ΟΛΚΗ ΓΕΝΙΚΑ Κατά την ολκή (drawing), το τεµάχιο υπό τη µορφή ράβδου, σύρµατος ή σωλήνα υφίσταται πλαστική παραµόρφωση διερχόµενο µέσα από µεταλλική µήτρα υπό την επενέργεια εφελκυστικού φορτίου στην έξοδο της µήτρας. Αποτέλεσµα των κατεργασιών ολκής είναι η παραγωγή αντίστοιχου προϊόντος µε µικρότερη διατοµή και µεγαλύτερο µήκος. Κατά συνέπεια, ανάλογα µε την αρχική µορφή και διαστάσεις του τεµαχίου προκύπτουν οι εξής χαρακτηριστικές κατεργασίες ολκής: (i) Συρµατοποίηση (wire-drawing) (ii) Ελκυσµός ράβδου (rd-drawing) (iii) Σωληνοποίηση (tube-drawing) Όλες οι κατεργασίες ολκής είναι ψυχρές κατεργασίες, λόγω όµως των µεγάλων µειώσεων διατοµής σηµειώνεται σηµαντική αύξηση της θερµοκρασίας (µερικές εκατοντάδες C) στο τεµάχιο µέσα στη µήτρα κατά τη διάρκεια της κατεργασίας. Η χρήση του όρου σύρµα καθορίζεται αυθαίρετα. Συνηθίζεται να χρησιµοποιείται για κυλινδρικές ράβδους µε διάµετρο µικρότερη των 5 mm. Συχνά επιβάλλεται στην είσοδο της µήτρας αντίρροπος εφελκυσµός που ευθυγραµµίζει την ροή του σύρµατος µέσα από τη µήτρα. Συνέπεια του αντίρροπου εφελκυστικού φορτίου είναι αφ ενός η µείωση των δυνάµεων τριβής και του κάθετου φορτίου στα τοιχώµατα της µήτρας, γεγονός που οδηγεί σε µεγαλύτερη διάρκεια ζωής της και αφ ετέρου η δυνατότητα επίτευξης µεγαλύτερων µειώσεων διατοµής ανά πάσο. ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΩΝ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΩΝ ΟΛΚΗΣ Α. ΣΥΡΜΑΤΟΠΟΙΗΣΗ ΠΡΟΕΤΟΙΜΑΣΙΑ ΣΥΡΜΑΤΟΣ Το σύρµα που πρόκειται να υποστεί περαιτέρω µείωση της διατοµής του είναι συνήθως προϊόν κάποιας προηγούµενης θερµής κατεργασίας και αφήνεται για µακρό διάστηµα σε υπαίθριους χώρους στοιβασίας σε ρολούς. Η διαδικασία αυτή έχει ως συνέπεια την ανάπτυξη προϊόντων οξείδωσης στην επιφάνεια του σύρµατος και την επικάθιση λιπαρών και ρυπαρών ουσιών πάνω του. Τα επιστρώµατα αυτά πρέπει να αποµακρυνθούν για να µην τραυµατιστεί το τοίχωµα της µεταλλικής µήτρας (φθορά, εκδορές κλπ.) και να αποφευχθεί απαξίωση της ποιότητας επιφάνειας του τελικού προϊόντος. Προς τούτο, χρησιµοποιούνται διάφοροι τρόποι καθαρισµού (χηµικός, µηχανικός, ηλεκτρολυτικός) του προς κατεργασία σύρµατος. (i) Χηµικός καθαρισµός Όπως περιγράφεται στο Σχ. 1, το σύρµα διέρχεται διαδοχικά από διάφορα λουτρά, όπου λαµβάνει χώρα η σταδιακή αποµάκρυνση των ανεπιθύµητων επιστρωµάτων. ιακρίνονται τα εξής στάδια καθαρισµού: Στάδιο 1: Το σύρµα βυθίζεται σε διάλυµα ισχυρού οξέος (H 2 SO 4 ή HCl) για 15-20 min περίπου. Με τη δράση του οξέος και τις σηµειούµενες αντιδράσεις επιτυγχάνεται η χαλάρωση της πρόσφυσης των επιστρωµάτων πάνω στην επιφάνεια του σύρµατος. 1
Στάδιο 2: Η αποµάκρυνση των επιστρωµάτων επιτυγχάνεται µε βύθιση του σύρµατος σε νερό ή µε ψεκασµό µε νερό υπό πίεση. Στάδιο 3: Στη συνέχεια το σύρµα βυθίζεται σε διάλυµα ασβέστου και καλύπτεται από λεπτό στρώ- µα ασβέστου, το οποίο έχει τριπλό ρόλο: Εξουδετερώνει τυχόν περίσσεια οξέος. Προστατεύει το σύρµα από το περιβάλλον. Λειτουργεί ως φορέας για πιο αποτελεσµατική πρόσφυση του λιπαντικού που θα χρησιµοποιηθεί στην κατεργασία. Στάδιο 4: Τέλος, το καθαρό σύρµα εισέρχεται σε ξηραντήρα για την αποµάκρυνση της αποµένουσας υγρασίας. Σχ. 