Контактное трение и смазка при волочении

§ 5.1. Особенности контактного трения при волочении. Свободный ввод смазки

Трение протягиваемого металла о стенки канала затрудняет процесс волочения, поэтому силы контактного трения необходимо всемерно уменьшать. Это достигается предварительной обработкой поверхности (травление, анодирование, окисление), примерением смазок и созданием условий, обеспечивающих создание условий жидкостного трения вместо граничного и тем более сухого. Возникновение жидкостного трения зависит от активности и вязкости смазки, условий её ввода в деформационную зону, а также от скорости волочения, формы волочильного канала и температуры деформационной зоны, поскольку эти параметры влияют на свойства смазки и условия её ввода. Но даже при самых благоприятных условиях обеспечить жидкостное трение по всей контактной поверхности невозможно. На это указывает присутствие в отработанной смазке некоторого, иногда даже значительного количества металлической пыли, отделившейся от поверхности протягиваемого металла. Рост активности смазки по отношению к протягиваемому металлу, а также рост её вязкости до некоторого предела уменьшают силы трения. Уменьшение сил трения с повышением вязкости смазки подтверждается также применением при влочении стали мыльного порошка, который в условиях волочения представляет собой высоковязкую жидкость.

В связи с образованием у входа в канал упругой зоны с трехосным сжатием номальное напряжение на контактной поверхности может достигать величины, заметно превышающей сопротивление деформации протягиваемого металла в его состоянии у входа в канал σ_тн. Поэтому для ввода смазки между контактными поверхностями в начале деформационной зоны необхобимо, чтобы она подавалась под давлением, несколько большим, чем указанное нормальное напряжение. В традиционном процессе волочения протягиваемая полоса проходит через некоторый объём смазки, находящийся под атмосферным давлением и расположенный у входа в канал. Смазка вводится в деформацонную зону без дополнительного внешнего воздействия (свободно) только за счёт сцепления (адгезии) с протягиваемым металлом. При этом значительная часть смазки отгоняется, смазочная плёнка резко утоняется, и трение становится на некоторых участках граничным и даже сухим. Утонение плёнки и возможности её разрушения повышаются с увеличением угла волоки. Толщина смазочной плёнки зависит и от скорости волочения, т.к. с её повышением меняются температура и адгезионные свойства.

При волочении труб, особенно на закреплённой оправке, большое влияние на ход процесса оказывает качество смазочной плёнки на поверхности деформационной зоны, контактирующей с оправкой. В этом случае смазка вводится в полость трубной заготовки: а) шприцем через её передний конец перед волочением; б) подводом через полый стержень оправки; в) полным погружением пакетов заготовок в ванну с жидкой смазкой. При этом выход воздуха из полости трубы обеспечивается погружением её в ванну под углом. Интенсивность отгона смазки зависит от формы оправки. При цилиндро-конической форме оправки интенсивность отгона меньше, чем при цилиндрической. В некоторых условиях применяют т.н. подсмазочные слои, уменьшающие отгон смазки.

Также разработаны и применяются два вида принудительного ввода смазки, обеспечивающие условия жидкостного трения: гидростатический и гидродинамический.

§ 5.2. Гидростатический ввод смазки

Гидростатическим называется ввод, при котором повышенное давление у входа в канал создается спецеальным насосом высокого давления. При этом способе исключается необходимость в обеспечении условий для гидродинамического эффекта, в результате чего напряжение трения практически не зависит от скорости волочения.

Гидростатический ввод смазки по сравнению с традиционным имеет следующие преимущества:

1) снижается напряжение волочения (при волочении алюминиевой проволоки до 39%);

2) увеличивается толщина смазочной плёнки (когда давление смазки у входа в канал заметно правышает сопротивление деформации протягиваемого металла, перед началом пластической деформации наблюдается обильное (фонтанирующее) выделение смазки на стороне выхода);

3) снижается температура проволоки на стороне выхода (при волочении алюминиевой проволоки примерно на 15%);

4) снижается обрывность и повышается стойкость волок.

