СПОСОБ ВОЛОЧЕНИЯ ПРОВОЛОКИ С ПРИМЕНЕНИЕМ КОЛЕБАНИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК B21C1/00 B21C3/00 

Изобретения относятся к области обработки металлов давлением, конкретно к технологии и оборудованию для волочения проволоки с применением колебаний.

Из теории волочения известно, что процесс волочения, проводимый с возбуждением взаимных колебаний инструмента и заготовки, характеризуется более высокой эффективностью, позволяет интенсифицировать обжатия и повысить производительность (Перлин И. Л., Ерманок М.З. Теория волочения. - М.: Металлургия, 1971, с.87-91) [1].

Известен способ волочения проволоки с применением колебаний (авт.св. СССР, 167483, B 21 C 1/00, 1965) [2], в котором колебания ультразвуковой частоты возбуждаются в волочильном инструменте (волоке).

Известны также устройства для волочения проволоки с применением колебаний (авт. св. СССР 158555, B 21 C 3/00, 1963) [3], в которых волочильный инструмент снабжен вибратором, волноводом и концентратором, в котором он установлен.

Возбуждение колебаний непосредственно в волочильном инструменте, хотя и достаточно эффективно с точки зрения воздействия колебаний на очаг деформации, однако связано со значительным усложнением конструкции волочильного узла. Выбор оптимальной частоты колебаний для системы проволока - инструмент также связан как с теоретическими, так и с практическими трудностями; последние обусловлены необходимостью иметь дополнительно преобразователь частоты колебаний или источник колебаний регулируемой частоты, что еще более усложняет конструкцию. Эти трудности усугубляются тем, что установление оптимальной частоты колебаний требует определения собственной частоты системы инструмент - проволока, включая сюда и весь узел инструмента с устройствами возбуждения колебаний. Теоретически такое определение весьма затруднительно.

Более простым и практичным представляется известный способ волочения проволоки с применением колебаний, в котором колебания возбуждаются непосредственно в проволоке (авт.св. СССР, 850248, B 21 C 1/00, 1981) [4]. Из этого же источника известно устройство для волочения проволоки с применением колебаний, которое включает волочильный инструмент и вибратор, воздействующий на проволоку. Указанные способ и устройство являются ближайшими аналогами изобретений в части способа и устройства для его осуществления.

Как уже указано, взаимодействие источника колебаний непосредственно с волочимой проволокой позволяет упростить конструкцию узла волочильного инструмента, а также повысить эффективность проникновения смазки в очаг деформации за счет динамического воздействия на нее колеблющейся проволоки перед очагом деформации. Однако, способу и устройству [4] присущи недостатки, связанные с использованием ультразвуковых источников колебаний, которые хотя и дают необходимую высокую частоту колебаний, но требуют специальной аппаратуры, а проблема определения оптимальной для системы частоты колебаний и настройки источника именно на эту частоту остается нерешенной. Кроме того, мощность источников ультразвуковых колебаний (УЗК) относительно невелика и в ряде случаев может быть недостаточна для эффективного воздействия на очаг деформации.

С точки зрения уровня подводимой мощности, механические источники колебаний предпочтительнее ультразвуковых, однако, сообщаемая ими частота колебаний, которая может быть практически реализована, на 1-2 порядка меньше частоты УЗК, что не отвечает требованиям.

Задачей изобретений является обеспечение сочетания высокой частоты колебаний проволоки с достаточной мощностью, подводимой к очагу деформации, а также получение в спектре колебаний гармоник оптимальной частоты за счет самопроизвольного их возникновения, без специальной настройки источника колебаний и без предварительного определения этой частоты.

Указанная задача решается в части способа тем, что в способе волочения проволоки с применением колебаний, включающем наложение колебаний на проволоку до очага деформации и собственно волочение, согласно изобретению, проволоку до очага деформации отклоняют с натяжением от оси волочения, сообщая ей круговое движение по биконической поверхности, а наложение колебаний на проволоку осуществляют путем повторяющегося ударного поперечного воздействия на нее при круговом движении.

Указанная задача в части устройства для осуществления способа решается тем, что устройство, содержащее волочильный инструмент и источник колебаний проволоки, согласно изобретению, снабжено средством противонатяжения проволоки и диском с эксцентриковой проводкой и приводом вращения вокруг оси волочения, с возможностью сообщения участку проволоки между средством противонатяжения и волочильным инструментом кругового движения по биконической поверхности, а источник колебаний проволоки выполнен в виде жесткой невращающейся ограничительной рамки с центром на оси волочения, внутренний некруглый контур которой многократно пересекает биконическую поверхность.

Кроме того, внутренний контур рамки может иметь форму многоугольника.

Кроме того, рамка может быть снабжена пружинной подвеской и установлена с возможностью свободных колебаний в плоскости, перпендикулярной оси волочения.

