1 Волочение

Волочение – обработка металлов давлением, при которой изделия (заготовки) круглого или фасонного профиля (поперечного сечения) протягиваются через отверстие, сечение которого меньше сечения заготовки.

В результате поперечные размеры изделия уменьшаются, а длина увеличивается. Волочение широко применяется в производстве пруткового металла, проволоки, труб и другого. Производится на волочильных станах, основными частями которых являются волки и устройство, тянущее через них металл.

По типу волочения:

- сухое (волочение через ванночку с мыльным порошком);

- мокрое (через мыльную эмульсию).

По чистоте обработки:

- черновое (заготовительное);

- чистовое (заключительная операция, для придания готовому изделию требуемых формы, размеров и качества).

По кратности переходов:

- однократное;

- многократное (с несколькими последовательными переходами волочения одной заготовки).

По параллельности обработки:

- однониточное;

- многониточное (с количеством одновременно протягиваемых заготовок 2, 4, 8).

По подвижности волоки:

- через неподвижную волоку;

- через вращающуюся относительно продольной оси волоку.

По нагреву заготовки:

- холодное волочение;

- горячее волочение.

1.1 Технология волочения

При волочении обрабатываемый металл протягивается через постепенно суживающееся отверстие в матрице или фильтре.

В результате волочения уменьшается площадь поперечного сечения, но увеличивается длина заготовки.

Этот процесс применяют для получения тонкостенных труб, изготовленных предварительно прокаткой или прессованием, тонкой проволоки диаметром до 5 мм, фасонных профилей , из которых путем разрезки получают затем готовые детали – призматические и сегментные шпонки, опорные призмы, шлицевые валики и др.

Волочение применяют также в том случае, когда надо получить точные размеры, сохранив при этом высокие физико-химические свойства материала изделия. Точность изделий обычно соответствует 2 … 4 степени, а шероховатость поверхности – Rа2,5…0,32.

Инструмент для волочения (рисунок 1) — волочильные доски (матрицы), изготовляемые из специальных сталей. В волочильной доске 1 имеются отверстия 3, которые называются глазками или очками. Через эти отверстия и протягивается заготовка 2.

Инструмент для волочениея

Рисунок 1

Волочильные станы подразделяются на барабанные и цепные. Барабанные применяют главным образом для обработки проволоки, а цепные – для обработки волочением прутков, профилей и труб.

Совершенствование технологии производства медных труб

Современная цветная металлургия достигла больших успехов в повышении производительности и качества металлопродукции благодаря широкому применению непрерывных и полунепрерывных технологий производства. В области производства медных труб перспективным направлением является технология производства литой трубной заготовки с дальнейшей холодной деформацией. Отсутствие операций горячей деформации приводит к существенному снижению себестоимости конечной продукции

1.2 Теоретические основы процесса волочения

Волочение – это один из древнейших способов обработки металла давлением. Известно, что впервые волочение начали применять 3-5 тыс. лет до нашей эры. Однако систематическое опытное и теоретическое изучение процесса началось лишь в XX в. Несмотря на кажущуюся простоту, многие элементы процесса протягивания прутка через отверстие не представлялись достаточно ясными и являлись объектом тщательного изучения. Характер течения металла, его напряженное состояние, силовые условия, влияние условий волочения на свойства продукта обработки и прочее изучают различными методами. Большое распространение получил метод измерения искажения координатной сетки, нанесенной до деформации на плоскости симметрии составного прутка. Неравномерность деформации по сечению прутка некоторые исследователи объясняют также появлением искажения плоскости среза заднего конца прутка в процессе волочения. На основании этого же явления иногда утверждают о разности скоростей течения отдельных слоев прутка при деформации, хотя по данному вопросу имеется и другое мнение. О характере и условиях деформации металла при волочении можно судить по изменению твердости или разнице в размере зерна по сечению прутка после волочения. Неравномерность напряженного состояния можно также наблюдать оптическим методом при волочении образцов из оптически активных материалов (синтетических смол)

2 Литая трубная заготовка

Опытная медная литая труба с наружным диаметром 48 мм, с толщиной стенки 4 мм полностью соответствует требованиям ГОСТ859, предъявляемым к меди марки М2 и лишь по содержанию железа не попадает в марку М1.

На наружной поверхности опытной литой трубы обнаружены:

- неслитины и мелкие поперечные трещины длиной до 25…30 мм, шириной до 1 мм, располагающиеся друг за другом на спае литейных шагов (рисунок 3 а);

- раковины литейного происхождения (рисунок 3 б);

- следы, оставленные роликами вытягивающего механизма (рисунок 3 в).

