Волочение в волоках с подвижными контактными поверхностями

§ 4.1. Вращающиеся монолитные волоки

В рассмотренных процессах значительная часть силы волочения уходит на преололение внешнего трения. Для повышения интенсивности процесса при волочении круглого профиля волоке сообщают вращение в плоскости, перпендикулярной оси канала (рис.61). Показаны силы, действующие при этом на каждую элнментарную площадку контактной поверхности А вращающейся волоки. Каждая такая площадка будет двигаться относительно протягиваемого металла прямолинейно в направлении, обратном его поступательному движению, со скоростью v_вА, сооветствующей скорости волочения v_в, и вращаться со скоростью      v_окА = ωr_А,   (4-1) где ω – угловая скорость волоки; r_А – расстояние элементарной площадки от оси врашения.

Рис. 61. Силы, действующие на металл в канале монолитной вращающейся волоки

Направление  результирующй  скорости  площадки  А  относительно

материала определяется углом β: .   (4-2)

В точке А на металл действуют элементарная сила N, нормальная к его поверхности, и вызываемая ею сила трения Nf_n, действующая в направленииии движения волоки относительно металла, т.е. в направлении вектора v_p. При проектировании силы трения на ось канала и на плоскость, ей перпендикулярную, эта сила разложится на две: Nf_ncosβ и Nf_nsinβ. По сравнению с невращающейся волокой растягивающие силы в каждой элементарной площадке уменьшатся на N_A(1–cosβ). Это уменьшение тем значительнее, чем больше угол β, т.е. чем больше отношение окружной скорости точки А к скорости волочения, тем меньше силы трения, действующие в направлннии, обратном волочению (4-2).

При скорости волочения 1,5 мм/с  и окружной скорости 2,5 – 3,0 мм/с, т.е.при tgβ = 1,7…2, напряжения волочения снижаются примерно на 12–15%.

Практического применения этот способ, однако, не получил, т.к. при обычных скоростях волочения для заметного снижения трения пришлось бы вращать волоку с чрезвычайно большим числом оборотов. Действительно, при скорости волочения 100 м/мин  и проволоке  Æ 5 мм   для получения

tgβ = 2 необходимо (4-2), чтобы , что совершенно

неприемлемо.

Поэтому вращение волоки с возможным (по конструктивным соображениям) скоростями может быть применено лишь для равномерной разработки (износа) волок. Это используют в некоторых устройствах для волочения прутков.

4.2. Дисковые волоки

При волочении в монолитных волоках, особенно профилей сложных форм, силы внешнего трения заметно снижают эффективность прцесса. Повысить эффективность процесса можно лишь, уменьшив силы внешнего трени, для чего применяют дисквые волоки. Рабочие поверхности волочильного канала в этих волоках частично или полностью образованы поверхностью вращающихся дисков, оси которых заключены в хорошо смазываемые подшипники качения или скольжения. Иногода дисковые волоки применяются для волочения круглых профилей из твердых сталей по системе круг – овал – круг. При таких волоках не только облегчается процесс волочения, но и несколько повышаются механическив свойства готовой проволоки. Напряжённое состояние в деформационной зоне дисковой волоки принципиально не отличается от напряжённого состояния в монолитной волоке. Однако соотношение напряжений зависит от формы профиля. Для каждой формы соотношение напряжений должно уранавливаться отдельно.

Волочение в дисковых волоках отличается следующими особеностями:

· Силы внешнего трения в канале отчасти заменяются силами трения в подшипниках дисков;

· Характер течения металла в деформационной зоне близок к прокатке в закрытых калибрах с натяжением полосы;

· Возможность изменять в процессе волочения расстояния между дисками, в результате чего получаются профили переменного сечения.

Рис. 63. Совмещённое волочение прямоугольной полосы через дисквую волку и клиновиднкю монолитную волоку

Дисквые волоки часто применяются для волоченя полос прямоугольного сечения. Возможность изменять в процессе волочения расстояния между дисками позволяет через одну и ту же волоку протягивать полосы разных размеров. При этом, однако, трудно устанавать диски для обработки кромок полосы, т.е. поверхности по узкой стороне поперечного сечения. К процессу волочения в дисковых волоках можно отнести и прокатку на станах Стекля. Был предложен также метод плющения – волочения, т.е. совмещение волочения через дисковую и клиновидную волоки (рис.63). В этом процессе основной деформации материал подвергается в дисковых волоках. В клиновой же волоке полоса немного утоняется, кромкам её придаются точные размеры по ширине. При этом сила волочения меньше, чем при волочении только через клиновидную волоку, и поэтому можко несколько повысить степень деформации за переход.

§ 4.3. Шариковые и роликовые волоки

Обойму волоки, сходной с наружной обоймой обычного шарикового подшипника, вкладывают во вращающийся волокодержатель. Такой волокодержатель может быть непосредственно присоединен к полому валу электромотора, что позволяет создать очень большое число оборотов волоки (до 20 000 об/мин).

При рационально подобранных вытяжках и диаиметрах шариков можно добиться некоторого снижения сил и напряжений волочения. Это объясняется тем, что при накатывании шариков на трубу часть силы волочения передается не через трубу, а через шарики, в то же время силы трения уменьшаются вследствие замены трение скольжения на трение качения. Такое снижение силы волочения может быть весьма полезным при изготовлении тонкостенных труб, особенно из сплавов с высоким сопротивлением деформации.