Кроме того, внутренний контур рамки может быть образован образующими роликов, оси которых лежат в плоскости, перпендикулярной оси волочения, и которые установлены с возможностью вращения вокруг своих осей.

Кроме того, источник колебаний проволоки может быть расположен между диском с эксцентриковой проводкой и волочильным инструментом.

Кроме того, источник колебаний проволоки может быть установлен на расстояниях соответственно a от диска и b от волочильного инструмента, отвечающих соотношению a/b = b/(a + b).

Кроме того, устройство может быть снабжено одним или более дополнительными источниками колебаний, выполненными той же конструкции и расположенными между первым источником колебаний и волочильным инструментом, причем каждый последующий дополнительный источник колебаний размещен на расстояниях соответственно: a от предшествующего источника колебаний и b от калибрующей шейки волочильного инструмента, отвечающих соотношению a_i/b_i = b_i/(a_i + b_i).

Круговое движение натянутой проволоки на участке от средства противонатяжения до волочильного инструмента осуществляется при вращении диска с эксцентриковой проводкой, и частота этого движения ограничена частотой вращения диска, которая относительно невелика и определяется возможностями механического привода. При наличии в диске эксцентриковой проводки для проволоки, последняя отводится этой проводкой от оси протяжки на величину эксцентриситета, и при этом возникает поперечная составляющая усилия натяжения, стремящаяся вернуть проволоку в исходное положение. Таким образом, на участке от средства противонатяжения до волоки, натянутая проволока представляет собой колебательную систему - струну с пластическим шарниром в очаге деформации в волоке.

Такая колебательная система характеризуется собственными частотами колебаний, зависящими от величины натяжения и такими, что на длине струны укладывается целое число полуволн.

Как известно, круговые колебания представляют собой суперпозицию двух когерентных, ориентированных взаимно перпендикулярно гармонических колебаний с разностью фаз π/2 . Эти вынужденные колебания в общем случае не совпадают по частоте с частотой собственных колебаний системы, к тому же последняя не остается стабильной вследствие случайных изменений натяжения проволоки. Таким образом, общая картина колебаний представляет собой сложную совокупность взаимно наложенных гармоник. Если на проволоку дополнительно воздействовать ударными поперечными нагрузками, которые естественным образом возникают при столкновении проволоки в процессе кругового движения с механическим препятствием, общая картина гармонических колебаний нарушается. Однако любая картина негармонических колебаний представляет собой суперпозицию гармонических колебаний различных частот (основной и дополнительных гармоник), что может быть описано с помощью рядов Фурье.

Согласно изобретению, такой струной является указанный участок протягиваемой проволоки, а препятствием, искажающим гармонические составляющие вынужденных круговых колебаний, является рамка, ограничивающая величину поперечных смещений проволоки и искажающая характер колебаний струны.

Так как жесткая рамка размещена между устройством противонатяжения и волокой, т.е. в пределах пучности, форма внутреннего контура ее сечения отлична от окружности с центром на оси волочения, а внутренний контур рамки выполнен пересекающимся с поверхностью, образованной проволокой при ее круговом движении и имеющей биконическую форму, при таком пересечении, т.е. при столкновении совершающей круговое движение проволоки с внутренним контуром рамки, возникают ее (проволоки) поперечные смещения, при этом оказывает ударное воздействие на струну. Таким образом, по указанному протягиваемому участку проволоки, совершающему, в простейшем случае, круговое движение по биконической поверхности с вершинами в волоке и в средстве противонатяжения, от ограничительной рамки будут распространяться вторичные волны более высоких частот и частично поглощаться в волоке и устройстве противонатяжения. Многократное отражение вторичных волн от концов струны приведет к установлению хаотического характера колебаний. Необходимое требование жесткости контура ограничительной рамки обусловлено тем, что возбуждение в натянутой проволоке вторичных волн наиболее высоких частот требует кратковременности (резкости) процессов ударного взаимодействия проволоки с ограничительной рамкой.

Таким образом, при взаимодействии колеблющейся с низкой частотой проволоки с ограничительной рамкой происходит возбуждение в принципе бесконечного ряда более высоких частот, в том числе высоких ультразвуковых, причем верхняя граница частотного спектра колебаний определяется характером поглощения и рассеивания высоких У3-частот на неоднородностях материала проволоки. Внешне это проявляется в хаотичном виде картины колебаний, когда отсутствуют четко выраженные промежуточные узлы и пучности, и в появлении характерного дребезга. При этом на очаг деформации воздействуют все имеющиеся частоты колебаний, в том числе и низкие, при этом основная частота, соответствующая частоте вращения диска, а также ближайшие к ней гармоники способствуют улучшению условий захвата и подачи смазки, а более высокие, в т. ч. близкие к ультразвуковым частоты улучшают условия деформирования, внося в очаг деформации быстропеременные напряжения, облегчающие дополнительные сдвиги, повышающие пластичность и позволяющие снизить усилия деформирования.