Кроме того, на наружной поверхности литой трубы присутствуют следы удаления дефектов литейного происхождения посредством применения пневматической шлифовальной машинки (рисунок 3 г).

На внутренней поверхности литой трубы никаких серьезных дефектов выявлено не было, в том числе трещин ( рисунок 3 а и б).

Предварительно можно предположить, что дефекты литейного происхождения такие как, неслитины, поперечные трещины на спае шагов, раковины, выявленные на наружной поверхности литой заготовки, должны оказать отрицательное влияние на качество готового проката. Степень этого отрицательного влияния можно будет оценить только в процессе проведения экспериментов по прокатке и волочению литых труб.

а) б)

в) г)

Дефекты поверхности опытной трубной литой заготовки: а – поперечные пошаговые трещины, неслитины; б – литейные раковины; в – след от ролика вытягивающей машины; г – следы от удаления поверхностных дефектов ручной шлифовальной машинкой

Рисунок 3

Общий вид внутренней поверхности опытной литой трубы: а – нетравленная поверхность; б – поверхность после травления

Рисунок 5

Также можно предположить, что следы, нанесенные роликами вытягивающей машины или другим технологическим инструментом, в процессе последующей обработки металла давлением будут устранены без какого-либо негативного влияния на качество готовой продукции.Исследования микроструктуры показали, что металл литой трубы имеет достаточно высокую плотность, поскольку в нем не обнаружено серьезных микродефектов в виде пор, раковин, инородных включений (рисунок. 4 а, б)

Микроструктура опытной литой трубной заготовки: а – микроструктура в продольном сечении литой трубы, *100; б – микроструктура в продольном сечении литой трубы, *200; в — поперечная поверхностная трещина в продольном сечении литой трубы, *200.

Рисунок 5

Границы зерен тонкие, неутолщеные, что свидетельствует об отсутствии отложений легкоплавких эвтектик.

По заключению лаборатории металлографии поперечные трещины на наружной поверхности проникают вглубь стенки трубы на 0,115 мм (рисунок. 4 в). В процессе исследования макроструктуры установлено следующее: на всей поверхности поперечного шлифа исследуемой литой заготовки наблюдаются зерна, имеющие четкую радиальную ориентацию. При этом необходимо отметить транскристаллитный характер структуры, т.к. зерна распространяются от внутренней поверхности до наружной поверхности, через всю толщину стенки трубы. Зерна по периметру поперечного сечения отливки имеют разную ширину, которая увеличивается с 0,5…1,0 мм до 1…2 мм ( рисунок 5 а и б). Данное обстоятельство свидетельствует о неравномерности теплоотвода от кристаллизующегося металла по периметру кристаллизатора в процессе формирования полой отливки.

а) б)

в)

Макроструктура продольного и поперечного сечений опытной литой трубной заготовки: а – макроструктура в поперечном сечении трубы; б – макроструктура различных участков поперечного сечения трубы; в – макроструктура в продольном сечении трубы.

Рисунок 5

В продольном сечении трубы также наблюдается радиально ориентированная структура. Причем, на одном из двух срезов, попадающих в продольное сечение, сформировались зерна шириной 0,5…1,5 мм, на втором – шириной 1…4 мм (см. рис. 5 в).

Для исследования механических свойств литой трубной заготовки из нескольких образцов вырезались плоские продольные полоски шириной 10 мм, предназначенные для проведения испытаний на растяжение. В процессе испытаний установлено, что предел прочности литой трубы совпадает с пределом прочности горячепрессованной трубы. В то же время, условный придел текучести литой трубы на 10-20% выше по сравнению с горячепрессованной трубой. Относительное удлинение, как один из показателей пластичности металла у литой трубы так же выше на 15%.

В целом необходимо отметить высокий уровень механических свойств литой трубы, которые вполне сопоставимы с механическими свойствами прессованной заготовки. Это обстоятельство должно оказать положительный эффект на процесс холодной прокатки полых отливок.

2.1 Результаты холодной деформации литой медной трубы

Для исследования возможности холодной деформации медной литой заготовки, проводились опытные работы по прокатке на стане ХПТ и волочению. Прокатка литой трубной заготовки осуществлялась на стане марки ХПТ 55-3-8 на размер 32*0,95 мм по следующим режимам: подача – 14 мм, угол поворота – 55-65o, двойных ходов – 80-82. В результате холодной прокатки была получена катанная заготовка хорошего качества: дефектов, видимых невооруженным глазом, на поверхности обнаружено не было. Таким образом, дефекты литейного происхождения, выявленные нами в ходе исследования литой заготовки, в процессе холодной прокатки были либо устранены, либо приобрели скрытый характер.

