16.11.2012
Смазочные материалы для волочения. Инструменты и станки.

 Классификация процессов формования

В соответствии с DIN 8584 процессы формования относятся к промышленным процессам формования в условиях растяжения и сжатия и наиболее близки к процессам выдавливания при скольжении. Волочение проволоки и прутов применяют для получения полупродуктов с гладкой поверхностью, которые могут использоваться для самых различных целей (табл. 1)

Таблипа 1. Области применения   Mатериал  Применение  Низкоуглеродистые стали  Проволока, проволочные сетки, гвозди, заклепки, булавки, болты  Высокоуглеродистые стали  Проволока, прутки и стержни для крупных профильных станков и станков с высокой режущей способностью, проволочные канаты  Сплавы на основе стали  Пружины, сварочные электроды, специальные компоненты, стальные корды для автошин  Медь и сплавы на ее основе  Провода, трубки и компоненты для электронной промышлености, проволочные сетки, болты и молдинги  Алюминий и алюминиевые сплавы  Линии электропередач, болты, молдинги

Цельные и пустотелые детали обычно выдавливают с помощью стандартных инструментов (штампы, насадки, кольца для выдавливания), уменьшая поперечное сечение заготовки или изменяя его форму. Этими инструментами также проделываются отверстия.
   Волочение круглых стержней теоретически сопоставимо с волочением проволоки. При выдавливании стержней и труб некруглого сечения надо иметь в виду, что определять трение, износ и действие смазочных материалов следует по всей границе поперечного сечения. При волочении проволоки или выдавливания профильных деталей трение скольжения между поверхностью детали и полости волоки уменьшается за счет введения смазочного материала. При выдавливании труб необходимо смазывать внутреннюю поверхность инструмента и поверхности стенок.
   В случае волочения проволоки обсадкой достигается значительная экономия. Стандартные смазочные материалы, использующиеся при выдавливании труб и профильных деталей, более подробно рассмотрены ниже.

 Трение и смазочное действие. Станки и инструменты для волочения проволоки

Ни в каких других процессах металлообработки не существует такой тесной взаимосвязи между смазыванием и работой станков и технологического оборудования, как в случае волочения проволоки. Различают сухое и влажное волочение, иммерсионное и экструзионное оборудование, а также штампы для сухого и влажного волочения. В зависимости от применяемого метода волочения используют три различные технологии смазки.
   • Сухое волочение (при волочении проволоки этот термин означает не отсутствие смазки, а использование твердых смазочных материалов) сухими смазочными мылами на матрице. Эти материалы только смазывают матрицу, но практически никогда не выполняют охлаждающих функций.
   • Смазка пастами или высоковязкими маслами: используют смазки, смазочные масла или эмульсии.
   • Влажное волочение: осуществляется с применением эмульсий типа «масло в воде», очень редко используются безводные смеси масел. Крайне редко применяются специальные высоковязкие разлагающиеся масла на основе твердых эфиров. Основными задачами смазочного материала при влажном волочении являются смазывание и охлаждение поверхности, а также сохранение чистоты оборудования. Критерием для выбора типа смазочного материала является также толщина проволоки. Классификация волочения по толщине готовой проволоки Размеры проволоки определяются национальными и международными стандарты, такими как ISO DIS 22 034-2 или ADDMA 8911. Применяется также тривиальная классификация. Например, деление стальной проволоки по размерам приведено в табл. 2.

Таблипа 2.  Размеры стальной проволоки   Проволока  Диаметр, мм  Грубая, специальных размеров  40-15  Грубая  16—4,2  Средняя  4,2-1,6  Тонкая  1,6—0,7  Сверхтонкая  < 0,7

Другая классификация, применяемая для медной проволоки, приведена втабл. 3.

