Пути дальнейшего совершенствования технологии волочения в режиме гидродинамического трения

Из  сказанного видно, какое огромное влияние  на процесс волочения оказывает  трение, возникающее между протягиваемым  изделием и инструментом [3].

 

3.Технологические особенности процесса волочения в гидродинамическом режиме трения

 

В настоящее время в практике обработки  металлов давлением накоплен значительный опыт использования гидродинамического эффекта технологической смазки для интенсификации производства. Правда, этот опыт относится в основном к  волочению проволоки, прутков и  труб [2].

Как уже указано выше, для осуществления  режима гидродинамического трения требуется  давление в слое смазки, способное  полностью разделить трущиеся поверхности.

Жидкостный  режим при волочении можно  получить, если подавать смазку в очаг деформации под определенным давлением 

3.1 Устройства подачи смазки

 

3.1.1 Устройство фирмы AEG

Способ  подачи смазки в очаг деформации был  предложен в 1931 г. фирмой AEG. По этому способу масло под давлением 196 Мн/м² подается в специальное устройство (рис.1), которое представляет собой герметизированную камеру с двумя волоками, в одной из которых производится основная деформация проволоки. Во второй волоке, установленной на входе в камеру, обжатие металла небольшое – до 10%, и она служит для предотвращения утечки смазки

Устройство фирмы AEG для волочения проволоки с принудительной подачей жидкой смазки в зону деформирования

 

Рис. 1

 

3.1.2 Устройство конструкции В.Ф. Мосеева и А.А. Коростелина

В.Ф. Мосеев и А.А. Коростелин установили величину давления, под которым должна подаваться смазка, чтобы можно было осуществить волочение в режиме жидкостного трения, и зависимость давления от механических свойств материала проволоки, угла рабочей зоны волоки и коэффициента вытяжки. В результате исследования было изготовлено устройство, опробованное в производственных условиях (рис.2).

Устройство  конструкции В.Ф. Мосеева и А.А. Коростелина для волочения проволоки с принудительной подачей смазки

 

1 –  втулка; 2 – рабочая волока; 3 –  корпус; 4 – рабочая зона для  смазки; 5 – штуцер; 6 – конические  вкладыши; 7 – крышка.

Рис. 2

 

Необходимость лучшего уплотнения между инструментом и движущейся проволокой привела  к созданию конструкции волок (рис.3), обеспечивающей непосредственную подачу смазки в зону деформации. В волоке просверлена система отверстий  или имеется круговая выточка  на рабочем конусе. Надежность уплотнения достигается благодаря тому, что  удельное давление проволоки на входе  в волоку максимальное и уменьшается к выходному отверстию. Однако, трудность изготовления отверстий в твердосплавных волоках, которые и применяются в основном в волочильном производстве, не позволяет считать в настоящее время этот способ приемлемым

Конструкции волок, обеспечивающих подачу смазки под давлением непосредственно в очаг деформации

 

Рис. 3

 

3. Устройство  Мак Леллана и Камерона

Более простой способ создания давления на входе в волоку заключается в нагнетании смазки в очаг деформации самой проволокой. Такой способ был предложен Мак Лелланом и Камероном, которые сконструировали устройство, предназначенное для очистки жидкой смазки от металлической пыли, возникающей в процессе волочения. По их способу аппаратура включает в себя трубу и шаровую камеру, установленные перед волокой, сквозь которые проходит проволока. Благодаря силам вязкости в зазоре между трубой и движущейся проволокой создается давление, которое имеет максимальную величину перед входом проволоки в волоку. Однако большой зазор между трубой и проволокой, низкая вязкость применяемых смазок не позволили создать сравнительно большое давление на входе в очаг деформации - оно составило лишь около 1,76 бар. Ясно, что такое давление, хотя и несколько улучшает условия смазывания в зоне деформации вследствие лучшей подачи смазки в волоку, не может создать жидкостного трения и поддержать его [3].

 

3.1.4 Устройство Кристоферсона и Найлора

Разработка  инструмента и технологии волочения  проволоки в режиме гидродинамического трения с применением жидких смазок впервые была начата Кристоферсоном и Найлором. Они сконструировали устройство (рис.4), обеспечивающее нагнетание смазки в очаг деформации движущейся проволокой.

Устройство  Д.Г. Кристоферсона и Х. Найлора для создания условий жидкостного трения при волочении (с применением жидкой смазки)

 

1 –  проволока; 2 – запорная труба  или насадка; 3 – волока; 4 – уплотнительная  шайба; 5 – волокодержатель.