Для конструктивного осуществления шариковой волоки и процесса накатываниия шариков на трубу необходимо соблюдать следующие условия:

1. Во избежание выжимания металла трубы в пространсто между шариками необходимо, чтобы в волоке было не менее 6 шариков. Из элементарных геометрических соображений известно, что вложенные в круглую обойму 6 соприкасающихся между собой шариков могут опираться на трубу, Æ которой равен Æ шарика. При большем же числе шариков Æ трубы, на которую они могут опираться, превышает их Æ. Т.о., для обеспечения надежности процесса необходимо, чтобы количество шариков было бы не меньше, чем может поместиться по окружности трубы, но не менее шести.

2. Во избежание появления на поверхности трубы винтовых линий, труба за один оборот волоки подается на весьма малую, по сравнению с длиной окружности трубы, вепичину  m: m = (0,02…0,04)π D₁.   (4-3)

 Соответственно, v _тр = (0,02…0,04) v_об ,   (4-4)

где  D ₁ – Æ трубы;  v _тр – скорость волочения трубы;  v _об – окружная скорость обоймы по поверхности трубы. Следовательно, каждый шарик волоки во время накатывания совершает два движения: от поступательнлго движения трубы и от вращения волоки. Т.к. по условию (4-3) нельзя применять шарики больших размеров, возможность утонения стенки трубы ограничена.

3. Число оборотов центров шариков около оси трубы заметно менньше числа оборотов обоймы волоки около той же оси.

Крупный недостаток шариковой волоки – потери на трение между шариками, а также между шариками и опорными поверхностями обоймы. Действительно, шарики, вращаясь в обойме в одном и том же направлении, противодействуют один другому в своём движении; опорная поверхность на торцевом кольце не позволяет шарикам двигаться без скользящего трения на цилиндрической опорной поверхности обоймы.

Из-за перечисленных условий и недостатков шариквые волоки не используются в массовом производстве.

В роликовых вращающихся волоках шарики заменены косорасположенными ролками.

§ 4.4. Вибрирующие волоки

Установлено, что, придавая волочильному инструменту вибрацию (колебательное движение), можно в некоторых условиях процесса добиться значительного снижения сил и напряжений волочения, а при разных силах и напряжениях соответственно повысить деформации за переход. Вибрации могут быть осевыми, поперечными и вращательными (крутильными) (рис.66).

Используемые при этом частоты подразделяются на низкие  (звуковые –  25 – 500 Гц) и высокие (ультразвуковые –  16 000 – 80 000 Гц).

Рис. 66. Возможные виды вибраций при волочении (осевая, поперечная и крутильная):   1 – вибраторы; 2 – волока; 3 – волока с обоймой

При низких частотах колебаний волоки она смещается относительно протягиваемого изделия с частотой, обеспечиваемой вибрационным устройством, однако этот процесс не носит волнового характера, поскольку длина волны при таких частотах больше расстояния от волоки до тянущего устройства. Мощность исполбзуемых вибраторов достаточна для обеспечения колебаний волоки без затухания под действием силы волочения. Для получения колебаний низких частот используют вибраторы с механическим или гидравлическим пирводом. Наименьшее значение силы контактного трения получают при минимальной величине отношения  v _А/ v _к, где  v _A – скорость поступательного движения точки вдоль образующей канала волоки;  v _к – скорость колебательного движения этой точки, направленная перпендикулярно  v _А. Т.о., для достижения максимального эффекта при вибрационном волочении с использовании крутильных колебаний колебательная скорость волоки должна быть возможно большей по сравнению со скоростью волочения.

При использовании продольных колебаний сила волочения начинает снижаться только в том случае, если скорость колебательного движения волоки значительно превышает скорость волочения.

В отличие от волочения с использованием вибраций низких частот, волочение с приложением механических колебаний ультразвуковой частоты нельзя рассматривать только с позиции механического сложения поступательного движения точки вдоль образующей канала волоки и движения в направлении распространения колебаний, хотя такое совмещение существует и заметно влияет на величину контактного трения. При волочении с ульразвуковыми колебаниями имеет место волновой процесс, когда длина волны соизмерима с размерами инструментальной оснастки и расстоянием от волоки до тянущего устройства.

Мощность колебательного органа (0,5…3,0 кВт) значительно меньше мощности, затрачиваемой непосредственно на осуществление процесса волочения. Поэтому, во избежание гашения колебаний при приложении рабочей нагрузки, следует создавать колебарельную систему, включающую в себя волочильный инструмент и протягиваемое изделие, т.о., чтобы она работала в режиме стоячих волн (в резонансе) и на холостом ходу, и в процессе волочения.

В качестве источников механических ультразвуковых колебаний обычно применяют пьезоэлектричкские или магнитострикционные излучатели. Работа пьезоэлектричкского излучателя основана на обратном пьезоэлектричкском эффекте, когда в некоторых кристаллах (кварц, сегнетовая соль, турмалин и др.) под действием переменого электрического поля возникают знакопеременные напряжения и деформации.

В магнитострикционных излучателях используется эффект магнитострикции. Он заключается в способности ферромагнитных материалов изменять свои размеры под действием переменного магнитного поля. В качестве магнитострикционных материалов наиболее часто используют чистый никель, сплав никеля с железом (пермаллой), сплав кобальта с железом (пермендюр).

Рис. 67. Ультразвуковое волочение трубы на закреплённой оправке:   1 – преобразователь; 2 – волновод; 3 – стержень с оправкой; 4 – стакан; 5 – волновод - волокодержатель; 6 – рабочая волока; 7 – волока для настройки в резонанс колебательной системы при приложении силы волочения; 8 – протягиваемая труба

Разработаны различные методы, обеспечивающие сохранение резонансных условий при волочении с различными способами подвода колебаний в деформационную зону (рис.67). Эти методы также предотвращают "неконтролируемое разупрочнение", которое прежде часто приводило к обрывам при напряжениях, значительно меньших предела текучести деформируемого металла.

Глава V Лекция 13

Дата добавления: 2014-01-07