Технология производства прутков
Теоретическое введение.
Волочение — обработка металлов давлением, при которой изделия (заготовки) круглого или фасонного профиля (поперечного сечения) протягиваются через отверстие, сечение которого меньше сечения заготовки.
При обработке металлов волочением заготовка протягивается через соответствующее отверстие в волочильном инструменте (волоке, фильере). При этом площадь поперечного сечения исходной заготовки уменьшается, а длина увеличивается (рис. 1).
Рис. 1. Схема волочения трубы (а) и примеры профилей,
Получаемых волочением (б)
Волочением обрабатывают стали, медь и ее сплавы, алюминий и его сплавы, как правило, в холодном состоянии.
Волочение широко применяется для производства: проволоки от 0,1 до 8 мм в диаметре; калиброванного металла и точного фасонного профиля; труб повышенной точности от малых диаметров (капилляров) до 200 мм в диаметре, стальных калиброванных прутков диаметром от 3 до 150 мм.
Благодаря неразъемному инструменту (фильере, волоке), волочение обеспечивает более высокую точность размеров, чем прокатка: стальная проволока диаметром 1–1,6 мм имеет допуск на диаметр 0,02 мм.
Рис. 2. Фильера (волока)
Для обеспечения высоких требования к износостойкости и прочности матриц волоки изготовляют из углеродистых и легированных инструментальных сталей (У8А–У12, ШХ15, Х12М и др.); вольфрамо-кобальтовых твердых сплавов (ВК2, ВК3, ВК6, ВК8); из технических сортов алмазов для волок малого (до 0,6 мм) диаметра.
Угол деформирующего конуса назначается с учетом материала и профиля: 
– при волочении сплошных профилей и 
– при деформировании труб;
Отношение диаметров малоуглеродистой стальной проволоки до и после волочения относительно невелико и находится в пределах 1,1–1,3. Однако при этом вследствие малых углов a длина деформирующего конуса примерно на порядок больше разности радиусов проволоки до и после волочения. Так, например, при R=7 мм, r=6,25 мм, и a=5° длина деформирующего конуса должна быть:
.
Ширина калибрующего пояска во избежание повышения температуры и сил назначается небольшой (в данном примере около 0,5– 1,0 мм). Для уменьшения трения, износа и повышения качества поверхности цилиндрическая поверхность калибрующего пояска полируется.
Волочильные станы
Машины, служащие для обработки металлов волочением, называются волочильными станами.
Волочильные станы состоят из двух основных элементов: матрицы, называемой фильерой (или волокой), и тянущего устройства.
По способу осуществления тянущего усилия волочильные станы могут быть:
1) с прямолинейным движением (цепные, рис. 3, реечные, винтовые);
2) с наматыванием обрабатываемого металла (барабанные) (рис. 4).
Станы с прямолинейным движением применяются для волочения прутков, труб и прочих изделий, не подвергаемых сматыванию в бунты.
Рис. 3. Схема цепного волочильного стана:
1– заготовка, 2 – волока, 3 – клещи, 4 – волочильная каретка, 5 – крюк,
6 – цепь, 7 – ведущая звездочка, 8 – станина, 9 – электродвигатель
В цепных волочильных станах (рис. 3), применяемых для волочения прутков, профилей и труб длиной 8–10 м, усилие создается бесконечной шарнирной цепью 6, за звенья которой зацепляется крюк 5 волочильной каретки 4. Каретка имеет самозахватывающие клещи 3, с помощью которых материал 2 протягивается сквозь матрицу 7, прикрепленную к кронштейну 8 станины 1; каретка передвигается по направляющим станины 1. Двигаясь вместе с цепью, каретка увлекает за собой захваченный клещами пруток 2. Шарнирная цепь получает движение от электромотора с редуктором через ведущую звездочку.
Цепные волочильные станы изготавливаются с усилием тяги 5–500 кН, что позволяет протягивать прутки начальным диаметром до 150 мм и трубы диаметром до 200 мм. Скорость волочения на них от 0,1 до 1,25 м/с, а число одновременно протягиваемых прутков до 10.
Станы с наматыванием металла в бунты применяются для волочения проволоки и некоторых специальных профилей и труб небольшого диаметра. В барабанных станах (рис. 3.34) усилие волочения создается вращающим барабаном, на котором с помощью клещевого захвата закрепляется конец протягиваемой проволоки. Эти станы применяются обычно для волочения длинной проволоки диаметром 0,02–6 мм и прутков диаметром до 16 мм, наматываемых в бунты на ведущий барабан. Такие станы могут иметь один барабан для однократного волочения проволоки через одну матрицу или несколько последовательно расположенных барабанов и матриц для многократного волочения.
Рис. 4. Схема барабанного волочильного стана:
1,3 – барабаны, 2 – волока, 4 – редуктор
В станах многократного волочения проволока наматывается полностью на последний барабан, а на промежуточные барабаны наматывается лишь несколько витков проволоки, которая одновременно сматывается с одной части барабана и наматывается на другую его часть. Диаметры барабанов обычно находятся в пределах 150–1000 мм. Скорость волочения проволоки на барабанных волочильных станах в зависимости от диаметра и материала проволоки может быть в пределах от 1,5 до 40 м/с.