Таблипа 3.   Размеры медной проволоки   Проволока Диаметр, мм  Грубая, специальных размеров 20—12  Грубая (катаная) 12/8—3,5/1,5  Средняя 3,5—0,4  Тонкая 2,1-0,15  Сверхтонкая 1,0—0,05  Гипертонкая 0,4—0,01

 Силы и напряжения, действующие при волочении

В отверстии волоки происходит уменьшение поперечного сечения (рис. 1).

Например: проволока толщиной 1 мм² протягивается через отверстие 0,8 мм², т. е. ε = 0,2 (20%). Если поперечное сечение проволоки изменяется от 1 до 1,2 мм², то λ = 0,2 (20%). В то же время уменьшение поперечного сечения означает увеличение площади поверхности. Трение скольжения в отверстии волоки происходит в крайне сложных условиях.
   При волочении проволоки на станках сила волочения F_z приложенная к волочильной плите, более известной как конус, вызывает уменьшение диаметра заготовки и ослабляется силой, противодействующей волочению. Составляющую силы выдавливания, направленную на уменьшение поперечного сечения, часто называют натяжением волочения δ_z. Очевидно, что натяжение волочения не должно быть больше предела текучести или предела прочности проволоки на разрыв, поскольку иначе произойдет разрыв проволоки. При высоких скоростях волочения натяжение волочения должно быть значительно ниже предела текучести для того, чтобы компенсировать различные отклонения в свойствах материала и коэффициенте трения. Относительное натяжение волочения определяют для обеспечения безопасности при волочении. Теоретически, согласно формуле Сибеля, натяжение волочения можно разделить на три части: формование без потерь, трение и перемещение (или сдвиг). Приведенное уравнение Сибеля не учитывает обратного натяжения. Суммарное трение возрастает с увеличением коэффицинта трения μ и уменьшением поперечного сечения F и уменьшается с уменьшением угла конуса волочения а. Поскольку натяжение волочения для заданного перемещения возрастает с увеличением угла конуса волочения, то необходимо определять оптимальный угол конуса волочения а для данного натяжения волочения. Однако, как размеры конуса волочения, так и натяжение волочения не определяют оптимального трения. Зависимость натяжения волочения от угла конуса волочения приведена на рис. 2, где в качестве материала выбрана латунь, предполагаемым необходимым условием является угол волочения около 20°, при котором гидродинамическкая нагрузка оптимальна.

При волочении проволоки эмпирические данные для оптимизации параметров отверстия в матрице имеют большее значение, чем теоретические расчеты. С другой стороны, на практике в первую очередь рассматривается не сила волочения, а износ матрицы и качество обработки поверхности.

Инструменты для волочения и износ материалов

Инструменты волочения (волоки и кольца) изготавливают из стали, твердых сплавов, монокристаллических и поликристаллических алмазов. Слои поликристаллического алмаза состоят из беспорядочно ориентированных алмазных частиц, спеченных вместе в композиционный материал на подложке из цементированного карбида вольфрама.
   Стальные волоки используют специально для волочения стальных стержней и труб. Волоки из твердых сплавов применяют в основном для волочения стальной проволоки. Проволоку меньшего диаметра получают в основном на волоках, сделанных из спеченного твердого сплава. Алмазные инструменты используют для волочения проволоки среднего диаметра, но чаще всего — для волочения тонкой и сверхтонкой проволоки из меди, стали, молибдена и вольфрама. Сплавы металлов, спеченные под давлением, успешно применяются для влажного волочения в волоках из твердых металлов.
   Пористость спеченных при нормальном давлении матриц, используемых обычно для сухого волочения, отрицательно сказывается на процессе волочения и приводит к нежелательному износу. Волоки, спеченные под давлением, имеют ряд преимуществ, поскольку они хорошо полируются.
   Наряду со степенью неоднородности, важнейшим фактором, обусловливающим износ природных алмазов, является ориентация кристаллов. Поликристаллические спеченные алмазы являются предпочтительными для профильного волочения проволоки среднего диаметра и тонкой проволоки. По сравнению с одиночными кристаллами их противоизносные свойства не зависят от ориентации; кроме того, они обладают большей стойкостью к ударным нагрузкам и лучше проводят тепло. При разработке геометрии отверстий матриц наряду с данными о материале изготавливаемой проволоки необходимо учитывать теоретические и эмпирические данные о смазочной пленке. В волоках из твердых металлов (рис. 3, А) и алмазном инструменте (рис. 3, Б) обычно используют различную геометрию отверстий.

