Модернизация процесса волочения проволочного изделия

АННОТАЦИЯ

В данной статье освещены теоретические вопросы (приоритетные пути развития волочения, современные инновационные методы) производства проволок и изделий различных профилей методом волочения.

При производстве проволок волочением из заготовок обращено особое внимание на разнообразие и механические свойства применяемых материалов. Освещены задачи каждой зоны волочильной матрицы. Приведена математическая модель расчета определения длины производимой проволки на основании размеров исходной заготовки.

ABSTRACT

This article highlights the theoretical issues (priority ways of development of drawing, modern innovative methods) production of wires and products of various profiles by the method of drawing.

In the production of wires drawing from blanks, special attention is paid to the diversity and mechanical properties of the materials used. The tasks of each zone of the drawing die are covered. A mathematical model for calculating the determination of the length of the produced wire based on the dimensions of the original piece is given.

Ключевые слова: волочение, пластическая деформация, винтовочный рельеф, волок, матрица, филлер, стан, пруток, проволока, выходной конус, выходная зона, рабочий канал, тождество, структура, UPCAST, ВСК-13.

Keywords: dragging, plastic deformation, rifle relief, die, matrix, filler, mill, bar, wire, output cone, exit zone, working channel, identity, structure, UPCAST, VSK-13.

Волочение – специальный способ обработки металлов пластическим деформированием, при котором под действием деформирующей силы уменьшается площадь поперечного сечения и увеличивается длина изделия. Способ относится к обработке металлов давлением.

Пластическая деформация – растяжение или сужение металла под действием внешней силы.

Волочильная машина предназначена для получения различных профилей из углеродистых сталей и цветных металлов. Возможности этих машин зависят от способности, мастерства волочильщика. Поэтому машина получила название «Волочильный стан».

Волочильный стан – это оборудование, которое волочильщик проволоки использует в своей профессиональной деятельности.

Для обработки металла посредством волочения служат станки, на которых и осуществляется сама технология волочения. С помощью данного оборудования металлические заготовки подвергаются обработке, состоящей в том, что их как бы протягивают через отверстия волоки матрицы. Размеры этих отверстий значительно меньше размеров заготовок, т. е. их сечений. Заготовки, проходя через волоки, расположенные в кратности, обжимаются. В связи с их обжатием изменяется их форма и сечение, что ведет к увеличению их длины (рис. 1).

Рисунок 1. Процесс волочения

Обработка металлов таким методом для производства деталей с круглым и фасонным сечением имеет ряд положительных характеристик: высокую точность профиля, чистоту поверхности. А при производстве методом холодного волочения имеются еще и дополнительные преимущества: увеличение предела текучести; прочности; твердости протягиваемой заготовки.

Многие сферы промышленности и народное хозяйство широко применяют продукцию волочильного производства.

Методы волочения используются:

при получении проволоки минимального диаметра 5 мкм;

при изготовлении тонких труб, труб диаметром макс. 400 мм.

Современные станы для обработки металлических деталей методом волочения достаточно совершенны.

Они на сегодня: с повышенной производительностью; хорошим качеством поверхности выпускаемого продукта; с увеличенной стойкостью волок; с улучшенными условиями техники безопасности.

Современная контрольно-измерительная техника позволяет четко выполнять процессы волочения, в значительной мере уже автоматизированные.

Волоки с высокой стойкостью обеспечивают достижение значительного увеличения скорости и волочение проволоки сверхтонкого диаметра. Очень жесткие требования предъявляются к точности размеров диаметра проволоки.

Современные волочильные станы по производству медной проволоки методом волочения представляют собой целые комплексные линии- UPCAST, в составе которых имеется оборудование, обеспечивающее исполнение операций по производству проволоки из различных медных сплавов. Протягиваемый материал, который будет подвергаться волочению, проходит ряд технологических подготовительных операций или тепловую обработку. Это обусловлено будущим назначением проволоки.

Проволока должна быть соответствующим образом подготовлена к волочению. Она должна быть протравлена, может быть с защитным покрытием, подвергнута горячей и холодной промывке, просушке.

После выполнения вышеназванных этапов по подготовке к волочению проволоку передают на волочильный участок производства. В зависимости от цели использования проволока после волочения или термически обрабатывается, или промасливается, увязывается или пакуется. Она передается на больших бобинах или катушках.

По виду структуры волочильной матрицы и типов износа волоки в процессе эксплуатации их материал и конструкция разные. Волоки для волочения из цветных материалов, в частности медного прутка проволоки, имеют определенную конструкцию. Они изготавливаются из твердых сплавов. Например, победит, технический алмаз (ND), монокристалл (SSCD) и поликристалл (PCD). Выбор данных материалов позволяет повысить износостойкость рабочих поверхностей волоки матрицы. Конструкция волоки матрицы приведена на рис. 2. 