Таким образом, проволока на входе в волоку совершает сложное колебательное движение, характеризуемое не одной какой-то частотой, а некоторым спектром, включающим основную частоту и высшие гармоники, и вероятность того, что неизвестные оптимальные значения частот найдутся в этом спектре, значительно увеличивается. За счет этого процесс волочения становится еще более устойчивым, повышаются пластичность материала проволоки и стойкость волочильного инструмента, появляется возможность повышения величин обжатия и скорости волочения.

Кроме того, наличие в процессе работы ударных взаимодействий проволоки с ограничительной рамкой, а также высокочастотных колебаний, обусловливают то, что проволока на различных своих участках подвержена большим ускорениям и, следовательно, воздействию больших инерциальных сил. При этом возможные пылевидные загрязнения, имеющиеся на проволоке, например, оставшиеся после механического удаления окалины пылевидные ее остатки, связанные с поверхностью проволоки, главным образом, магнитными силами, обусловленными спонтанной намагниченностью стали, стряхивается в воздушную среду и не попадает в узел смазывания и волочения, что, в свою очередь, также повышает износостойкость волочильного инструмента и, тем самым, также ведет к повышению производительности за счет сокращения времени замены волок, и качества за счет повышения точности диаметра проволоки.

В процессе возбуждения колебаний в проволоке происходит наложение на очаг деформации разночастотных - от низких (50 Гц) до высокочастотных (более 20 кГц) знакопеременных напряжений.

Можно заметить, что существует некоторая оптимальная мощность, передаваемая проволоке при возбуждении в ней колебаний. Если действительная мощность значительно меньше оптимальной, ее может быть недостаточно для эффективного воздействия на очаг деформации. Если же действительная мощность значительно превышает указанную оптимальную, это может отрицательно сказаться на проволоке и в отдельных случаях привести к ее разрыву. Такая ситуация наиболее вероятна, когда колебательная система входит в резонанс, и энергия колебаний ее собственных частот начинает аккумулироваться в проволоке, что протекает следующим образом.

В скором времени после начала описываемого процесса, среди высших частот колебаний, возбуждаемых ограничительной рамкой, в колебательной системе начинают преобладать такие частоты, для которых на соответствующем участке проволоки укладывается целое число полуволн. Такие частоты являются кратными собственной частоте струны (резонансными) и энергия их может накапливаться, особенно при большой относительной длине струны, что может привести к возрастанию их амплитуд и появлению стоячих волн с четкой картиной пучностей и узлов. При этом проволока будет прижиматься к контуру ограничивающей рамки и ее сечение будет огибать контур без явно выраженного ударного взаимодействия, и эффективность возбуждения высоких частот, некратных собственным частотам, снизится. Вся энергия колебаний сконцентрируется на собственной резонансной частоте и ряде кратных ей. Амплитуда колебаний будет возрастать вплоть до повреждения и обрыва проволоки.

С целью исключения этого явления ограничительная рамка может быть установлена на расстояниях a от средства противонатяжения и b от калибрующей шейки волоки, таких, что выполняется условие
a/b=b/(a+b),
где
(a + b) - расстояние от средства противонатяжения до калибрующей шейки волоки.

Такая пропорция известна как "золотое сечение" отрезка a + b. Одним из свойств "золотой" пропорции является то, что она выражается иррациональным числом 0,6180..., т.е. ее невозможно представить в виде отношения двух натуральных чисел. Таким образом, оба отрезка, на которые участок проволоки (струна) разделен ограничительной рамкой, некратны друг другу и некратны всему участку в целом, и невозможно существование такой частоты, для которой соответствующая длина волны кратна хотя бы любым двум из трех отрезков a, b и (a + b), и, таким образом, являющейся резонансной для системы.

Указанные расстояния должны определяться именно длиной струны - последним фиксированным, т. е. зажатым сечением проволоки в средстве противонатяжения и сечением, соответствующим началу калибрующего пояска волоки; положение ограничительной рамки определяется тем ее сечением, в котором площадь внутреннего контура минимальна.

Далее, другим свойством "золотой" пропорции является следующее: если на числовом интервале (0, 1) отметить точками все рациональные числа, то функция R, выражающая плотность распределения этих точек, будет иметь минимум как раз в точке 0,6180..., или, другими словами, число, выражающее "золотую" пропорцию, отличается от всех остальных иррациональных чисел тем, что в его окрестности плотность распределения рациональных чисел минимальна. Иллюстрацией к этому может служить утверждение, что обратная пропорция
b/a = 1 + a/b = 1 + 0,6180...,
наиболее удовлетворяет требованию "не два - не полтора - не 4/3 - не 5/4 - и т.д.". Следовательно, учитывая, что колебательная система не идеальна, а расстояния точно определить невозможно, в реальности при исполнении указанного соотношения расстояний будут возбуждаться и кратные частоты, но доля некратных и, соответственно, эффект, при выполнении указанного условия будут максимальными, т. е. это есть условие максимально эффективной передачи энергии колебаний в очаг деформации.

