Волочение

Схематическое изображение процесса волочения

Волоче́ние — обработка металлов давлением, при которой изделия (заготовки) круглого или фасонного профиля (поперечного сечения) протягиваются через круглое или фасонное отверстие, сечение которого меньше сечения заготовки.

В результате площадь поперечного сечения заготовки уменьшается, а длина увеличивается. Волочение широко применяется в производстве металлических прутков (арматуры), проволоки, труб и других изделий. Производится на волочильных станках, основными частями которых являются волоки и устройства для протяжки заготовки.

Виды волочения

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

Способы волочения

Барабанное волочение

англ. bull-block drawing

Волочение проволоки, труб или профилей на волочильном стане барабанного типа

Беззабивочное волочение

англ. pushing drawing

Беззабивочное волочение — волочение с проталкиванием переднего конца заготовки через волоку без предварительного изготовления захватки.

Безоправочное волочение

англ. sink rawing, sinking, sinking pass

Безоправочное волочение — волочение труб из сталей, цветных металлов и сплавов, при котором внутренняя поверхность заготовки при протягивании не контактирует с технологическим инструментом. Безоправочное волочение обычно осуществляют в две волоки, первая из которых служит для центровки трубы, а во второй осуществляется основное обжатие трубы по диаметру. Безоправочное волочение чаще применяют для промежуточных проходов с целью уменьшения диаметра протягиваемых труб. В ряде случаев (трубки малого диаметра) его используют и как отделочную операцию. Недостатки безоправочного волочения — низкое качество внутренней поверхности труб и большие различия в толщине стенки трубы после волочения.

Волочение без скольжения

англ. no-slip drawing

Производство проволоки на стане многократного волочения, с накоплением её запаса между соседними волоками, благодаря чему исключается проскальзывание проволоки относительно поверхностей барабанов.

Бухтовое волочение труб

англ. coil (tube) drawing

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.

Гидродинамическое волочение

англ. hydrodynainic drawing

Волочение проволоки с использованием комбинированных волочильных устройств, включая напорную волоку, кольцо-насадку и рабочую волоку. Смазка перед напорной волокой захватывается движущейся проволокой и вовлекается в микрозазор в кольцах-насадках. Микрозазор от кольца к кольцу уменьшается, давление смазки всё больше повышается, и у входа в деформационную зону рабочей волоки создаются условия жидкостного трения. Поэтому гидродинамическое волочение позволяет использовать не только эмульсии или лёгкие масла, но и достаточно густые смазки, например, натриевое мыло. Создаваемые условия жидкостного трения позволяют проводить гидродинамическое волочение с повышенными скоростями при высоком качестве поверхности и точности протягиваемых изделий и существенно повышают стойкость волочильного инструмента.

Из-за необходимости использования насосов высокого давления и сложности заправки проволоки в волоки гидродинамическое волочение используют только в случаях, когда исключается возможность применения других, более простых способов волочения.

Длиннооправочное волочение

англ. bar (mandrel) drawing

Волочение труб с протягиванием заготовки через волоку с длинной подвижной недеформируемой оправкой, которую затем извлекают из трубы.

Короткооправочное волочение

англ. plug drawing

Волочение труб с обработкой внутренней поверхности заготовки короткой цилиндрической оправкой, удерживаемой в очаге деформации стержнем, закреплённым на станине волочильного стана.

Мокрое волочение

англ. wet drawing

Волочение с погружением волоки в жидкую смазку.

Волочение на деформируемой оправке

англ. deformable mandrel drawing

Волочение труб с протягиванием заготовки через волоку на длинной подвижной оправке, деформируемой с заготовкой.

Волочение на закреплённой оправке

англ. (fixed) plug drawing

Один из наиболее распространённых методов волочения труб с середины XIX в. Закреплённая (короткая) оправка чаще всего цилиндрическая, иногда ей придают цилиндроконическую форму, что улучшает её центровку в очаге деформации. Закреплённые оправки выполняются полыми для труб большого диаметра и сплошными для тонкостенных труб меньшего диаметра.

Волочение на самоустанавливающейся оправке

англ. floating plug drawing

Волочение труб с обработкой внутренней поверхности заготовки незакреплённой самоустанавливающейся оправкой, удерживаемой в очаге деформации уравновешиванием действующих на неё втягивающих и выталкивающих сил.

Волочение проволоки

англ. wire drawing

Один из древнейших технологических процессов обработки металлов давлением (первое письменное упоминание волочильной доски относится к XI н.э., но она значительно старше). Волочением получают проволоку из сталей широкого сортамента, цветных металлов и сплавов диаметром от 16 до <0,01 мм. Проволока круглого, квадратного и шестигранного сечения поставляется в мотках, бухтах и на катушках. Для заготовительного волочения проволоки применяют машины одно- и многократного волочения. Конструкции волочильных машин могут быть самыми разными: с горизонтальными и вертикальными барабанами, со скольжением и без, с индивидуальным и групповым приводом, с противонатяжением и т. д. Количество волок на таких машинах достигает > 25, скорости волочения — до 50 м/с. Для тяжёлого (грубого) волочения обычно используют стальные волоки, толстое и среднее волочение проводят через твердосплавные, тонкое и тончайшее — через алмазные волоки. В качестве смазок при волочении проволоки обычно используют жидкие смазки и эмульсии. Единичные обжатия по переходам снижаются от 30-35 % при тяжелом и толстом волочении до 6-12 % при наитончайшем.