Рисунок 2. Конструкция волоки матрицы

Конструкция волоки матрицы состоит из пяти зон. Входная часть канала обеспечивает подачу смазывающей и охлаждающей жидкости и прутковой заготовки в зону, обжимающую рабочий конус и рабочий канал. Плавный переход к началу рабочего конуса предназначается для беспрепятственного перехода прутковой заготовки в рабочий канал через рабочий конус. Угол входа волоки стандартизован и равен 60⁰, длина 0,1-0,3 от высоты h [1; 2], т. е. l = (0,1–0,3) h мм.

Рабочий конус волоки матрицы – основная часть волоки матрицы, необходимая для деформации прутка. Угол рабочего конуса матрицы равен 12-20⁰, длина l=(0,4–0,6) h [1; 2]. Характеристики рабочего канала (калибрующей части) волоки матрицы определяют качество поверхностного слоя и диаметр получаемых изделий. Обычно его длина составляет 20-30% от номинального размера диаметра [1].

Выходная зона канала волоки матрицы – это часть поверхности с пологолежащими шероховатостями, необходимой для плавного выхода проволоки из рабочей части канала. Поверхность рекомендуется обработать пластическим деформированием с нанесением винтовочного рельефа.

На выходе прутки вытягиваются из волоки матрицы. Высота выхода  должна быть выбрана из возможностей обеспечения втягивающей силы, создаваемых в осевом направлении прутка.

Точка контакта, где пруток соприкасается с рабочей поверхностью конуса, очень важна для процесса волочения. В большинстве случаев практика показывает, что контакт имеет место между 0,33-0,66 от высоты поверхности рабочего конуса, что обеспечивает благополучную деформацию металла прутка. Кольцо видного износа в первую очередь появляется в зоне под точкой вхождения [2]. Точка контакта прутка с волоки матрицы приставляется на рис. 3.

Рисунок 3. Точка контакта проволоки, с волоки матрицы поверхности рабочего конуса

При выборе материала волоки матрицы необходимо учитывать его твердость, теплопроводность и сопротивление радиальному деформированию. Сравнения физических свойств материала волоки матрицы приведены в таблице 1. 

Таблица 1.

Физические свойства материала волоки матрицы

По мере использования существуют следующие виды износа:

– образование кольцевидных износов;

– образование полос царапин;

– образование сколов (отколов) в алмазах [1; 3; 15].

При волочении пруток уменьшается в диаметре и удлиняется в рабочем конусе. С этой граничной точки пруток соприкасается с поверхностью алмаза (фильера) и начинает формировать кольцо. Это кольцо деформации становится по мере того, как пруток проходит через волоки матрицы.

ВСК-13 – специализированный станок, в который входят 13 волоков матрицы, предназначенных для волочения медных и алюминиевых сплавов.

Производство проволок из меди и алюминия получается путем уменьшения большего диаметра на меньший и пропускания через волоки матрицы. Процесс происходит следующим образом: пруток с большим диаметром направляется во входную зону рабочего канала волоки матрицы. Пруток с меньшим диаметром вытягивается на выход рабочего канала волоки матрицы (рис. 1).

Волочильный стан имеет простую конструкцию. Для него характерна технологичность конструкции, производительность и экономия металла. Коэффициент использования металлов является приоритетом этой машины.

Коэффициент использования металлов – К:

где – масса исходной заготовки;

 – масса заготовки после волочения.

Из приведенной формулы видно, что потеря металла незначительна. Незначительность в том, что на поверхности проволоки появляется нагар. Надо отметить, что в процессе волочения изменяется только площадь поперечного сечения и длина заготовки. Физико-механические свойства и структура металла улучшаются за счет винтовочного (кабестан Фараон) рельефа на наружной поверхности проволоки.

На первом этапе «UPCAST» производит пруток диаметром 8 мм. На другом вытягивает до среднего размера. Затем на станке ВСК-13 изготавливается проволока диаметром 1,18 мм. Волочильный станок кабель  ВСК-13 имеет 13 волоков матрицы. Волоки матриц оснащены филлером. Последний (13-й) волок матрицы имеет специальную конструкцию, предназначенную для передачи винтовочного рельефа. В качестве материала филлера использован стальной шар, изготовленный из ШХ  (шарикоподшипниковая сталь).

Процесс волочения происходит при меньшей скорости, чем скорость натяжных (направляющих) роликов. Для улучшения процесса волочения пользуются эмульсией. В состав эмульсии входит вода, стиральное мыло, барическая сода и масло хлопчатника. Это уменьшает сопротивление на трение и нагрев проволок. Из табл. 2 по виду волочения выбирается щелочность и степень жирности в эмульсии. 

Таблица 2.

Щелочность и степень жирности в эмульсии

При волочении прутка в толстом размере на ВСК-13 устанавливается 9 шт. рабочих волоков матрицы. Прутки с помощью этих филлеров деформируются и переводятся из большего диаметра на меньший.

Форма выходного канала изготовляется по форме и размеру получаемых изделий. Порядок выполняемой работы на волочильных станах, предназначенных для волочения проволок:

выбор оборудования, например ВСК-13;

скорость работы которого равна 7 м/с;

пруток толстый, диаметр которого равен 8 мм;

материал прутка – медь;

кратность волоки матрицы – 9 штук.

