2. Твердосплавные волоки

История развития и общие сведения

Kaic уже говорилось ранее, литые и мегаллокерамиче – екпе твердые материалы и твердые сплавы вначале наш­ли применение не в качестве режущих материалов, а материалов для изготовления волок для волочения про­волоки взамен алмазных [82—96].

От материала, предназначенного для волок, в первую очередь требуются высокая твердость, хорошая полируе – мость и износостойкость, т. е. качества, которые опреде­ляют строгое постоянство разменов отверстия [97—99]. Для волок крупного калибра на; яду с вопросом стоимо­сти ужесточается требование в отношении высокой проч­ности и пластичности. По твердости алмаз считается иде­альным материалом для волок. В то же время из-за меньшей прочности и высокой стоимости (в особенности при диаметре отверстия волок свыше 1 мм) алмаз может конкурировать с твердым сплавом только в исключи­тельных случаях.

При протяжке круглых или специальных профилей или при прокатке труб диаметром свыше 10 мм стальные волоки и обоймы еще являются мощными конкурентами твердосплавных [100—105].

В результате расширяющегося внедрения как неразъ­емных, так и составных матриц с твердосплавными встав­ками твердые сплавы все больше вытесняют из этой об­ласти стали.

Существенным преимуществом твердосплавных волок перед волоками из других материалов является значи­тельно большая стабильность их размеров, обусловлен­ная высокой износостойкостью. Отсюда и другие практи­ческие преимущества [106]:

Большая стойкость при волочении проволоки без за­метного увеличения диаметра отверстия; возможность большей скорости волочения; возможность более сильного обжатия; более точное соблюдение размеров тянутой прово­локи;

Более длительное использование волоки без повторно­го контроля;

Менее частая замена волок;

Соответствующая экономия времени на замену воло­чильного инструмента, волочение проволоки и увеличение производительности волочильного стана;

Более блестящая и гладкая поверхность проволоки даже при относительно длительном использовании волок;

Увеличение массы бухты.

Указанные достоинства твердосплавных волок ком­пенсируют более высокую стоимость их изготовления. Особенно это относится к волочильным станам с боль­шим числом проходов, когда особое значение приобрета­ет менее частая замена инструментов.

Изготовление твердосплавных волок

Волоки из литого карбида вольфрама в настоящее время уже не применяют вследствие недостаточной одно­родности по составу или негомогенной структуры (труд­но поддерживать содержание углерода на уровне 3,5— 4,1% без нежелательного выпадения графита и возник­новения пор), а также из-за сильной склонности к трещи – иообразованию и раскалыванию. Однако для горячего волочения молибдена и вольфрама применяют отлитые центробежным способом волоки, имеющие плотную структуру. Металлокерамическим путем можно изготов­лять беспористые и однородные по качеству волоки и матрицы крупных габаритов. Согласно Хиннюберу [98], изменяя содержание кобальта и связанного углерода, можно получать твердость и прочностные характеристи­ки сплавов в широком диапазоне. В основном же для во­лочения проволоки сейчас применяют почти исключи­тельно спеченные или горячепрессованные сплавы типа WC—Ca. Изготовление волок из твердых сплавов произ­водят либо обычным спеканием, либо горячим прессова­нием [87, 90, 98, 107—113]. Согласно обычному металло – керамическому процессу прессуют круглые цилиндры или кольца, из которых после предварительного спекания из­готовляют на небольших токарных станках заготовки волок, которые затем подвергают, подобно другим изде­лиям из твердых сплавов типа WC—Со, спеканию в печи сопротивления с угольной трубой в атмосфере водорода. Пористость можно значительно снизить спеканием в ва­кууме.

Горячее прессование применяют главным образом при изготовлении волок из сплавов с низким содержанием: кобальта или же волок с очень большим диаметром от­верстия [107, 112, 114—116]. При изготовлении волок ма­лого калибра запрессовывают конусовидное очко. Отвер­стия, однако, нужно после высверливать, как и в случае – алмазных волок.

Для более крупных волок и обойм применяют при: горячем прессовании графитовые сердечники. Отверстие внутри твердосплавной волоки при этом сверлить не на­до. Его только нужно после удаления корочки отшлифо­вать до заданных размеров с помощью алмазных инстру­ментов и алмазной крошки.

Для изготовления волок, как правило, используют твердые сплавы WC-Co с 3—13% Со [98, 106, 107, 117]. Сплавы с низким содержанием кобальта (—-3%) изго­товляют преимущественно горячим прессованием, с 94% WC и 6% Со[21]1 — в большинстве случаев обычным спека­нием. Однако крупногабаритные матрицы из сплава с 94% W и 6% Со изготовляют горячим прессованием. Из сплавов типа ВК6 изготовляют волоки и мундштуки диа­метром до 5 мм для обработки цветных металлов. Для волок с наружным диаметром до 120 мм используют сплав с 89% WC и 11% Со*2, а для волок диаметром до 220 мм и выше —сплав с 85% WC и 15% Со*3.