Волочение профилей

англ. die shaping (forming)

От простых прямоугольных до самой сложной формы. Крупные профили волочат на линейных волочильных станах, профили меньшего сечения — на барабанах или комбинированных прокатно-волочильных агрегатах. Для построения рациональной системы переходов при волочении профилей сложной формы используются теоретический и графический методы: В. В. Зверева, Прайслера, ЭГДА, песчаной насыпи, «сходственных контуров» и др.

Профилировочное волочение

англ. form drawing

Волочение труб некруглой (фасонной) формы с использованием двух технологических схем. По первой готовую трубу получают из заготовки круглого сечения безоправочным волочением в волоке с каналом фасонного сечения. По второй волочат на оправках фасонную заготовку, сечение которой подобно сечению готовой трубы. Волочение фасонных труб из фасонной заготовки позволяет снизить трудоемкость процесса, повысить точность размеров и качество внутренней поверхности труб.

Волочение прутков

англ. rod drawing

Волочение преимущественно холоднодеформированных (тянутых) прутков круглого, квадратного и шестигранного сечений из цв. металлов и сплавов. Прутки малых сечений волочат на барабанах в один или несколько переходов. Волочение крупных прутков (диаметром > 25—30 мм) осуществляется в отрезках на цепных станах. Единичные и суммарные вытяжки при волочении прутков (обычно 1,25—1,4) определяются пластичностью протягиваемого материала. В отделочных (калибровочных) проходах вытяжки снижаются до 1,10-1,15. Наиболее прогрессивна технологическая схема производства тянутых прутков из цветных металлов и сплавов: бухтовая заготовка — однократное волочение (калибровка) — отделка на автомат. линиях типа «Schumag».

Волочение со скольжением

англ. slip drawing

Многократное волочение проволоки при скорости её движения меньше окружной скорости тяговых роликов, то есть скольжении проволоки по их поверхности с разницей в скоростях < 2-4 %. Конструкции машин со скольжением проще, чем машины прямоточного типа, и удобнее при заправке проволоки. На них лучше условия смазки, охлаждения проволоки и волок, что позволяет достигать более высоких скоростей волочения.

Волочение с противонатяжением

англ. back-pull (pullback) drawing

Многократное волочение проволоки и мелких труб с приложением усилия противонатяжения Q к заготовке перед очагом деформации. Усилие в. возрастает с приложением противонатяжения, начиная только с некоторого минимального его значения, названного критическим противонатяжением Q_кр, определяемым в основном пределом упругости протягиваемого металла и степенью его нагартовки. Во всех случаях, если Q < Q_кр, сила волочения практически не возрастает, а условия деформации улучшаются.

Стержневое волочение

англ. core drawing

Волочение труб, которое включает ввод стержня в трубную заготовку, протягивание заготовки вместе со стержнем через волоку и извлечение стержня из трубы. Стержень из твёрдой термообработанной стали при волочении не деформируется и двигается со скоростью выхода трубы из волоки. Стержневое волочение позволяет изготовлять трубы из малопластичных сплавов и обеспечить жёсткие допуски на внутренний диаметр труб, что особенно важно при изготовлении капиллярных трубок внутренним диаметром 0,3-1 мм.

Сухое волочение

англ. dry drawing

Волочение заготовок с твердой смазкой.

Волочение труб

англ. tube drawing

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; профилировочное 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.

• Виды волочения труб
• 
  Волочение без оправки
• 
  Волочение с короткой свободной оправкой с конусом
• 
  Волочение с неподвижной оправкой

Ультразвуковое волочение

англ. ultrasonic drawing

Волочение с наложением ультразвуковых колебаний на протягиваемый металл, что существенно снижает его сопротивление деформированию и коэффициент трения в очаге деформации. Существуют самые разнообразные схемы наложения ультразвуковых колебаний в процессе волочения — продольные колебания, перпендикулярные, радиальные, наложение колебаний на инструмент, на заготовку и т. д. Особенно эффективно применение ультразвуковых колебаний для труднодеформируемых сплавов, у которых при высоких скоростях снижается пластичность, а при нагреве происходит деформационное старение.

Электропластическое волочение

англ. electroplastic drawing

Волочение труднодеформируемых, в частности, тугоплавких сплавов, с использованием электропластич. эффекта, впервые исследованного в работах русских ученых О. А. Троицкого и В. И. Спицына. Они установили, что при пропускании электрического тока через протягиваемый образец заметно снижаются напряжение и усилие волочения. Наибольший электропластический эффект (ЭПЭ) наблюдается при пропускании через металл импульсного тока высокой частоты — порядка 103 А/мм² в течение 10⁴ с.

Использование ЭПЭ позволило не только интенсифицировать процесс волочения, но и исключить операции подогрева заготовок и волок, которые необходимы при традиционной технологии получения проволоки из тугоплавких металлов, например вольфрама.

Волочильный стан

Волочильный стан — машина для обработки металлов волочением.

Волочильный стан состоит из двух основных элементов:

• рабочего инструмента — волоки;
• тянущего устройства, сообщающего обрабатываемому металлу движение через волоку.

Вращение от двигателя к тянущему устройству передаётся через редуктор. Обычно современные волочильные станы оснащаются рядом вспомогательных устройств для повышения производительности и автоматизации производства.

По принципу работы тянущего устройства волочильные станы подразделяются на:

• станы с прямолинейным движением обрабатываемого металла;
• станы с наматыванием протянутого металла (барабанные).

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

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.

Литература

• Alan R. Williams. Chapter 2.1. Mail. // The Knight and the Blast Furnace: A History of the Metallurgy of Armour in the Middle Ages & the Early Modern Period. — Brill, 2003. — P. 29-31. — 954 p.  (англ.)

Ссылки

• Учебный фильм "Прессование и волочение"