Заготовка-пруток диаметром 8 мм, проходя вышеперечисленные этапы, преобразуется в проволоку диаметром 2,04 мм (рис. 5).

Изменения диаметра изделия, проходящего на каждом волоке матрицы, можно выразить через коэффициент сужения:

где К_В – коэффициент сужения проволоки;

D_I  – исходный диаметр заготовки, мм;

d_I – диаметр проволоки, мм.

Коэффициент сужения проволоки на каждом волоке матрицы на стане ВСК-13 составляет 82 ÷ 86%, что обеспечивает форму круглого сечения. На каждом этапе волоки матрицы величина коэффициента сужения проволоки остается в своем пределе. Сравнительно малая сила волочения приводит к уменьшению технологической усталости обрыва проволоки. Ниже (рис. 4) представлена схема установки с 9-кратными волоками матриц.

Рисунок 4. Схема установки волоки матриц по 9-кратности

Схема установки волоки матриц по 9-кратности для изменения диаметров изделий в следующей последовательности: Ø8 – 6,62; 6,62 – 5,6; 5,6 – 4,76; 4,76 – 4,08; 4,08 – 3,53; 3,53 – 3,05; 3,05 – 2,7; 2,7 – 2,35; 2,35 –2,04 мм.

Площадь поперечного сечения проволоки определяется по формулам:

 или  

Масса 1 метра материала проволоки определяется по формуле:

При волочении толстого материала с исходным диаметром 8 мм, длиной 1000 мм длину после сужения можно определить из тождества:  

Отсюда, решая тождество относительно l, можно подсчитать длину проволоки

где – длина проволоки после сужения, мм;

=1000 – длина исходной заготовки, мм;

= 8 – диаметр исходной заготовки, мм;

=2,04 – диаметр проволоки после волочения, мм;

=8,93 – удельный весь материала заготовки, г/см³.

Из расчетной формулы видно, что для получения толстого волочения проволоки диаметром 2,04 мм, длиной 15370 мм должна быть выбрана исходная заготовка диаметром 8 мм, длиной 1000 мм.

Для среднего волочения также используется ВСК-13 с 13-ю волоками матриц (рис. 5).

Рисунок 5. Схема установки волоки матриц по 13-кратности

Схема установки волоки матриц по 13-кратности для изменения диаметров изделий в следующей последовательности: Ø 8–6,8; 6,8–5,8; 5,8–4,96; 4,96–4,25; 4,25– 3,64; 3,64–; 3,14–2,71; 2,71–2,35; 2,35–2,04; 2,04–1,77; 1,77–1,54; 1,54–1,34; 1,34–1,18 мм.

Из последовательности записи изменения диаметров с одной волоки на последующую не попадает в рамках арифметической или геометрической прогрессий. Причина этого может быть в разности действующей силы на разную площадь сечения. Например, если волочить медный материал по рекомендованной схеме длиной 1 метр с диаметром 8 мм до 1,8 мм, то тогда можно иметь из толстого материала тонкую проволоку длиной 45960 мм.

По этой формуле можно судить о том, что с увеличением кратности волоки матриц, за счет уменьшения поперечного сечения материала, можно подсчитать длину получаемой проволоки.

Список литературы:
1. Толстой А.Н. Петр Первый: АСТ, АСТ Москва, Хранитель; Москва; 1944.
2. А. С РФ Способ изготовления высокоуглеродистой проволоки / В.А.Харитонов, Л.В. Радионова, В.И. Зю-зин. - № 2183525; заявл. 29.01.2001; опубл. 20.06.2002,-3 с.
3. Аркулис Г.Э. Совместная пластическая деформация разных металлов / Г.Э.Аркулис. – М.: Металлургия, 1964. – 271 с.
4. Барков Л.А. Оборудование и технология обработки давлением труднодеформируемых материалов /
Л.А. Барков, М.Н. Самодурова // Вестник ЮУрГУ, 2006.-№ 11.-С. 155-161.
5. Перлин И.Л. Теория волочения / И.Л. Перлин, М.З. Ерманок. – 2-е изд. – М.: металлургия, 1971. 448 с.
6. Хаяк Г.С. Волочение проволоки из цветных металллов и сплавов Москва: Металллургия, 1967. — 151 с.
7. Днестровский Н.З. Волочение цветных металллов и сплавов Москва: Металллургиздат, 1954. — 271 с.
8. Бульхим А.К., Кидяев В.Ф., Кижаев О.А. “Электропривод и автоматизация волочильного оборудования” Часть 1. Самара-2002.
9. Патент RU 2188226, С10М 125/00, опубл. 2002.08.27
10. Тураев Т.Т., Отақулов О.Х., Тожиев Б.А. (магистрант) “Волочения” қурилмаси орқали рангли металларни чўзиш технологиясини такомиллаштириш истиқболлари. Фарғона политехника институти илмий техника журнали. 2018. Том 22. №4.