При волочении некоторых материалов, например стальной проволоки, или при горячем волочении молиб­дена и вольфрама в волочильном канале возникает из­нос, сходный с лункообразованием на резцовой пластин­ке при обработке материала, дающего сливную стружку.

Незначительные добавки TiC или TaC (NbC) снижа­ют склонность протягиваемого материала к приварива­нию к волоке. В настоящее время для волочения указан­ных материалов используют в основном твердые сплавы типа WC—TiC—Со следующих составов: 88% WC, 7% TiC, 5%Со или 88% WC, 9% TiC1 3% Со, а также 78% WC, 16% TiC, 6% Со [98].

В табл. 47 приведены основные характеристики твер­дых сплавов, наиболее часто применяющихся для волок.

Характеристики твердых сплавов, применяющихся для волок

Состав сплава (%) и

S

H

Аз t-

S

I

=¦ S

О ж

С в. S

Прочнос – :жатии

Si

Мч

X, *

5 ** H OtjS

SSx

О CXcCL

Способ его изготовления

O О

O

К _ M

Л *

С * ^

S

X

Н»

О S

^

С со

Твердс кГ/мм’

Ss1S 1« – cU

Преде, ти пру кГ/мм

Модул гости,

О ? X

Ч р а с о g

G Ж

-B-Sj;

Фра

О Ei кЕэ

Литой карбид вольф­

-16

1800-

30-40

-200

0,07

Рама…………………………..

4

2000

97WC+3CO, горяче­

15,5

Прессованный. . .

1900

120

600

67 000

0,21

5

94WC + 6CO, спечен­

Ный обычным спосо­

Бом……………………………

14,8

1600

170

500

60 000

0,19

5

94WC + 6C, горяче­

Прессованный. . .

15,1

1650

150

550

62 000

0,19

5

91WC+9CO. . . .

14,7

1500

190

480

59 000

0,18

89WC+ IlCo. . . .

14,2

1400

200

460

58 000

0,16

5,5

87WC+13CO. . . .

14,1

1350

210

450

56 000

0,14

86WC + 5TiC+9Co. .

13,3

1600

160

460

59 000

0,15

5,5

Твердосплавные волоки поставляют либо в виде сы­рых заготовок, либо в готовом виде с обоймой и полиро­ванным каналом (рис. 38 и 39). Размеры вставок для во­лок в настоящее время ограничиваются определенными величинами [87, 93, 115, 118]. Точно так же размеры обойм соответствуют размерам твердосплавных вставок.

Форма вставок может быть цилиндрической или конус­ной. В последнем случае конусность может составлять не более 0,1.

Вставки впаивают, запрессовывают или ввертывают в обойму.

В качестве материала для обойм небольших волок применяют латунь, бронзу или малоуглеродистую сталь,

Рис. 39. Внешний вид заготовок, готовых волок и волочиль­ных плашек

А для волок с большими вставками, как правило,— сталь с пределом прочности при растяжении 60— 70 кГ/мм2.

В особых случаях, например при применении твердо­сплавных вставок для протяжки прутков и труб, обой­мы изготовляют из высококачественных сталей с преде­лом прочности при растяжении, равным около 100 кГ/мм2.

Для изготовления отверстий в твердосплавных воло­ках осуществляют три рабочие операции: сверление, шлифование и полирование до окончательного размера.

Для сверления применяют сначала тупые иглы, а с увеличением глубины отверстия все более острые с тем, чтобы придать отверстиям конусную форму. Минималь­ный, достаточно экономичный диаметр отверстия для волочения молибдена или вольфрама составляет около 0,3 мм, железа и стали 0,3—0,5 мм и других, более мяг­ких проволочных материалов — 0,95 или 0,8 мм.

При шлифовании отверстия волоки создают требуе­мый конус и цилиндрическую направляющую. Так как входной и выходной конусы (см. рис. 38) уже имеют не­обходимую ширину и глубину, а также соответствующий угол, дополнительная обработка конуса является из­лишней.

Большое значение имеет полирование отверстия во­локи, так как от свойств его внутренней поверхности за­висит степень износа и, следовательно, сохранение раз­меров. Полирование производят заостренным деревян­ным стержнем с применением мельчайшей алмазной крошки.

Для волочения круглых или профилированных прут­ков, а также труб диаметром свыше 10 мм применяют твердосплавные волочильные плашки [102, 115]. Обоймы для них должны быть очень прочными с точным соблюде­нием размеров, так как нагрузка, которую им приходится выдерживать, очень большая, в особенности при волоче­нии высокопрочных сталей [119]. Обоймы при волочении прутков необходимо все время охлаждать водой.