При сухом волочении, с использованием в качестве смазки мыл, малый угол сужения позволяет создать соответствующий гидродинамический режим трения даже при низких скоростях протягивания (рис. 4).

Различные формы износа матриц имеют разные причины. Большинство из них зависит от природы обрабатываемого материала. Способность смазочного материала снижать износ проявляется в зоне граничного трения и в предотвращении кавитации.
   Срок службы волоки является существенным фактором, влияющим на стоимость процесса волочения проволоки. Приняв за основной параметр вес производимой проволоки, на практике можно видеть, что, несмотря на сходство при производстве грубой и средней проволоки, параметры производства различны. Например, 70 т медной проволоки диаметром 2,5 мм получают при скорости волочения 17 м/с, а 50 т диаметром 1,6 мм — при скорости волочения 30 м/с. Расширение отверстия волоки в обоих случаях составляет 0,04 мм. Для увеличения срока службы волоки используют поликристаллический алмазный инструмент, который необходимо полировать после производства каждых 50 т проволоки. В этом случае расширения не наблюдается.
   Более рациональной величиной оценки срока службы волоки является предельная длина качественной проволоки, полученной на матрице (так называемый прогон до износа), однако этот критерий используется очень редко. При использовании качественного сырья, налаженном оборудовании, адекватной системе смазки и контроле изменений прогон до износа не зависит от величины диаметра: например, 12 000 км означает, что при диаметре 0,5 мм вес произведенной проволоки составляет 21,6 т, а при диаметре 0,15мм — только 1,92 т.

 Разрыв проволоки

Помимо износа волоки и качества поверхности проволоки, для определения подходящего смазочного материала для влажного волочения тонкой и сверхтонкой проволоки необходимо учитывать и частоту разрывов. Существует множество причин разрыва проволоки, которые могут быть связаны со смазывающим материалом или системой смазки, например: недостаток смазки (недостаток смазочного материала или использование неподходящего смазочного материала), образование осадка на поверхности отверстия волоки (недостаточное моющее действие смазочного материала). С другой стороны, причины, связанные с недостатками исходного сырья или процесса волочения, не могут быть устранены за счет смазывания.

 Гидродинамическое волочение

Гидродинамика процесса волочения достаточно изучена. Установлено, что гидродинамическое трение в отверстии матрицы играет значительную роль при высоких скоростях волочения (рис. 6).

Действие полярных противоизносных присадок является важным фактором в условиях граничного трения и позволяет избегать прерывистого движения.
Многочисленные усовершенствования как инструментов, так и систем смазки направлены на то, чтобы полностью разделить поверхности проволоки и отверстия волоки. Однако, как и в других процессах обработки давлением, непостоянный или полностью отсутствующий контакт поверхностей инструмента и заготовки приводит к образованию матовой или даже шероховатой поверхности изделия. В результате применение гидродинамического волочения ограничено первичными или промежуточными процессами.
   В случае влажного волочения подача смазочных материалов осуществляется насосами, что является весьма дорогостоящим процессом. В случае жидких смазочных материалов используются специальные схемы ввода проволоки, тогда как при сухом волочении можно использовать многофункциональные составные волоки. Хорошо известны системы подачи Кристоферсона для влажного волочения и Бисра для сухого волочения с применением мыл. На рис. 6 показана наборная волока с вводной трубкой для волочения в гидродинамических условиях.