Рис. 4

 

Массовыми производственными экспериментами было установлено, что на свежей смазке волочение идет нормально, при этом стойкость сборных волок была в три – четыре раза больше стойкости  обычных, а скорости волочения были повышены до максимально возможных  значений. Однако после нескольких суток работы, когда смазка была загрязнена, сборные волоки закупоривались, что приводило к многочисленным обрывам проволоки.

Опыт  показал, что при работе на сборных  волоках необходимо менять смазку не реже чем через 2 – 3 суток, однако в  условиях производства это вызывает повышенные простои волочильного стана  и невыгодно из-за резкого увеличения расходов на смазку. Следовательно, для  успешного внедрения нового режима на станах мокрого волочения целесообразно  применить очистку в процессе работы жидких смазок.

Исследованием установлено, что при работе на свежих смазках сборные волоки позволяют  повысить скорость волочения до 1400 м/мин, при этом производительность стана составляет 217 кг в смену, т.е. она вдвое выше, чем при волочении со скоростью 740 м/мин. Удельная стойкость сборных волок при производстве проволоки диаметром 0,3 мм в среднем составляет 174 кг на 0,01 мм износа, что в 4 раза выше, чем у обычных волок [3].

 

3.1.5 Устройство конструкции BISRA

Опыты, проведенные Британской исследовательской  ассоциации черной металлургии BISRA по замене масла другими более вязкими смазками, привели исследователей к использованию мыла. Мыло, применяемое при сухом волочении без насадок, само создает промежуточный режим трения в очаге деформации между жидкостным и граничным.

Устройство  конструкции BISRA для создания режима жидкостного трения, показанное на рис.5, имеет насадку, которая изготовлена из закаленной стали или снабжена твердосплавной вставкой. Для облегчения захвата порошкообразной смазки вход в насадку выполнен либо конусным с углом наклона образующей около 0,244 рад и диаметром в 3 – 4 раза больше диаметра проволоки, либо чашеобразным с радиусом 100 мм. Между насадкой и рабочей волокой имеется фигурная уплотнительная шайба для предотвращения утечки смазки.

 

Конструкции насадок системы BISRA

1 –  насадка; 2 – твердосплавная вставка; 3 – уплотнительная шайба; 4 –  твердосплавный вкладыш; 5 – обойма; 6 – контрольное отверстие; 7 –  волока; 8 – уплотнительное кольцо.

Рис.5

 

Промышленные  испытания насадок конструкции  BISRA показали повышение с ними стойкости рабочих волок от 3 до 20 раз. При этом в отдельных случаях было достаточно установить насадку на первый блок машины многократного волочения, чтобы заметно повысить стойкость волок по всему маршруту [4].

2. Сборные волоки

Cборная волока – волока, у которой в качестве напорной трубки применяются изношенные твердосплавные вкладыши.

Сборная волока (рис.6) состоит из рабочего твердосплавного  вкладыша и твердосплавного же напорного  вкладыша, свободно вставляемых в стальную коническую зажимную втулку, разрезанную по образующей. Втулка с волоками помещена в коническое отверстие стальной обоймы – корпуса и плотно впрессована в нее вначале на ручном прессе, а затем накидной гайкой с помощью гаечного ключа. При этом предварительное напряжение волок получается вполне достаточным для обеспечения их нормальной работы. Твердосплавная напорная волока имеет внутренний диаметр, несколько больший, чем исходная проволока, что создает давление смазки перед рабочей волокой. Во избежание прорыва смазки между рабочей и напорной волоками имеется стальное уплотнительное кольцо. Для предупреждения скалывания кромок напорного твердосплавного вкладыша при сильном зажатии гайкой служит нажимная шайба.

 

 

 

Сборная волока

Рис. 6

 

Корпус, крышки и зажимные втулки сборных  волок должны быть изготовлены из материала, обладающего по возможности  высоким пределом упругости, хорошей  теплопроводностью и достаточной  коррозионной стойкостью. Для изготовления деталей сборных волок можно  использовать стали марок У7, У8, У9, 33ХН3МА.

Между твердосплавными вкладышами в процессе работы сборных волок иногда развивается  очень высокое давление смазки, соизмеримое  с пределом текучести протягиваемого материала. Такое высокое давление, действующее на твердосплавные вкладыши и другие детали сборной волоки, требуют достаточно высокой прочности  и точности их изготовления. Малейшие отклонения от установленных технологических  норм изготовления деталей вызывают их поломку или деформацию.