После обработки на стане ХПТ произвели волочение катанной заготовки на цепном волочильном стане на готовый размер 16*0,5 мм за 7 проходов, выполненных с суммарной вытяжкой 3,84.

На втором ходу волочения произошло 8 обрывов захваток (холостой конец). После повторного изготовления захваток, волочение прошло без каких-либо замечаний. При обработке литой заготовки суммарная вытяжка составила 22,71 (степень деформации 95,59%).

При визуальном осмотре продукции дефектов на поверхности готовых труб обнаружено не было. С целью более тщательного исследования качества полученной продукции была произведена дефектоскопия труб М2 в готовом размере 16*0,5 мм на токовихревом дефектоскопе. Из 157 штук (102 кг) труб было забраковано 9 штук (6 кг) труб. Основной вид дефектов на отбракованных трубах – забоины и вмятины, полученные в процессе изготовления готовой продукции. Отбраковка от общей массы произведенной трубы составила 5,9%.

Для исследования механических свойств опытных труб в мягком состоянии произвели отжиг образцов, отобранных на разных проходах, в лабораторной печи при температуре 600oС и времени выдержки 30 мин.

Согласно полученным данным, механические свойства отожженных опытных труб готового размера 16*0,5мм полностью соответствуют требованиям ГОСТ 617 и EN 1057, предъявляемым к продукции в мягком состоянии.

2.2 Бухтовое волочение труб

Волочение трубы из заготовки, смотанной в бухту и (или) со сматыванием протянутой трубы в бухту; получило промышленное применение с 1930-х гг., широко используется при получении труб из цветных металлов и сплавов (меди, латуни и др.). При бухтовом способе применяются как оправочное, так и безоправочное волочение на трубоволочильных бухтовых станах и барабанах. Данным способом получают трубы (трубки) диаметром от 1 до 70 мм с толщиной стенки от 0,2—0,3 мм до 3 мм соответственно. Скорости волочения до 25—30 м/с, длина обрабатываемых труб до 5—6 км. В качестве технологических смазок при бухтовом волочении применяют растительные, и минеральные масла, водные эмульсии, олеиновую кислоту, натуральную и синтетическую олифу. При волочении алюминиевых труб используются более густые смазки, напр, масло Вапор с добавками веретенного. Внутрь трубы смазка заливается (впрыскивается) автоматически со стороны заковываемой части трубной заготовки.

Бухтовое волочение

Рисунок 6

2.3 Волочение труб

Завершающая, как правило, операция при производстве холоднодеформированных (тянутых) труб из сталей, цветных металлов и сплавов; отличается большим разнообразием технологических схем волочения: – безоправочное волочение (осадка); волочение на короткой закреплённой оправке; волочение на самоустанавливающейся (плавающей) оправке; волочение на длинной подвижной оправке; волочение на деформирующемся сердечнике; рофилировочное волочение; волочение с раздачей трубной заготовки; волочение в режиме гидродинамического трения. Выбор метода волочения определяется размерами и требованиями к готовому изделию, маркой обрабатываемого металла или сплава, возможностями оборудования и т. д. Волочение труб ведут как на цепных (траковых) волочильных станах, так и на трубоволочильных барабанах (бухтовое волочение). Основным волочильным инструментом являются волоки (фильеры) и оправки самых разных конструкций.

Волочильный стан

Волочильный стан – машина для обработки металлов волочением.

Волочильный стан состоит из двух основных элементов:

-рабочего инструмента – волки;

-тянущего устройства, сообщающего обрабатываемому металлу движение через волоку.

Вращение от двигателя к тянущему устройству передаётся через редуктор. При волочильном стане имеется ряд вспомогательных устройств для механизации и автоматизации производства.

В зависимости от принципа работы тянущего устройства волочильные станы подразделяются на:

-станы с прямолинейным движением обрабатываемого металла;

-станы с наматыванием обрабатываемого металла (барабанные).

Волочильные станы с прямолинейным движением обрабатываемого металла применяются для получения прутков и труб, барабанные – для волочения проволоки и металла других профилей, сматываемого на бунты.

Волочильный стан

Рисунок 7

Барабанные волочильные станы подразделяются на:

- однократные – с одним ведущим (тянущим) барабаном, в которых волочение металла производится через одну волоку;

- многократные – с несколькими барабанами, в которых металл одновременно подвергается волочению через ряд последовательно установленных волок.