Таким образом, возбуждаемые ограничительной рамкой вторичные волны в идеальном случае не будут кратны длине струны, т.е. расстоянию от диска до волоки, образования стоячих волн не происходит, и вся энергия таких колебаний не накапливается в колебательной системе, а активно поглощается в зонах создания противонатяжения и очага деформации, что существенно повышает устойчивость и качество волочения. Кроме того, отсутствие возможности образования стоячих волн и быстрое поглощение энергии колебаний дает возможность многократного полезного увеличения мощности возбуждаемых колебаний за счет повышения мощности привода диска. При наличии возможности образования стоячих волн такое увеличение может привести к резкому (резонансному) увеличению их амплитуд и обрыву проволоки.

Дальнейшая интенсификация влияния колебательного процесса на очаг деформации может быть достигнута за счет установки дополнительных источников колебаний на том же участке проволоки, на котором установлен и первый источник. Эти дополнительные вторичные источники колебаний имеют ту же конструкцию, т.е. выполнены в виде жестких рамок с некруглым внутренним контуром, пересекающим коническую поверхность кругового движения проволоки в том ее поперечном сечении, в котором установлен данный источник колебаний (радиус этого сечения уменьшается с приближением к очагу деформации). Учитывая вышеизложенное, целесообразно каждую последующую дополнительную ограничительную рамку размещать на расстояниях a_i от предыдущей и b_i от калибрующей шейки волоки, таких, что
a_i/b_i = b_i/(a_i+b_i),
а размеры ограничителей выполнить последовательно уменьшающимися в направлении протяжки, что соответствует условию, что внутренний контур каждой рамки выполнен пересекающимся с поверхностью, образованной при круговом движении проволоки. При таком условии общая доля энергии колебаний высоких частот увеличивается, так как для каждого последующего источника колебаний исходными являются колебания, уже содержащие высокочастотные составляющие, а учитывая то, что в процессе протяжки проволоки энергия ее колебаний стремится сохраниться, последовательное уменьшение размеров ограничительных рамок вызовет принудительное уменьшение амплитуды колебаний, и, вследствие этого, дополнительное общее повышение частот. При этом последняя дополнительная ограничительная рамка может быть размещена в емкости для технологической смазки. В таком случае взаимодействие ее с проволокой происходит в присутствии смазки, которая при этом интенсивно взаимодействует с проволокой, перемешивается, диспергируется, обволакивает проволоку, что дополнительно повышает устойчивость процесса волочения.

Для применения в качестве жесткой ограничительной рамки наиболее пригодна, например, матрица (фильера) для высадки или волочения, так как, помимо жесткости, она обладает высокими прочностью, твердостью и износоустойчивостью; кроме того, при этом отпадает необходимость в специальном изготовлении рамки. При всем том желательно, чтобы взаимодействие проволоки с ограничительной рамкой осуществлялось в виде ударов. Удары сами по себе возбуждают в струне высокочастотные колебания, проявляющиеся в виде вторичных волн, распространяющихся от места удара, причем кратковременность удара определяется жесткостью материала рамки, а от нее зависит верхняя граница частотного спектра возникающих колебаний. С этой целью в качестве жесткой ограничительной рамки может быть применена матрица для высадки или волочения многогранного призматического профиля. При этом наиболее технологичной по исполнению и использованию является форма правильного многоугольника.

Кроме того, ограничительная рамка может быть установлена на уравновешивающей пружинной подвеске с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной оси протяжки. Например, подпружиненная матрица может быть размещена в зазоре между двумя поперечными пластинами, либо фиксирована на определенном расстоянии посредством гибкой связи, обеспечивающей возможность поперечного смещения. Кроме того, рамка может быть закреплена на подпружиненном рычаге. В таком случае взаимодействие ограничительной рамки с проволокой не так жестко привязано к основной частоте и спектр полученных колебаний дополнительно обогащается некратными частотами; при этом форма внутреннего контура рамки уже не имеет решающего значения и остается лишь одним из факторов, вызывающих колебания проволоки.

Кроме того, жесткий некруглый контур рамки может быть образован рабочими поверхностями роликов, закрепленных соответствующим образом с возможностью вращения, свободного, либо, в зависимости от других технических условий, от привода. В случае возможности свободного вращения, оно должно обеспечиваться за счет взаимодействия с протягиваемой проволокой. При этом срок износа возрастает за счет увеличения общей изнашиваемой поверхности за счет рабочей поверхности роликов, а также вследствие того, что сводится к минимуму взаимное скольжение проволоки и поверхности ролика в момент удара, что дополнительно повышает упругость ударного взаимодействия.

