Основы процесса волочения проволоки

Описание

Волочение проволоки – это процесс обработки металла давлением, характеризующийся постепенным однократным или многократным протягивания последнего через специальный волочильный инструмент, предназначенный для поэтапного уменьшения поперечного сечения исходной заготовки.

Принципиальная схема волочения приведена на рисунке, где 1 – волока; 2 – проволока; Fo – площадь поперечного сечения на входе в волоку; Fk – площадь поперечного сечения на выходе из волоки.
Волочение проволоки значительно экономнее других способов т.к. при волочении отсутствуют потери металла в стружку, можно получить проволоку определенного диаметра с заданными свойствами. В качестве заготовки для волочения применяется продукция прокатного производства – катанка, получаемая прокатом литых заготовок определенного сечения. Наиболее распространенный размер катанки, используемый для дальнейшей обработки волочением – 5,5-6,5 мм.

При волочении значительная часть энергии (по некоторым данным, до 90 %), затрачиваемой на процессе волочения в результате внешнего трения и пластической деформация, превращается в тепло, которое значительно нагревает деформируемый металл, волоку и смазку. Чрезмерный нагрев протягиваемого металла (>150-200°С) ухудшает условия волочения из-за выгорания смазки, а у стальной проволоки может вызвать деформационное старение металла. Также отрицательное влияние оказывает высокая температура на стойкость волочильного инструмента, который нагревается значительно выше, чем проволока.

Условия работы и связанные с ними требования к изделиям из проволоки весьма разнообразны. В канате, например, проволока не должна разрушаться от воздействия знакопеременных нагрузок и истираться; в пружине она должна быть достаточно упругой, чтобы пружина выдерживала прикладываемые нагрузки без изменения размеров; в нагревательном элементе необходима устойчивая работа проволоки при высоких температурах. Очень часто от проволоки требуется высокая коррозионная стойкость, хорошая электропроводность и способность сопротивляться сложным нагрузкам. В ряде случаев проволока должна обладать целым комплексом различных свойств.
Качество готовой проволоки определяется свойствами выбранного для волочения металла, а также изменениями его свойств в процессе переработки.

Процесс волочения сопровождается не только изменением геометрической формы и размеров заготовки, но и существенными изменениями физико-механических свойств и структуры обрабатываемого металла.

Упрочнение металла, возникающее вследствие пластической деформации при волочении, называется наклепом, а структура волоченного металла в виде вытянутых по направлению волочения зерен - текстурой.
Степень влияния деформации при волочении на физико-механические свойства протягиваемого металла во многом зависит от свойств металла, величины этой деформации и других причин, но можно выделить общие тенденции этого явления: повышаются прочностные характеристики (предел прочности, предел текучести, твердость); снижаются (неравномерно) пластические свойства (относительное сужение, относительное удлинение, число перегибов и скручиваний); плотность металла незначительно повышается (0,5-1,0 %); антикоррозионная стойкость несколько снижается; возрастает электрическое сопротивление (у аустенитной стали рост составляет до 30 %); изменяются магнитные свойства металла.
В ходе пластической деформации при волочении структура металла претерпевает значительные изменения - зерна перлита вытягиваются по направлению волочения, возрастает число дефектов структуры (дислокаций, вакансий, межузельных атомов), что приводит к увеличению прочности, твердости и снижению пластичности. Эти явления называются наклепом при волочении. Дальнейшая деформация приводит к образованию микротрещин, которые растут и при превышении определенной степени обжатия приводят к обрывам проволоки.
Чтобы иметь возможность продолжить волочение, необходимо снять наклеп проволоки методами термической обработки. Для этого применяют отпуск, нормализацию, отжиг или патентирование в зависимости от условий и марки стали.
При термической обработке снижается число дефектов структуры, при дальнейшем нагреве происходит образование из деформированных (вытянутых) небольших равноосных зерен с недеформированной структурой металла, которые растут и постепенно занимают весь объем материала. Это явление называется рекристаллизацией. При этом снижается прочность и твердость, увеличивается пластичность.
Однако для углеродистых сталей, особенно при высоких степенях обжатий при волочении проведения рекристаллизации недостаточно для нормального волочения в дальнейшем. Сталь подвергают нагреву выше температуры аустенитного превращения, чтобы добиться измельчения перлитной структуры и залечивания микротрещин. На поточных агрегатах нагрев проволоки должен составлять 900 - 960°С, чтобы за короткое время выдержки в печи успели произойти эти изменения в структуре.Классификация волочения по термическим условиям деформации