Уплотнительные  шайбы между напорным и рабочим  твердосплавными вкладышами можно  изготовлять плоскими из сталей марок  Ст0 или 10. Практика работы показывает, что при достаточном усилии запрессовки зажимной втулки с твердосплавными вкладышами в корпус сборной волоки и сильном зажатии крышки плоские шайбы из мягкой стали обеспечивают надежное уплотнение и исключают прорыв смазки.

Верхнюю шайбу, предназначенную для предохранения  от скалывания кромок напорного твердосплавного  вкладыша при сильном зажатии  крышкой, можно изготовлять из сталей марки Ст3 или Ст5 с последующей  термической обработкой.

В качестве напорных вкладышей, как правило, используют изношенные твердосплавные рабочие вкладыши.

Перед сборкой все детали сборной волоки (твердосплавные напорные и рабочие  вкладыши, зажимные конусы, корпуса, крышки и шайбы) должны быть тщательно очищены  от остатков смазки и др., в противном  случае не будет достигнуто уплотнение, и в процессе работы не обеспечится  необходимое давление смазки.

Одним из преимуществ сборных волок является возможность их применения на большинстве действующих проволочных станов без каких-либо конструктивных изменений мельниц и держателей волок в них. Сборные волоки внешне отличаются от обычных волок только размерами, имея несколько больший диаметр и высоту. Работа со сборными волоками практически не отличается от работы с обычными волоками [3].

3.3 Волочение с высокими скоростями и обжатиями

 

В метизной промышленности резкое повышение  производительности волочильных станов может быть достигнуто при увеличении скоростей волочения и обжатий.

При граничном режиме трения увеличение скоростей приводит к чрезмерному  разогреву инструмента и изделия  и значительному увеличению износа вволок. В результате этого рост скоростей волочения замедлился. Возникший тепловой барьер являлся  серьезным препятствием на пути создания новых высокоскоростных волочильных  станов.

Некоторое повышение скоростей волочения  и обжатий было достигнуто только при условии резкого снижения сил внешнего трения в результате гидродинамической подачи смазки в  очаг деформации.

Повышение стойкости волок и уменьшение числа обрывов проволоки при волочении с гидродинамической смазкой позволили повысить скорости волочения и производительность.

Для увеличения выпуска готовой продукции  во ВНИИметмаше были разработаны высокоскоростные волочильные станы для изготовления проволоки из углеродистой стальной катанки.

Конструкция высокоскоростных волочильных станов прямоточного типа давало возможность  осуществлять волочение на скоростях  до 1200 м/мин. Однако волочение с такими скоростями на обычных волоках в  условиях граничного трения протекало  весьма неустойчиво, а производительность этих станов из-за многочисленных обрывов  проволоки оказалась ниже, чем  волочильных станов петлевого или  магазинного типа, предназначенных  для волочения проволоки тех  же сталей.

После того как на высокоскоростных волочильных  станах начали применять технологию волочения в режиме гидродинамического трения, положение изменилось: скорость волочильного инструмента увеличилась  в среднем по станам в 6 раз и  составила на последнем проходе 1,9 т на 0,01 мм износа, количество замен  волок в среднем по волочильному стану уменьшилось в 4 раза, благодаря  чему машинное время увеличилось  в среднем на 30 мин в смену, скорость волочения устойчиво доведена до 1000 м/мин, среднесменная производительность волочильных станов повысилась на 34%.

Опыт  эксплуатации этих станов показывает, что с точки зрения скоростей  волочения, простоты перехода от волоки к волоке, техники безопасности, отсутствия накопления проволоки, более  надежной и простой механической части прямоточные станы являются самыми прогрессивными конструкциями. [2].

На  прямоточных станах грубо-среднего волочения применяют скорости до 1400 м/мин – таких скоростей  не удалось достигнуть на волочильных  станах других типов. Система управления прямоточными станами позволяет  регулировать скорость и диапазоны  обжатий в очень широких пределах, т.е. станы могут быть настроены  практически на любой режим волочения. Производительность этих станов превышает  производительность машин аналогичного назначения в 1,5 – 2 раза.

Кроме скорости волочения, на производительность волочильных станов в значительной степени влияет величина единичных  обжатий.

Величина  единичных обжатий зависит от предела прочности материала  и допустимой температуры разогрева  всего сечения проволоки. В рациональном маршруте волочения величина единичных  обжатий постепенно снижается, что  связано с увеличением предела  прочности металла проволоки  вследствие наклепа. Применение относительно небольших единичных обжатий  приводит к снижению производительности волочильных станов из-за увеличения числа протяжек и, кроме того, к  снижению пластических свойств проволоки из-за дополнительного нагрева ее внешних слоев.