Таким образом, изобретения позволяют из низкочастотных круговых колебаний проволоки, возбуждаемых непосредственно, чисто механическим способом, получить колебания сложного характера с составляющими многих частот, начиная с частоты возбуждения (вращения диска) до У3-частот. Верхним пределом спектра частот являются такие У3-частоты, для которых начинают проявляться эффекты рассеивания и поглощения на дефектах структуры металла проволоки. Длины волн таких колебаний соизмеримы с диаметром проволоки. При этом в плотном спектре частот получаемых колебаний всегда найдутся те частоты, которые в каждый момент времени оптимальны для эффективного воздействия на процесс волочения. Низкочастотные составляющие при этом воздействуют главным образом на условия захвата и подачи смазки.

Кроме того, мощность подводимых к очагу деформации колебаний может быть достаточно высокой, сравнимой с мощностью деформирования, так как мощность двигателя привода диска может быть подобрана любой достаточной величины.

На фиг. 1 показана линия волочения проволоки (общий вид), в которой реализуются изобретения;
на фиг. 2 - вариант некруглой формы внутреннего контура невращающейся рамки, являющейся источником вторичных колебаний проволоки;
на фиг. 3 - фрагмент линии волочения проволоки с установленным на регламентированных расстояниях источником колебаний; e - эксцентриситет проводки диска;
на фиг. 4 - линия волочения проволоки, в которой диск с эксцентриковой проводкой совмещен с устройством окончательной очистки от окалины;
на фиг. 5 - вариант устройства с установкой на участке проволоки от диска с эксцентриковой проводкой до волоки нескольких источников вторичных колебаний проволоки;
на фиг. 6 - вариант некруглой формы внутреннего контура невращающейся рамки в виде правильного многоугольника;
на фиг. 7 и 8 - варианты конструкций пружинной подвески невращающейся рамки с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной оси волочения;
на фиг. 9 и 10 - схематично варианты конструкции невращающейся рамки, в которой внутренний контур образован образующими роликов;
На всех фигурах сухая технологическая смазка условно обозначена точками, направления протяжки проволоки и вращения диска показаны стрелками, подшипниковые опоры показаны условно.

Поточная линия для волочения проволоки, в составе которой реализуются изобретения, включает устройства предварительного 1 и окончательного 2 удаления окалины, средство противонатяжения 3, выполненное, например, в виде тягового шкива, размещенный в подшипниках на оси протяжки 4 приводной диск 5 с эксцентричной направляющей проводкой 6 для сообщения кругового движения проволоке, и волочильный стан 7, включающий емкость 8 для технологической смазки, волоку 9 и волочильный барабан 10. Между диском 5 и волокой 9 волочильного стана установлена ограничительная рамка 11 для ограничения поперечного смещения проволоки. В устройства линии заправлена проволока 12. Устройства предварительного и окончательного удаления окалины могут быть выполнены, например, в виде роликового окалиноломателя и устройства абразивно-порошковой очистки (фиг. 1).

Внутренний контур 13 поперечного сечения ограничительной рамки выполнен пересекающимся с поверхностью 14, образованной внешними огибающими сечений проволоки при ее крайних поперечных смещениях в отсутствие рамки (фиг. 2).

Ограничительная рамка 11 размещена на расстояниях a от диска и b от калибрующей шейки волоки, таких, что выполняется соотношение a/b = b/(a + b) (фиг. 3).

В случае, если в качестве эксцентричной направляющей проводки применен очистной инструмент 15, снабженный механизмом прижима 16, диск с очистными инструментами, например, щетками или иглофрезами, одновременно является устройством окончательного удаления окалины и средством создания противонатяжения за счет прижима очистных инструментов. При этом ограничительная рамка может быть размещена на расстояниях a от очистного инструмента диска и b от калибрующей шейки волоки, таких, что a/b = b/(a+b) (фиг. 4).

В линии может быть применено несколько ограничительных рамок, тогда каждая последующая рамка размещена на расстояниях a_i от предыдущей и b_i от калибрующей шейки волоки, таких, что a_i/b_i = b_i/(a_i + b_i), диаметры рамок выполнены последовательно уменьшающимися; при этом последняя дополнительная ограничительная рамка 17 может быть размещена в емкости для технологической смазки (фиг. 5).

В качестве ограничительной рамки может быть применена фильера 18 для волочения многогранного призматического профиля, например, шестигранника (фиг. 6).

Ограничительная рамка может быть установлена на пружинной подвеске 19 между двумя пластинами 20, 21 с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной оси протяжки (фиг.7) или закреплена на рычаге 22, установленном в универсальном шарнире 23, центр которого расположен вблизи линии протяжки (фиг. 8).

Внутренний контур 13 ограничительной рамки может быть образован образующими роликов 24, оси которых лежат в плоскости, перпендикулярной оси волочения, и которые установлены с возможностью вращения вокруг своих осей; например, квадратный контур, образованный образующими двух роликов (фиг. 9), или шестиугольный контур, образованный образующими трех роликов (фиг. 10).