Трение на барабане

Если проволоку получают волочением прямо с барабана на одинарной волоке, то в этом случае имеет место трение скольжения. При использовании составной волоки натяжной барабан между двумя волоками при протягивании проволоки вращается быстрее, чем при однократном волочении. Это значит, что скорость барабанов должна быть скорректирована в процессе волочения между собой, в противном случае измененная скорость волочения приведет к сбору проволоки на входе.
   В качестве возможного варианта решения данной проблемы изменение длины проволоки может быть скомпенсировано проскальзыванием на барабанах. Проскальзывание наблюдается при трении скольжения между проволокой и барабаном (рис. 7).

Коэффициент трения должен соответствовать передаваемым усилиям. При коэффициенте трения, равном нулю (μ = 0), усилие не передается, т. е. F₁ = F₂ Чем меньше μ, тем больше α. Количество витков проволоки на барабане ограничивается для обеспечения надежной протяжки проволоки. При протяжке грубой мягкой проволоки число витков не должно превышать семи. При волочении сверхтонкой проволоки число витков не должно приводить к полной обмотке, и угол намотки а устанавливается специальными зажимами, например, на 300°.
   Воздействие постоянной нагрузки вызывает износ барабанов, что может привести к поломке станка. Во избежание износа проволока должна продвигаться не только протягиванием, но и возвратно-поступательным движением. Этим достигается снижение износа и повышение срока службы барабана. Вращающиеся поверхности барабанов, называемые также волочильными кольцами или волочильными барабанами, могут изготавливаться из различных материалов. Металлические барабаны, сделанные из отожженного металла с покрытием, часто используются для волочения медной проволоки на грубых волочильных станах. Керамические барабаны используют для изготовления средней, тонкой и сверхтонкой проволоки. Конструкция стальных или керамических барабанов влияет на толщину получаемой проволоки. В качестве керамического материала часто используются окись алюминия и окись циркония со средней шероховатостью поверхности 0,1 ≤ R ≤ 0,3 мкм.
   Существуют различные схемы и конструкции волочильных станов со скольжением. Станы без проскальзывания должны оснащаться высокочувствительными системами контроля скоростей барабанов. Обычно на многоступенчатом волочильном стане барабаны располагаются один за другим. Скорости барабанов (линейные или угловые) устанавливаются в соответствии с длиной проволоки. Барабанные волочильные станы имеют простую и компактную конструкцию. Используют также волочильные станы цепного типа, на которых протягивают прутки, трубы и другие фасонные профили. На станине находится кронштейн, в который вставляются волоки. Наверху станины находится каретка, имеющая с одной стороны крюк для соединения с бесконечной цепью, а с другой — тиски или клещи для захватывания заготовки. Каретка тянется при помощи крюка, передвигаясь на четырех роликах вдоль станины, увлекая за собой захваченную клещами заготовку и затрачивая на это определенное усилие. Возврат каретки в исходное положение осуществляется с помощью особых устройств, а иногда благодаря уклону станин. В сравнении с барабанным типом эти станы имеют ряд преимуществ, обеспечивая силу тяги до 150—200 т и более, что позволяет протягивать прутки диаметром до 150 мм.
   Современные волочильные машины барабанного типа с последовательным расположением барабанов представляют собой многофункциональные волочильные станы, позволяющие при волочении медной проволоки делать до 40 заходов. Соответственно, 24 стана с 31 волокон у каждого будут производить 744 захода. В этом случае применение смазочных материалов должно быть очень четким по месту; в соответствии с этим к смазочным материалам применяются все более жесткие требования (стабильность к старению, высокие противоизносные свойства, фильтруемость и т. п.). Кроме того, при необходимости они должны обеспечивать охлаждение. Например, в случае протягивания медной проволоки рабочий объем эмульсии может варьировать от 0,8 до 2,0 м3 на каждую.

Нанесение смазочных материалов при влажном волочении

В зависимости от типов оборудования выбирается один из двух основных способов нанесения смазочных материалов: погружением или спреем (рис. 9), причем последний является более распространенным.