Горячее волочение - волочение в условиях зарекристаллизационных температур (до 900 °С) применяется для тех металлов и сплавов, которые при обычных температурах из-за низкой пластичности не могут быть подвергнуты волочению: вольфрам, молибден, некоторые сплавы титана и алюминия. Нагрев проволоки непосредственно в технологическом потоке с волочением производится, как правило, электроконтактным или индукционным методами.
Тепловое волочение - волочение в условиях температур до- или околорекристаллизованного порядка до 500 °С (быстрорежущая сталь).
Низкотемпературное волочение - волочение в интервале температур от - 60 °С до - 180 °С представляет интерес для производства проволоки из высоколегированных сталей с аустенитовой и аустенитно-ферритной структурой, так как способствует повышению стабильности аустенита, повышению пластичности и улучшению механических свойств протянутого металла.

Способы волочения со сниженным коэффициентом трения

Волочение с противонатяжением. Противонатяжение Pq - сила, приложенная к входящему в волоку металлу и направленная в сторону, противоположную направлению волочения. При оптимальном соотношении величин напряжения волочения и напряжения противонатяжения, зависящих от конкретных условий волочения, снижается удельное давление металла в зоне деформации и, как следствие, уменьшаются коэффициент внешнего трения и износ волочильного канала.

Вибрационное волочение – волочение с наложением вибраций на проволоку или волоку, а в некоторых случаях на проволоку и волоку одновременно. При оптимальной частоте вибраций порядка 200-500 Гц усилие волочения может уменьшиться на 35-45% за счет уменьшения коэффициента внешнего трения в зоне деформации.

Волочение через вращающуюся волоку уменьшает коэффициент трения при волочении, но требует дополнительных затрат мощности и специального сложного привода, что ограничивает применение данного метода волочения.

Волочение проволоки через неприводные роликовые волоки существенно снижает коэффициент внешнего трения в зоне деформации, так как при этом способе волочения трение скольжения между поверхностью протягиваемой проволоки и неподвижным волочильным инструментом заменяется трением качения (в опорах роликовой волоки) между проволокой 5 и вращающимися от движущейся проволоки роликовыми волоками 6. Это позволяет увеличить единичные и суммарные обжатия при волочении проволоки из труднодеформируемых металлов и сплавов.
Данный метод применяется также для волочения проволоки периодического и фасонного профиля, во-первых, по вышеизложенной причине, а во-вторых, в связи с меньшими затратами на изготовление роликовой волоки по сравнению с затратами на изготовление аналогичной монолитной фасонной волоки.

Изделия, получаемые волочением проволоки

Метизное производство одна из основных частей металлургического производства.
К метизным изделиям относятся: проволока, канатные изделия, металлокорд, витая арматура для ж/б, металлические сетки, сварочные электроды, лента, пружины, болты, гвозди, винты, шурупы и т.д. Одним из главных видов метизов является проволока, наиболее распространенной формой сечения является круг.

Проволока находит самое широкое применение во всех отраслях промышленности, сельском хозяйстве и других сферах жизни и деятельности человека. Применяется она в виде как готовых изделий (электрические и телеграфные провода, проволока для армирования железобетонных конструкций промышленного и гражданского назначения, обвязочный и упаковочный материал и пр.), так и полуфабриката для производства целого ряда метизов: стальные канаты, сварные и тканые сетки, гвозди, шурупы, детали машин, проволочно-кабельные изделия, для армирования автомобильных шин (бортовая проволока), рукавов высокого давления, осуществления сварочных операций (сварочная проволока, электроды). В последнее время начинает развиваться направление армирования строительных материалов проволокой (фибра) и др.
Проволоку изготовляют в широком ассортименте из самых различных черных и цветных металлов и сплавов, с разными механическими и физико-химическими свойствами. Для каждого вида и размера проволоки требуется определенная технология изготовления и соответствующее оборудование.