Волочение

Волочение — это технологический процесс обработки металлов давлением, при котором заготовка (пруток, проволока, труба) протягивается через сужающееся отверстие в инструменте (волоке, фильере), в результате чего её поперечное сечение уменьшается, а длина увеличивается. Волочение относится к одному из основных видов обработки металлов и применяется для получения изделий точных размеров, с гладкой поверхностью и улучшенными механическими свойствами.

История

Процесс волочения известен человечеству с древнейших времён. Первоначально он использовался для изготовления тонкой проволоки из золота, серебра и меди, из которой создавали ювелирные украшения, цепочки и элементы декора. Археологические находки свидетельствуют, что волочение применялось в Древнем Египте, Месопотамии и Древней Греции. Ручное волочение осуществлялось с помощью простейших приспособлений — плоскогубцев или рычажных устройств, которыми мастер протягивал металлический пруток через отверстие в каменной или металлической плите.

В Средние века технология совершенствовалась. В Европе появились первые водяные приводы для волочильных станов, что позволило механизировать процесс и увеличить производительность. Особое развитие волочение получило в эпоху промышленной революции XVIII–XIX веков. Изобретение паровых машин и создание прокатных станов позволили перейти к массовому производству проволоки и катанки. В России первые волочильные производства возникли на Урале в XVIII веке, где изготавливали проволоку для нужд горнозаводской промышленности.

В XX веке волочение стало одним из ключевых процессов в металлургии и машиностроении. Разработка новых марок сталей, сплавов и твёрдых сплавов для волок позволила значительно расширить номенклатуру волочёных изделий и повысить их качество. Современные волочильные станы оснащаются системами автоматического контроля, непрерывной подачи смазки и многократного волочения.

Классификация волочения

Волочение классифицируется по нескольким признакам.

По типу заготовки и готового изделия

• Волочение проволоки — наиболее распространённый вид. Изготавливается проволока диаметром от нескольких микрометров (микропроволока) до 10–12 мм. Исходной заготовкой служит катанка, полученная на прокатном стане.
• Волочение прутков — применяется для получения круглых, квадратных, шестигранных и фасонных прутков диаметром до 100 мм и более. Используется в машиностроении для изготовления валов, осей, деталей крепежа.
• Волочение труб — позволяет уменьшать диаметр и толщину стенки труб, а также изменять их форму (круглые, профильные). Трубы волочат на оправке (для уменьшения диаметра с сохранением внутреннего отверстия) или без оправки (для сплошных прутков).

По температуре процесса

• Холодное волочение — проводится при комнатной температуре. Обеспечивает высокую точность размеров (до 6–8 квалитета), чистоту поверхности (шероховатость Ra 0,4–1,6 мкм) и упрочнение металла (наклёп). Применяется для большинства видов проволоки, прутков и труб из стали, цветных металлов и сплавов.
• Горячее волочение — осуществляется при температуре выше температуры рекристаллизации металла. Используется реже, в основном для труднодеформируемых сплавов или для получения заготовок большого сечения, которые затем подвергаются холодному волочению.

По числу переходов

• Однократное волочение — заготовка протягивается через одну волоку за один проход. Применяется для получения изделий с небольшим обжатием или для калибровки.
• Многократное (непрерывное) волочение — заготовка последовательно проходит через несколько волок с постепенным уменьшением сечения. Используется для массового производства тонкой проволоки. Современные многократные станы могут иметь до 20–30 волок.

Устройство и принцип работы

Основным инструментом при волочении является волока (фильера). Волока представляет собой деталь из твёрдого износостойкого материала (твёрдый сплав, алмаз, керамика) с коническим отверстием, которое имеет три основные зоны:

• Входная (смазочная) зона — коническая часть, куда подаётся смазка и где начинается деформация металла.
• Рабочая (калибрующая) зона — цилиндрическая часть, задающая окончательный размер и форму изделия.
• Выходная зона — небольшой конус, облегчающий выход изделия и снижающий трение.