Устройство, реализующее способ, работает следующим образом.

Включают волочильный стан 7 (фиг. 1), и через устройства линии происходит протяжка проволоки 12, первоначально покрытой окалиной. При этом в устройстве 1 предварительного удаления окалины, например, роликовом окалиноломателе, происходит изгибание проволоки в разных направлениях и отслаивание хрупкой части окалины; при этом обеспечиваются также рихтовка и натяжение проволоки. Далее проволока проводится через устройство 2 окончательного удаления окалины, например, абразивно-порошковую камеру 2, куда одновременно нагнетается абразивный порошок и создается необходимое для очистки уплотнение. Средство 3 противонатяжения, например, тяговый шкив, при необходимости частично компенсирует усилие протяжки проволоки через окалиноломатель и абразивно-порошковую камеру так, что противонатяжение проволоки при волочении находится в рекомендуемых пределах 15-25% от величины усилия волочения.

Одновременно с волочильным станом и перемоточным барабаном включают привод диска 5. Так как диск имеет эксцентричную направляющую проводку 6, проволока 12 на участке между устройством регулировки натяжения и волокой 9 волочильного стана совершает круговое движение с частотой, равной частоте вращения диска. При этом ось проволоки описывает биконическую поверхность с двумя вершинами - в средстве противонатяжения и в волоке, и с основанием - окружностью, которую задает эксцентричная направляющая проводка 6 диска. Если диск 5 вращается, например, со скоростью 3000 об/мин, это соответствует частоте круговых колебаний 50 Гц. Такая частота благоприятно влияет на процесс захвата смазки поверхностью проволоки в отсутствие подсмазочного покрытия и образования устойчивого смазочного клина в волоке. Смазка в емкости 8 под действием кругового движения проволоки диспергируется, аэрируется, приобретает большую подвижность и активно увлекается в волоку. При этом активное диспергирование и перемешивание смазки препятствует ее спеканию, слипанию, образованию комков и пр.

Так как между средством 3 противонатяжения и волокой размещена жесткая рамка 11 для ограничения поперечного смещения проволоки, внутренний контур 13 сечения которой выполнен отличным от окружности с центром на оси волочения 4 и выполнен пересекающимся с поверхностью 14, образованной внешними огибающими сечений проволоки при ее крайних поперечных смещениях в отсутствие данной рамки (фиг. 2), что обуславливает неизбежность ударного взаимодействия проволоки с рамкой, движение проволоки приобретает сложный характер. Так как круговое движение проволоки представляет собой суперпозицию двух когерентных, т.е. имеющих постоянную разность фаз π/2 , гармонических колебаний, ориентированных по взаимно перпендикулярным плоскостям, такое препятствие, которое представляет собой ограничительная рамка, искажает эти колебания, которые уже не будут являться гармоническими. Согласно представлениям, которые дают ряды Фурье, колебания негармонического 'характера представляют собой в общем случае сумму бесконечного ряда колебаний: с основной частотой вынужденных колебаний (50 Гц), непостоянной частотой собственных колебаний, определяемой массой, упругостью, непостоянным натяжением проволоки и длиной струны, а также высших гармоник, кратных собственной. Так как рамка выполнена из жесткого и твердого материала, например, в виде фильеры для волочения, ее взаимодействие с проволокой носит характер резких ударов, при которых происходит генерация вторичных колебаний более высоких частот - от механических поперечных до акустических ультразвуковых. Таким образом, проволока 12 на участке перед волокой колеблется с рядом дискретных частот, начинающихся с 50 Гц и простирающихся в область У3-диапазона. Крайне высокие УЗК, частоты которых сравнимы с частотами тепловых колебаний кристаллической решетки, в металле распространяться не могут, так как быстро рассеиваются и поглощаются неоднородностями кристаллической решетки, что вызывает местный нагрев металла вблизи места ударного контакта. Так как при негармонических колебаниях постоянной разности фаз быть уже не может, результирующее движение проволоки будет уже не круговым, а стохастическим, и оно будет иметь вероятностную характеристику, симметричную оси протяжки, причем нижняя граница частотного диапазона колебаний будет соответствовать частоте вращения приводного диска, а верхняя определится рассеиванием и поглощением ультразвуковых колебаний на неоднородностях структуры металла проволоки и ее поверхности. При этом на очаг деформации накладываются знакопеременные напряжения со многими частотами, в том числе ультразвуковыми, что улучшает условия процесса волочения, и, кроме того, так как колебания происходят на многих частотах, увеличивается вероятность того, что какие-либо из них окажутся в области оптимальных значений, и за счет этого в процессе деформирования облегчаются дополнительные сдвиги, повышается пластичность и снижаются напряжения деформирования, улучшаются условия смазывания, и тем самым повышается производительность за счет возможности применения больших обжатий и скоростей волочения, а также повышаются запас пластичности материала проволоки, т.е. ее качество и стойкость волочильного инструмента.