Но при этом появляются следующие основные затруднения:

а) необходимость применения и обслуживания насосов весма высокого давления;

б) сложность заправки проволоки в волоку и

в) необходимость создания высокого давления в начале процесса.

Такие затруднения ограничивают применение гидростатического ввода смазки.

§ 5.3. Гидродинамический ввод смазки

Гидродинамическим называется ввод смазки, при котором повышенное давление у входа в канал создаётся вследствие гидродинамического эффекта. Этот эффект возникает вследствие трения смазки о движущуюся проволоку (рис.70).

Свободно находящаяся в резервуаре смазка адсорбируется движущейся проволокой и завлекается в микрозазор между трубкой-насадкой и проволокой. В результате такого вовлечения давление смазки на поверхности проволоки, движущейся в насадке, постепенно повышается. Насадка стационарна, и слой смазки, прилегающий к её поверхности, отгоняется в сторону, противоположную движению проволоки. Результат – на эпюре.

Рис. 70.  Волочение с гидродинамической подачей смазки:    а – принципиальная схема процесса; б – эпюра давления смазки в микрозазоре; 1 – проволока; 2 – волока; 3 – трубчатая расадка; 4 – микрозазор, заполненный смазкой; 5 – резервуар для смазки; 6 – смазка под атмосферным давлением; 7 – кривая роста давления смазки на поверхности проволоки; 8 – уплотняющая прокладка; 9 – движущаяся поверхность проволоки; 10 – стационарная поверхность насадки

При гидродинамическом вводе смазки, в отличие от гидростатического, давление в начале дефомационной зоны зависит не только от активности и вязкости, но и от длины насадки, величины зазора и от скорости движения проволоки в насадке. Это – прямое следствие закона Бернулли о сопротивлении движению жидкости в трубе.

Приближённый характер связи между условиями процесса волочения,

свойствами смазки и длиной насадки: ,   (5-1)

где σ_rн – главное нормальное радиальное напряжение у входа в деформационную зону; h – микрозазор; η_ср – средняя вязкость смазки в насадке (зависит от давления и температуры); b – толщина смазочной плёнки у выхода из канала; μ – вытяжка; v_вол – скорость волочения; С – постоянный безразмерный коэффициент, зависящий от прочих условий процесса.

Рис. 71.  Сборная волока с напорной трубкой (насадкой) для волочения в режиме жидкостного трения при густой смазке:   1 – напорная трубка (волока); 2 – рабочая волока; 3 – зажимная втулка; 4 – стальная обойма; 5 – накидная гайка; 6 – уплотнение; 7 – уплотнительное кольцо

При смазках малой вязкости (масла, эмульсии) требуются насадки большой длины (~ 800 мм), а это практически исключает их использование. При густых смазках (щелочные мыла) насадки могут быть выполнены в виде сравнительно коротких трубок с коническим каналом. Одна из таких конструкций, применённая в сборной волоке (рис.71), повысила её стойкость почти в 5 – 20 раз.

Новая конструкция монолитной волоки (рис.72) отличается уменьшением в 2 – 2,5 раза угла наклона образующей рабочей зоны канала (α = 2…3º против традиционных 5…6º) и соответствующим удлинением этой зоны, что повышает гидродинамический эффект.

Рис. 72. Стандартная (а) и удлинённая (б) волоки:   Вх – входная зона; Р – рабочая; Р' – рабочая зона, объединенная со смазочной; К – калибрующая; Вых – выходная зона

