлаждения. Применение тензометров сопротивления наиболее эффективно при волочении профилей без острения концов, когда инструментальная оснастка очень усложнена и размещение в ней измерительных устройств становится затруднительным.
Полная сила волочения определяется с помощью четырех тензометрических динамометров (рис. 20), являющихся дополнительными звеньями к четырем шпилькам, стягивающим переднюю и заднюю траверсы тележки стана. Возникающие в процессе волочения растягивающие усилия в шпильках соответствуют силе волочения, за исключением потерь на трение качения тележки. Упругий элемент 1 выполнен в виде полого стального цилиндра с утонением в центральной зоне и с резьбой во внутренней полости на обоих концах. Деформация воспринимается четырьмя проволочными тензодатчиками сопротивления 2. Два из них наклеены вдоль продольной оси динамометра и работают на растяжение, а остальные — по окружности упругого элемента и поэтому воспринимают деформацию сжатия, равную по величине половине деформации растяжения. Тензодатчики всех четырех динамометров соединяются по последовательно-параллельной схеме в общий полумост (рис. 21). При этом тензометры, воспринимающие деформацию разного знака, включаются в смежные плечи моста, образуя дифференциальный мост, что увеличивает его чувствительность и обеспечивает надежную температурную компенсацию. Поэтому на схеме рис. 21 тензодатчики, работающие на растяжение, условно обозначены как рабочие (Rp), а остальные как компенсационные (Rк).
Силовые условия волочения

При объединении всех тензодатчиков четырех динамометров в общий полумост показания их практически не зависят от неравномерности нагружения стяжных шпилек и возможных перекосов. Для установки на тележку были отобраны динамометры, наиболее близкие по токочувствительности.
Наклеенные на упругие элементы с помощью клея БФ-2 тензодатчики типа ТПБ-100-10 после стандартной термообработки были покрыты защитным слоем воскоканифольной смеси, что обеспечило надежную их работу в течение длительного времени. Тарировочная характеристика устройства, полученная при напряжениях питания моста 16 и 12 В, близка к прямолинейной. Для исключения влияния условий нагружения тарировку проводили непосредственно на волочильном стане с помощью гидроцилиндра, шарнирно закрепленного на тележке и соединенного с волочильной доской при помощи тяги.
Для исследования радиальных усилий при волочении полосы было разработано специальное устройство (рис. 22), отличающееся от известного лабораторного прибора А .А. Динника конструкцией упругих элементов, схемой их нагружения и системой регистрации показаний. Разъемные металлокерамические вкладыши, образующие канал волоки 2, помещены в упругую раму 3, на упругих стойках 8 которой наклеены рабочие и компенсационные тензодатчики 7, соединенные в общий полумост. Возникающие в процессе волочения радиальные нагрузки растягивают упругие элементы рамы и наклеенные на них тензодатчики. Регулировка толщины полосы достигается подбором шаблонов 5 с последующим перемещением одного из вкладышей регулировочными винтами 6.
С целью устранения зазоров в соединениях шаблоны предварительно поджимают с силой, составляющей приблизительно 20—30 % от распирающей силы при волочении полосы. При этом обеспечивается регистрация радиального усилия с минимальными искажениями.
Для исследования процессов горячего волочения титана и стали устройство может быть выполнено на высокотемпературных тензодатчиках типа BT-K с применением специальных методов температурной компенсации.
Силовые условия волочения

Диаграммы изменения силы волочеция (рис. 22, 1) в начальной стадии имеют значительные пиковые нагрузки, сохраняющиеся в течение времени, которое в зависимости от скорости волочения и градиента температуры по длине профиля составляет от 6 до 15 с. Затем пиковая нагрузка снижается до силы стационарной стадии волочения, и при устойчивом протекании процесса резких колебаний обычно не наблюдается. При волочении стальных профилей с нагревом до 700—800 °C величина пиковой нагрузки составляет 1,2—2,1 от величины силы на стационарной стадии процесса и, как правило, обусловливается охлаждением профиля за время заправки его в волоку. При небольших потерях тепла пик на диаграмме силы будет минимальным.
На рис. 23, 2 показана диаграмма изменения силы волочения профиля в последующем переходе, перед которым профиль кантуется (захватка первого перехода оказывается на заднем конце). В этом случае на диаграмме имеем два пика увеличения силы волочения — в начале и в конце процесса. Увеличение силы волочения в конце процесса обусловливается увеличением степени деформации за счет обжатия некалиброванной захватки в первом переходе.
Силовые условия волочения

В табл. 13 приведены экспериментальные значения напряжения волочения в начальной и стационарной стадиях процесса при различных температурах обработки.
Силовые условия волочения