Кроме того, наличие в процессе работы ударных взаимодействий очищенной проволоки с ограничительной рамкой, а также высокочастотных колебаний, обусловливают то, что проволока на различных своих участках подвержена большим ускорениям и, следовательно, воздействию больших инерциальных сил. При этом остаточная пылевидная окалина, связанная с поверхностью проволоки, главным образом, магнитными силами, обусловленными спонтанной намагниченностью стали, стряхивается в воздушную среду и не попадает в узел смазывания и волочения, что, в свою очередь, также повышает износостойкость волочильного инструмента и, тем самым, также ведет к повышению производительности за счет сокращения времени замены волок, и качества за счет повышения точности диаметра проволоки.

Если источники вторичных колебаний проволоки размещены на расстояниях a от диска и b от калибрующей шейки волоки, таких, что a/b = b/(a+b), на участке натянутой проволоки не происходит возбуждения таких колебаний, длина волны которых кратна расстояниям a, b и (a + b), так как эти величины не кратны взаимно, и вероятность достижения их кратности при заведомых погрешностях определения расстояний минимальна. Следствием этого является то, что на колеблющемся участке не возникает стоячих волн (резонанса), не имеется условий для накопления энергии колебаний, и вся энергия привода диска эффективно передается в очаг деформации в волоке, что дополнительно усиливает возникающий эффект.

Если в качестве направляющего элемента диска применен очистной инструмент 15, например, иглофреза (фиг. 4), а ограничительная рамка размещена на расстояниях a от очистного инструмента и b от калибрующей шейки волоки, таких, что a/b = b/(a+b), то для указанного участка натянутой проволоки также маловероятно образование стоячих волн, при этом в спектре полученных колебаний, особенно для высших частот, нет выделенных значений частоты, и спектр приобретает непрерывный характер, что дополнительно увеличивает вероятность того, что в спектре полученных колебаний в каждый момент времени найдутся частоты, оптимальные для процесса волочения.

Если в линии применено несколько рамок 11 (фиг. 5), причем каждая последующая дополнительная ограничительная рамка размещена на соответствующих расстояниях a_i от предыдущей и b_i от калибрующей шейки волоки, таких, что a_i/b_i = b_i/(a_i + b_i), а диаметры рамок выполнены последовательно уменьшающимися, что определено условием взаимопересечения внутреннего контура сечения каждой рамки с поверхностью, образованной внешними огибающими сечений проволоки при ее крайних поперечных смещениях в отсутствие данной рамки, кроме указанных выше эффектов, происходит увеличение доли энергии колебаний проволоки на высших частотах. При протяжке проволоки для каждого участка энергия колебаний стремится сохраниться. Так как амплитуда колебаний уменьшается, возрастает частота, и доля энергии на высоких частотах также возрастает, что дает возможность значительно повысить скорость процесса волочения и качество проволоки. При этом дополнительные вторичные источники высокочастотных колебаний оказываются более приближенными к очагу деформации, что создает условия для более эффективной передаче их энергии в зону деформации за счет уменьшения их рассеивания и поглощения. Если при этом последняя ограничительная рамка 17 размещена в емкости 8 для смазки, процесс захвата смазки в волоку улучшается за счет активации взаимодействия смазки с поверхностью проволоки в процессе ударных и колебательных взаимодействий ее с этой рамкой.

Если в качестве ограничительной рамки применена фильера 18 для волочения многогранного призматического профиля, например, шестигранного (фиг. 6), взаимодействие проволоки с ней приобретает характер соударений со сторонами шестиугольника. Такие соударения вызывают в натянутой проволоке бегущие волны и дополнительно обогащают спектр колебаний высокими частотами, не кратными основной. Высокая степень резкости и кратковременности ударных взаимодействий обуславливает при этом повышение относительной доли УЗК. Кроме того, твердый материал, из которого изготовлена матрица, характеризуется весьма высокой жесткостью и прочностью. Такой контур практически не поглощает энергию соударений и имеет высокую износостойкость.

Если дополнительная ограничительная рамка установлена на уравновешивающей пружинной подвеске 19 между двумя пластинами 20, 21 с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной оси протяжки (фиг.7), или закреплена на рычаге 22, установленном в универсальном шарнире 23, центр которого расположен вблизи линии протяжки (фиг. 8), при взаимодействии происходит обмен энергией колеблющейся проволоки с колеблющейся рамкой, и при достаточных массе рамки и жесткости подвески возможно достижение максимальной интенсивности этого взаимодействия, что соответствует эффективному искажению формы гармонических колебаний; при этом рамка подвижна в поперечной плоскости и форма ее внутреннего контура несущественна.