Лекция 14

§ 5.4. Особенности и виды применяемых смазок

Воронкообразная форма волочильного канала и высокие контактные давления способствуют интенсивному отгону (выдавливанию) смазки в направлении, обратном волочению. Во избежание этого, необходимо применять смазки с повышенной адгезией с протягиваемым металлом и вязкостью в их состоянии в деформационной зоне, особенно при свободном и гидродинамическом вводе смазки. Повышенная адгезия улучшает процесс волочения, при многопереходном волочении уменьшает количество смазки, нанесённой на заготовку, но может затруднить удаление остаточной смазочкой плёнки с продута волочения, если оно необходимо. Поэтому иногда применяют смазку с меньшей адгезией, легче поддающейся удалению. Повышенная вязкость смазки уменьшает её отгон и улучшает её ввод, но несколько увеличивает работу трения, а с ней и напряжение волочения. При этом, в связи с некоторой неравномерностью вязкости, это напряжение становится менее устойчивым, что при волочении профилей с тонкими и особо тончайшими попереными сечениями приводит к увеличению обрывности. С увеличением вязкости уменьшается скорость обволакивания заготовки при её продвижении через смазочную массу. При волочении применяют также, в зависимости от условий процесса, смазки с различными вязкостями, в т.ч. с очень небольшими (т.н. «мокрое волочение»), если они обладают достаточной адгезией. Такие смазки применяют при волочении с высокими скоростями, а также при волочении тонких и тончайших профилей. Этому способствует также сокращение длины деформационной зоны с уменьшением поперечных сечений, и, следовательно, снижение отгона смазки.

При высокотемпературном волочении смазка должна легко наноситься и отличаться в деформационной зоне достаточными адгезией и вязкостью. Этому требованию удовлетворяют эмульсии, жидкая часть которых при нанесении на заготовку при нагревании выгорает, оставляя на её поверхности твёрдую плёнку из остатков смазочного материала, например, графита. При мнргократном волочении смазка должна служить также охлаждающей средой, т.е. быть жидкой.

При подборе смазки учитывают качество получаемой поверхности (тусклая, светлая, зеркальная), а также допустимые зольные остатки на поверхности проволоки после её термической обработки.

Составы смазок должны исключать заметное химическое воздействие на протягиваемый металл и удовлетворять требованиям ТБ: токсичность, воспламеняемость и т.п.

Наилучший смазочный эффект достигается при полном жидкостном трении. Однако условия для такого трения не всегда удаётся выполнить, т.к. весьма трудно одновременно удовлетворить всем соответствующим требованиям. Поэтому часто ограничиваются обеспечением преимущественно граничного трения, т.е. созданием на контактной поверхности, по крайней мере, мономолекулярной прочной смазочной плёнки, хорошо схватывающейся с деформируемым металлом. Такая плёнка может получаться из т.н. «адсорбированного» мыльного слоя, образующегося на поверхности некоторых металлов при покрытии их смазкой, содержащей небольшое количество (1…1,5%) поверхностно-активных вешеств (ПАВ), например, соли жирных кислот, соединения хлора, серы и др. Сами жирные кислоты при соприкосновении с такими металлами, как медь, цинк, адсорбируют и образуют прочные, хорощо схватывающиеся с протягиваемым металлом плёнки медного или цинкового мыла. Такие плёнки обеспечивают, по крайней мере, граничное трение. У некоторых металлов и сплавов образование адсорбционного слоя протекает медленно или вообще не образуется. Он не возникает на алюминии и его сплавах, на серебре и платине. При этом адсорбционный слой может быть образован из др. металлов: при мокром волочении стали, которая очень медленно образует адгезионный слой, его поверхность предварительно либо омедняют, либо фосфорируют (наносят слой цинковых солей фосфорной кислоты), затем замачивают в мыльной эмульсии, при этом образуется слой медного или цинкового мыла. Такая обработка поверхности называется «нанесением подсмазочного покрырия» или просто «подслоя». При невозможности или недопустимости образования адсорбционного слоя на протягиваемом металле тем или иным способом применяемая смазка должна обладать достаточной адгезией с проягиваемым металлом и достаточной вязкостью. Такое сочетание может привести к граничному, а иногда и к частично или полностью жидкостному трению.

Необходимая вязкость смазки определяется при пр.р.у. в основном двумя парамерами: прочностью протягиваемого металла и его поперечными размерами. Чем прочнее металл, тем более вязкой должна быть смазка во избежание её чрезмерного выдавливания; чем тоньше поперечные размеры профиля, тем менее интенсивным будет выдавливание, и вязкость может быть снижена. При волочении высокопрочной проволоки средних и толстых размеров применяют металловые мыла, такие, как свинцовые или даже медные, а при волочении тонких и тончайших размеров используют жидкие смазки.