У современных волочильных станов с целью увеличения скорости и, следовательно, производительности волочения значительно увеличивают длину волочения. Однако увеличение скорости волочения является только одним из факторов, способствующих увеличению производительности станов. Для повышения производительности волочильных цепных станов в современных конструкциях предусматривают: многопрутковое волочение, механизированный возврат тележки, автоматический захват прутков и автоматическое зацепление крюка, механизированное сбрасывание прутков со стана на стеллажи, принудительную подачу прутков в волоки пневматическими, гидравлическими или механическими выталкивателями, исключающими необходимость заострения концов прутков.
Многопрутковое волочение является одним из наиболее эффективных способов увеличения производительности волочения станов. Число одновременно протягиваемых прутков в станах новейших конструкций достигает 10. Наибольшее распространение получили многопрутковые станы с горизонтальным расположением волок. Такое расположение принимается, когда количество волок не превышает пяти; при большем их количестве применяют вертикальное расположение.
Технология производства прутков.
Для производства стальных прутков наиболее целесообразно использовать бунтовой подкат, что позволяет значительно увеличить производительность волочильных станов, снизить до минимума отходы металла на утонение концов прутков, намного сократить объем работ в травильных и подготовительных отделениях калибровочных цехов.
Применение бунтового горячекатаного подката дает возможность поставлять машиностроительным заводам калиброванную сталь в бунтах и прутках. В калибровочных цехах технологические операции рассчитаны на обработку бунтов, которые после волочения разрезают на прутки заданной длины. Исходным материалом также служат горячекатаные прутки.
При работе на прутковом подкате длина прутков должна быть максимально возможной, что определяется в основном рабочей длиной волочильных цепных станов, длиной ванн в травильных отделениях, и подин печи в термических отделениях. От длины подката в значительной степени зависят технико-экономические показатели работы цеха. Чем больше длина прутка, тем с большей эффективностью работает оборудование, выше производительность труда, лучше используются основные фонды, меньше расходуется металла.
Современные цепные волочильные станы оборудованы приспособлением для задачи конца прутков в волоку без острения. В тех случаях, когда по диаметру прутка или по прочностным характеристикам металла задать в волоку конец без уточнения нельзя, то передний конец прутка обтачивают на острильных станках, подвергают ковке на ротационно-ковачной машине или обкатке на обжимных вальцах.
Дальнейшие технологические операции определяются сортаментом и химическим составом подката. Подкат из углеродистых, автоматных и низколегированных сталей направляют на травление. Прутки высоколегированных сталей перед травлением подвергают термической обработке для умягчения металла, а также для обеспечения заданной структуры стали. Травление металла является одной из важнейших технологических операций, определяющих качество калиброванной стали и условия волочения прутков.
Для интенсификации процесса травления, снижения расхода кислоты и уменьшения потерь металла перед травлением прутки подвергают дополнительной обработке.
Если горячекатаный подкат направляют на отжиг, то в процессе охлаждения садки при 600-650 °С металл подвергают быстрому охлаждению в воде. При этом окалина на поверхности прутков растрескивается, и значительная часть её отделяется от прутка. При последующей правке на роликоправильной машине термически обработанных прутков (для придания им необходимой прямолинейности) происходит дополнительное удаление окалины с поверхности.
Окалину с прутков удаляют и механическим способом во вращающихся барабанах. Эффективный результат дает обработка прутков в дробеметной машине. Под действием ударов дроби окалина на поверхности подката разрыхляется и удаляется. После такой обработки необходимость в дополнительном травлении отпадает, однако в ряде случаев все-таки прибегают к кратковременному травлению прутков в кислотных растворах.
Для удаления с поверхности протравленного подката частиц окалины, травильной присадки, солей и грязи его промывают в горячей, а затем в холодной воде.
После промывки подкат выдерживают в травильном отделении, чтобы его поверхность покрывалась тонкой оксидной пленкой, которая способствует прилипанию смазки к металлу в процессе волочения. Этот процесс называется желтением. Если прутки после травления подвергают зачистке, то желтения не проводят, а протравленный металл подвергают нейтрализации. Зачистку прутков с поверхностными дефектами осуществляют на специальных станках или на подвесных наждаках. Условия волочения подката устанавливают в зависимости от марки стали, размера прутков и требований, предъявляемых к готовой калиброванной стали. От величины обжатия металла при волочении прутков зависят механические и физические свойства, качество поверхности калиброванной стали, расход энергии на волочение и стойкость волочильного инструмента.
Кривизну прутков после волочения устраняют правкой на правильных машинах. Часть калиброванных прутков преимущественно из высоколегированных сталей после правки шлифуют. В зависимости от требований, предъявляемых к калиброванной стали, применяют двукратную термическую обработку – отжиг подката и калиброванных прутков – или однократную термическую обработку – отжиг горячекатаного подката или отжиг калиброванного металла.
В результате отжига снимаются напряжения, приобретается необходимая твердость и частично или полностью восстанавливаются прочностные характеристики стали, а также достигается необходимая структура металла.
После сортировки и контроля (объём этих операций определяется требованиями, предъявляемыми к готовой продукции) металл смазывают, упаковывают и отгружают потребителям.