Процесс волочения осуществляется на волочильных станах. Основные элементы стана:

• Разматыватель — устройство для подачи заготовки (бухты проволоки, прутка).
• Волокодержатель — приспособление для фиксации волоки.
• Тянущее устройство — механизм, создающий усилие для протягивания заготовки через волоку. Обычно это барабан (для проволоки) или цепная/реечная тележка (для прутков и труб).
• Смазочная система — подаёт технологическую смазку в зону деформации для снижения трения и отвода тепла.

Перед волочением заготовку подвергают подготовке: очистке от окалины (травлением, дробеструйной обработкой), нанесению подсмазочного слоя (фосфатирование, известкование) и, при необходимости, термической обработке (отжиг) для снятия внутренних напряжений.

Материалы и инструменты

Для изготовления волок используются материалы с высокой твёрдостью и износостойкостью:

• Твёрдые сплавы (карбид вольфрама с кобальтовой связкой) — наиболее распространены для волочения стальной и медной проволоки средних диаметров.
• Алмаз (природный или синтетический) — применяется для волочения тонкой и сверхтонкой проволоки (диаметром менее 0,1 мм), а также для обработки твёрдых и абразивных материалов.
• Керамика (оксид алюминия, нитрид кремния) — используется для волочения в условиях высоких температур и агрессивных сред.

Технологические смазки подбираются в зависимости от материала заготовки и режима волочения. Для стали применяют мыльные порошки, эмульсии, масла; для цветных металлов — парафин, воск, специальные смазки на основе жиров.

Применение

Волочёные изделия широко используются в различных отраслях промышленности:

• Электротехника и электроника — медная и алюминиевая проволока для обмоток электродвигателей, трансформаторов, кабелей и проводов.
• Строительство — арматурная проволока, канаты, сетки, гвозди, шурупы, болты.
• Машиностроение — прутки и трубы для изготовления деталей машин, подшипников, пружин, гидроцилиндров.
• Медицина — тонкая проволока для стентов, хирургических игл, ортодонтических дуг.
• Ювелирное дело — золотая, серебряная и платиновая проволока для филиграни, цепочек, оправ.
• Автомобильная промышленность — тросы, тяги, пружины, детали топливной аппаратуры.

Преимущества и недостатки

Основные преимущества волочения:

• Высокая точность размеров и формы изделий.
• Чистая, гладкая поверхность без дефектов, характерных для прокатки.
• Улучшение механических свойств металла за счёт наклёпа (повышение твёрдости и прочности).
• Возможность получения изделий очень малого сечения (микропроволока).
• Высокая производительность и автоматизация процесса.

Недостатки:

• Высокий износ инструмента (волок), особенно при волочении твёрдых материалов.
• Необходимость многостадийной обработки и промежуточных отжигов для снятия наклёпа при больших обжатиях.
• Ограничения по форме поперечного сечения (в основном круглые, квадратные, шестигранные, простые фасонные профили).
• Значительные энергозатраты на создание тянущего усилия.

Волочение в России

В Российской Федерации волочение является важной отраслью металлообработки. Крупные производители волочёной продукции расположены в Центральном, Уральском и Сибирском федеральных округах. Основные предприятия: «Северсталь-метиз» (Череповец), «ММК-МЕТИЗ» (Магнитогорск), «Белорецкий металлургический комбинат» (Башкортостан), «Камский кабель» (Пермь). В России выпускается широкий ассортимент стальной, медной, алюминиевой проволоки, а также прутков и труб из различных марок стали и сплавов. Развитие технологии волочения в стране связано с внедрением современных многократных станов, повышением качества волок и совершенствованием смазочных материалов.

Источники

• Материаловедение: учебник для вузов / под ред. Б. Н. Арзамасова. — М.: Машиностроение, 2008.
• Технология обработки металлов давлением: учебное пособие / В. А. Ковка, А. Г. Колесников. — М.: Металлургия, 2015.
• ГОСТ 14955-77. Проволока стальная. Технические условия.
• Большая советская энциклопедия. — 3-е изд. — М.: Советская энциклопедия, 1971. — Т. 5.
• Обработка металлов давлением: справочник / под ред. Е. И. Семёнова. — М.: Машиностроение, 1987.