Для волочения прутков применяют также съемные четырехгранные, пятигранные и шестигранные волочиль­ные инструменты [92, 117, 120].

Опасность растрескивания вставок цельной конструк­ции уменьшается, если их разделить на сегменты, кото­рые также легче полировать в отдельности.

Применение твердосплавных волок и уход за ними

Кроме технологических свойств, определяемых соста­вом и способом изготовления твердых сплавов, на при­годность, производительность и стойкость волок влияют и другие факторы [106]. К этим факторам относятся в первую очередь: форма и состояние поверхности отвер­стия волоки; уход за волокой в процессе эксплуатации, в особенности полирование и сверление отверстия на больший диаметр; способ волочения и его режим (ско­рость, температура и т. д.); вид и обильность смазки.

Последние исследования показали, что на производи­тельность твердосплавных волок наряду с качеством ма­териала сильно влияет форма и состояние поверхности канала (отверстия) волоки. Волока состоит из входного конуса, конуса волочения, цилиндрической направляю­щей и выходного конуса [85, 87, 93, 99, 121—124].

Рекомендуются следующие размеры отверстий волок (см. рис. 38) [118].

Диаметр отверстия, I1 Диаметр прутка, мм P, град.

TOC \o "1-3" \h \z мм 5 60

1 0,5а 20 40

10 0,3 d 50 30

20 0,2 d Диаметр трубы, мм {S, град

50 0,15^ 10 30

I1=O,2L I3=0,2 L 20 20

Входной конус отверстия волоки предназначен для свободного поступления смазки в смежный волочильный конус. Обычно угол отверстия входного конуса равен 60°.

Волочильный конус представляет собой важнейшую часть отверстия любой волоки, так как именно здесь про­исходит обжатие материала проволоки до меньшего диа­метра. От выбора оптимального угла конуса волочения зависит производительность волоки. С изменением фор­мы конуса усиливается сопротивление деформации, а это в свою очередь увеличивает трение и повышает давление на стенки отверстия. В результате этого усиливается из­нос, и отверстие разрабатывается быстрее.

Таблица 48

О)

«я

«I

И S

С S

С) О. f – о

О-е

Угол волочения твердосплавных волок в зависимости от степени деформации обрабатываемых материалов

Угол волочения, град., при протяжке

 

Железа

Стали

О'< loo

КГ/мм1

Стали

Ors > 100 кГ/мм’

Алюминия

Меди

Латуни

 

40

23

18

15

_

_____

_

35

19

15

12

32

22

18

30

15

12

10

26

18

15

25

12

9

8

21

15

12

20

9

7

6

16

11

9

15

7

5

4

11

8

6

10

5

3

2

7

5

4

В табл. 48 приведены оптимальные величины угла во­лочения различных материалов в зависимости от степени деформации [115].

Цилиндрическая направляющая удлиняет срок сохра­нения диаметра отверстия [125]. Длина ее должна нахо­диться в определенном соотношении к диаметру отвер­стия волоКи.

Выходной конус должен быть достаточно глубоким, чтобы непосредственно нагружаемые при волочении час­ти отверстия находились во внутренней части вставки волоки. Кроме того, этот конус способствует отводу теп­ла, выделяющегося при волочении. Угол конуса, как пра­вило, равен 90°.

Конус волочения и цилиндрическая направляющая нагружаются непосредственно при волочении и изнаши­ваются вследствие трения и давления. Входной и выход­ной конусы не подвергаются давлению волочения и, сле­довательно, как правило, не изнашиваются и не претерпе­вают изменений. Размеры входного и выходного конусов рекомендуется выбирать такими, чтобы не требовалась их дальнейшая обработка при переточке конуса волоче­ния и цилиндрической направляющей.

129

При формировании волочильного канала следует раз­личать первоначальную форму, определяемую поставщи­ком для условий волочения в производственных услови­ях, и форму, получающуюся после дополнительной обра­ботки. Во время работы в отверстии волоки наряду с равномерным истиранием возникает также сильный износ вследствие приваривания обрабатываемого материала к материалу волоки [126]. В результате периодического от­рыва этих приваренных мест структура, полученная при спекании, оказывается нарушенной за счет выкрашива­ния карбидных зерен. Как уже упоминалось выше, воз­никает картина износа, аналогичная лункообразованию на твердосплавных резцах при обработке металлов, да­ющих сливную стружку [127]. Вырванные частицы твер­дого сплава, вдавливаясь в обрабатываемый материал (проволоку), повреждают при волочении в несколько проходов не только первую, но и следующие волоки, об­разуя риски. Склонность к привариванию можно значи­тельно уменьшить введением в твердые сплавы WC—Со добавочных карбидов, например TiC или TaC (NbC), изменением технологического процесса (горячее прессо­вание) и в особенности тщательным уходом за отверсти­ем волоки. Рекомендуется чаще очищать канал волоки от приваренного материала путем полирования каким-либо