Возможность образования адсорбционного слоя, адгезия и вязкость зависят от температуры окружающей среды, в т.ч. волочильного инструмента и протягиваемого изделия. Эта температура может изменяться по длине деформационной зоны в результате затрачиваемой работы, а также применяемого охлаждения или нагрева.

Адсорбционный слой и адгезия образуются со временем, поэтому часто перед волочением заготвку погружают на некоторое время в жикую смазку, а иногда после погружения сушат для образования прочной подсмазочной плёнки. При наложении смазки только протягиванием металла через смазочную массу, необходимое время образования адсорбционного слоя и адгезии приходится обеспечивать, подбирая длину пути заготовки, на котором она соприкасается со смазкой, достатоную и соответствующую скорости движеня заготовки.

При выборе смазки надо устанавливать и оценивать её смазочный эффект. Это весьма трудно, и приходится пользоваться следующими косвенными показателями: возникающим напряжением волочения; средней толщиной смзочного слов и его неравномерностью; стойкостью волочильного канала.

Множество различных требований и условий, которым должна удолетворять смазка, привело к тому, что в волочильном производстве применяют смазки самых разнообразных составов и во всех состояниях, начиная с жидких эмульсий и кончая твердыми веществами – металлами. Смазки по их видам (состояниям) можно разделить на 5 групп: твёрдые; порошковые (сухие); густые; полужидкие и жидкие.

К твёрдым смазкам относятся известковые, фосфатные, оксалатные покрытия после их затвердевания, окисные плёнки некоторых металлов и их сплавов (титан), высушенные масляные плёнки, металлические покрытия (свинец, медь). Такие смазки обладают высокой прочностью и применяются при волочении средних, толстых и особо толстых профилей из высокопрочных металлов и сплавов. К этой же группе можно отнести твёрдые плёнки, образующиеся из графитных эмульсий (аквалак), применяющихся при высокотемпературном волочении.

Типичный представитель порошковой группы – мыльный порошок, применяемый при волочении стальной прволоки средних и толстых размеров. В н.в. мыльный порошок используется при волочении изделий из никеля и сплавов на его основе (медноникелевые сплавы), нихром.

Густыми смазками считаются соли жирных кислот и твёрдые жиры, а также минеральные масла (в т.ч. мазут), растительные и животные с загущающими добавками (мел) и иногда с добавками ПАВ, содержащих хлор, фосфор, серу. Такие смазки применяют чаще всего при волочении прутков, труб, некруглых профилей. К этой же группе можно отнести парафин и пчелиный воск, который чаще всего используют для волочения золота, серебра, платины, а также для волочения тончайшей проволоки из ряда нежелезных металлов, особенно при многопроходном волочении, т.к. одного нанесения достаточно для 6…8 переходов.

Полужидкими считаются смазки из перечисленных выше масел, но без загустителей. Их применяют, г.о., при волочении проволоки, труб и профилей средних, тонких и тончайших размеров.

К жидким относят смазки и различные эмульсии, главным образом водно-мыльные. Такие эмульсии используют при многократном волочении для смазки и как охлаждающую среду.

Контрольные вопросы:

1. Что происходит при применении смазки с повышенной вязкостью?

2. Как вводится смазка между контактными поверхностями при гидростатическом способе волочения?

3. Каким должно быть давление смазки в начале зоны деформирования?

4. Какие преимущества имеет гидростатический ввод смазки?

5. Как вводится смазка между контактными поверхностями при гидродинамическом способе волочения?

6. Какими устройствами и приспособлениями можно создать гидродинамический эффект при волочении?

7. От чего зависит давление при гидродинамическом вводе смазки?

8. Что является причиной интенсивного отгона смазки в направлении, обратном волочению?

9. Какие меры необходимо предпринять для уменьшения отгона?

10. Что необходимо учитывать при подборе смазки?

11. В каком случае достигается наилучший смазочный эффект?

12. Чем определяется необходимая вязкость смазки?

Лекция 15        Главы 10, 6, 12

Дата добавления: 2014-01-07