Если контур ограничительной рамки составлен образующими роликов 24 (фиг. 9, 10), то под действием движения проволоки ролики приходят во вращение, близко соответствующее скорости протяжки. При этом происходят "чистые" соударения проволоки с поверхностями роликов, без взаимного скольжения. Такие соударения происходят с максимально возможной для данных материалов упругостью, и потери энергии колебаний, в том числе возникающих высоких частот, минимальны. За счет этого также снижается износ рабочих поверхностей пазов роликов, которые к тому же имеют относительно большую площадь, и это способствует длительному сохранению формы и размеров контура.

Таким образом, описанные выше способ и устройство для его осуществления, согласно изобретениям, позволяют за счет простых механических приспособлений подвергнуть очищенную от окалины катанку без подсмазочного покрытия широкодиапазонным колебаниям, включающим колебания низких и высоких частот, которые позволяют повысить качество проволоки и стойкость волок за счет повышения эффективности процессов захвата смазки и волочения проволоки, при этом характер спектра колебаний приближается к непрерывному, а в таком спектре в каждый момент времени высока вероятность того, что найдутся именно такие частоты, которые наиболее эффективно влияют на процесс захвата смазки и волочения во всем объеме рабочего канала волоки, при этом энергия колебаний, подводимых к очагу деформации в волоке, ограничена только прочностью проволоки.

Изобретения относятся к волочильному производству, в частности к технологии и оборудованию для волочения проволоки с применением колебаний. Проволоку до очага деформации отклоняют с натяжением от оси волочения, сообщая ей круговое движение по биконической поверхности. За счет повторяющегося ударного поперечного воздействия на нее в процессе кругового движения осуществляют наложение на проволоку высокочастотных вторичных колебаний. Высокочастотные колебания вносят в очаг деформации быстропеременные напряжения, облегчающие деформацию и повышающие пластические свойства. Низкочастотные составляющие колебаний при этом воздействуют главным образом на условия захвата и подачи смазки. Энергия колебаний ограничивается только прочностью проволоки. Способ позволяет успешно производить волочение очищенной от окалины горячекатаной проволоки без подсмазочного покрытия, а также повысить качество проволоки и стойкость волок за счет повышения эффективности процессов захвата смазки и облегчения деформации проволоки. Устройство, реализующее способ, содержит средство противонатяжения проволоки, диск с эксцентриковой проводкой и приводом вращения вокруг оси волочения, источник колебаний проволоки. Источник колебаний проволоки выполнен в виде полой жесткой невращающейся ограничительной рамки с центром на оси волочения. Внутренний некруглый контур ограничительной рамки многократно пересекает биконическую поверхность и волочильный инструмент. Предусмотрены различные варианты исполнения ограничительной рамки, направленные на выравнивание спектральной характеристики колебательного процесса. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Способ волочения проволоки с применением колебаний, включающий наложение колебаний на проволоку до очага деформации и волочение, отличающийся тем, что проволоку до очага деформации отклоняют с натяжением от оси волочения, сообщая ей круговое движение по биконической поверхности, а наложение колебаний на проволоку осуществляют путем повторяющегося ударного поперечного воздействия на нее при круговом движении. 2. Устройство для волочения проволоки с применением колебаний, содержащее волочильный инструмент и источник колебаний проволоки, отличающееся тем, что оно снабжено средством противонатяжения проволоки и диском с эксцентриковой проводкой и с приводом вращения вокруг оси волочения, установлены с возможностью сообщения участку проволоки между средством противонатяжения и волочильным инструментом кругового движения по биконической поверхности, а источник колебаний проволоки выполнен в вид жесткой невращающейся ограничительной рамки с центром на оси волочения, внутренний некруглый контур которой многократно пересекает биконическую поверхность. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что внутренний контур рамки имеет форму многоугольника. 4. Устройство по п.2 или 3, отличающееся тем, что рамка снабжена пружинной подвеской и установлена с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной оси волочения. 5. Устройство по любому из пп.2 - 4, отличающееся тем, что внутренний контур рамки образован образующими роликов, оси которых лежат в плоскости, перпендикулярной оси волочения и которые установлены с возможностью вращения вокруг своих осей. 6. Устройство по любому из пп.2 - 5, отличающееся тем, что источник колебаний проволоки расположен между диском с эксцентриковой проводкой и волочильным инструментом. 7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что источник колебаний проволоки установлен на расстоянии a от диска и расстоянии b от калибрующей шейки волочильного инструмента, отвечающих соотношению a/b = b/(a+b). 8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительными источниками колебаний, выполненными той же конструкции и расположенными между первым источником колебаний и волочильным инструментом, причем каждый последующий дополнительный источник колебаний размещен на расстояниях соответственно a₁ от предшествующего и b₁ от калибрующей шейки волочильного инструмента, отвечающих соотношению a₁/b₁ = b₁/(a₁+b₁).