9—699

Шлифующим средством, не воздействующим на материал волоки [98]. Если отверстие волоки в результате сильного износа уже не соответствует заданным размерам, то его развертывают на больший диаметр шлифованием и поли­рованием [128]. Ни в коем случае нельзя при шлифовании ограничиваться только цилиндрической частью отвер­стия. Оно при этом удлиняется, что приводит к значи­тельному повышению усилия волочения вследствие воз росшего трения. В результате этого износ увеличивается. Нельзя также обрабатывать только волочильный конус, так как при этом укорачивается или даже совсем исчеза­ет цилиндрическая направляющая. Очень важно при переточке расширить как канал волочения, так и цилин­дрическую направляющую, сохраняя оптимальный для данного обрабатываемого материала угол волочения [93, 125, 129—131].

Для проверки формы и размеров отверстия (канала) волоки, что особенно трудно при небольших диаметрах отверстия, разработаны многочисленные методы и конт­рольно-измерительные приборы, описанные в работах [85, 92, 124, 132—138].

О других факторах, играющих существенную роль при волочении проволоки твердосплавными волоками (вид волочения, скорость, температура и в особенности смазка [106, 139]), упомянуто в специальной литературе [137, 140, 141].

О применении твердосплавных волок, в особенности о выборе твердых сплавов соответствующих марок, о их производительности и углах волочения опубликована многочисленная литература с несколько расходящимися данными в отношении производительности волок [97, 110, 123, 125, 142—149]. В зависимости от протягиваемого ма­териала, способа протяжки и условий волочения твердо­сплавные волоки могут дать в 30—200 раз большую про­изводительность, чем обычные волоки. Соотношение про­изводительности тем выше в пользу твердосплавных волок, чем сильнее изнашивает волоки протягиваемый ма­териал (например, при протягивании высоколегирован­ных хромоникелевых сталей или в особенности железо – алюминиевой и железохромоалюминиевой проволоки для нагревателей с твердым корундовым покрытием). При уолочении стальной проволоки производительность твер­досплавных волок почти в 400 раз больше производитель­ности стальных волок [150]. Это подтверждает рис. 40. При волочении прутков из стали малой прочности (до 70 кГ/мм2) можно, применяя твердосплавные волочиль­ные плашки и повышая тем самым скорость волочения с 6 до 12 и даже до 22 м/мин, добиться очень высокой произ­водительности.

Опыты показали, что износ твердосплав­ных инструментов при волочении прутковой стали сильно зависит от выбора смазочно­го средства [151].

Значительная из­носостойкость твердо­сплавных волочильных плашек обеспечивает наибольшую однород­ность протягиваемого материала и высокую производительность, ко­торая для круглых прутков среднего диа­метра уже во много раз превысила ранее установленный предел (1000 Т) [102]. При волочении легирован­ных конструкционных сталей прочностью 90—110 кГ/мм2 иногда возникают трудности из-за растрескивания

Сильно нагружаемых волочильных плашек. Решение этого вопроса требует дальнейших исследовательских работ.

О ‘ / г з 4 S S

Диан Emр Продолони, мп

Рис. 40. Сравнение производитель­ности твердосплавных волок и во­лок из хромистой стали (2,5— 3% Cr):

А — твердосплавные волоки; б — волоки из хромистой стали; /—проволока из стали с Ob =50 кГ/мм!, волочение 3,5 Л/сек; 2 — проволока из стали с Ob= = 70 кГ/мм2, волочение 2 м/сек; 3 — про­волока из стали с Ctb=50 кГ/мм2, воло­чение 2 м/сек; 4 — проволока из стали С О =70 кГ)мм"\ волоченне I MjceK

9*

131

Обоймы должны быть очень прочными, а их размеры точно соответствовать заданным во избежание даже не­значительного расширения вставок под действием высо­кого давления волочения. Начальная скорость волочения не должна превышать 12 м/мин, так как в противном случае нагревание, связанное с высокими напряжениями сжатия, может привести к преждевременному растрески­ванию плашек. Установлено, что даже при волочении улучшенных специальных прутковых сталей износ воло­чильных плашек незначителен. Если бы удалось сконст­руировать соответствующие волочильные инструменты, то, учитывая незначительную стойкость стальных воло! при волочении высокопрочных сталей, можно было бы расширить область применения твердосплавных волок.