1 Χηµικός καθαρισµός σύρµατος (ii) Μηχανικός καθαρισµός Κατ αυτή τη µέθοδο καθαρισµού το σύρµα τανύεται µεταξύ σταθερών τυµπάνων (ραούλων), όπως φαίνεται στο Σχ. 2, µε αποτέλεσµα τη θραύση των ψαθυρών επιστρωµάτων και την αποµάκρυνσή τους από την επιφάνεια του σύρµατος. Το αποτέλεσµα αυτής της µεθόδου δεν είναι τόσο «καθαρό» και τα τυχόν αποµένοντα υπολείµµατα µπορεί να µειώσουν σηµαντικά τη διάρκεια ζωής της µήτρας. Γι αυτό η µέθοδος περιορίζεται σε µεγάλης διαµέτρου σύρµατα που πρόκειται να υποστούν αρκετές βαθµίδες (πάσα) µείωσης της διατοµής τους. (iii) Ηλεκτρολυτικός καθαρισµός Σχ. 2 Μηχανικός καθαρισµός Το σύρµα τοποθετείται ως άνοδος εντός ηλεκτρολύτη και µε το µηχανισµό της ηλεκτρόλυσης αποµακρύνονται οι ανεπιθύµητες επικαλύψεις από την επιφάνειά του. Λόγω όµως της ανοµοιοµορφίας των επιστρωµάτων αυτών, υπάρχει ο κίνδυνος της κατά τόπους αφαίρεσης υγιούς υλικού από το σύρµα. 2
ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Το προς κατεργασία σύρµα τυλίγεται σε ειδική εγκατάσταση, την ανέµη, και οδηγείται µέσω σταθερών ραούλων στη µήτρα συρµατοποίησης, βλ. Σχ. 3. Εκεί, το κατάλληλα διαµορφωµένο άκρο του σύρµατος διέρχεται από τη µήτρα και τυλίγεται σε ειδική µηχανή ελκυσµού (τύµπανο περιελίξεως), η οποία περιστρεφόµενη µε τη βοήθεια δικού της αξονικού συστήµατος και κινητήρα επιτελεί το στάδιο συρµατοποίησης και οδηγεί το σύρµα σε επόµενη παρόµοια φάση (πάσο) µείωσης της διατοµής του. Σε µια σειρά τέτοιων εγκαταστάσεων που έχουν αυτόνοµο σύστηµα κίνησης, επειδή η βαθµιαία µείωση της διατοµής σύρµατος συνεπάγεται µεταβολή της ταχύτητας κατεργασίας και κατά συνέπεια µεταβολή της ταχύτητας περιστροφής των τυµπάνων, η τελευταία πρέπει να ρυθµίζεται πολύ προσεκτικά, για να αποφεύγεται ολίσθηση ή χαλάρωµα του σύρµατος πάνω σ αυτά. Εναλλακτικά, για την αποφυγή των πολλαπλών εγκαταστάσεων και αξονικών συστηµάτων, µπορεί να χρησιµοποιηθεί ένα ενιαίο τύµπανο περιέλιξης κινούµενο από έναν κινητήρα και µε διαφορετικές βαθµίδες διαµέτρου ανά µήτρα συρµατοποίησης που εξασφαλίζουν τις επιθυµητές ταχύτητες ελκυσµού στις αντίστοιχες φάσεις κατεργασίας, βλ. Σχ. 4. Σχ. 3 Τυπική διάταξη συρµατοποίησης Κατά τη συρµατοποίηση µπορεί να επιτευχθεί µέχρι και 90% µείωση της διατοµής µέσω ενός µεγάλου αριθµού πάσων µε ενδιάµεσες φάσεις ανόπτησης. Οι συνήθεις ταχύτητες συρµατοποίησης είναι µέχρι 10 m/s για σιδηρούχα υλικά και µέχρι 30 m/s για µη σιδηρούχα υλικά. Οι µεγαλύτερες ταχύτητες εφαρµόζονται στη συρµατοποίηση µικρότερων διατοµών. Τυπική µορφή της µήτρας συρµατοποίησης παρουσιάζεται στο Σχ. 5. Η είσοδος (τµήµατα 1-2) έχει σχήµα κωδωνοειδές. Η µορφή αυτή εξασφαλίζει αύξηση της υδροστατικής πίεσης και διευκολύνει τη ροή του λιπαντικού, ώστε τούτο να εισέλθει ασφαλώς µαζί µε το σύρµα στο κύριο τµήµα της µεταλλικής µήτρας (τµήµα 3). Στο κωνικό τµήµα 3 (ηµιγωνίας 4 ο -15 ο ) επιτελείται η µείωση της διατοµής (πλαστική παραµόρφωση) µέσω της ασκούµενης θλιπτικής φόρτισης από τα τοιχώµατα της µήτρας. Ο τριβέας (τµήµα 4) δεν συµβάλλει στη µείωση της διατοµής, αλλά εισάγει δύναµη τριβής αντίστασης που συντελεί στην βελτίωση της ποιότητας επιφάνειας και διαστατικής ακρίβειας του σύρµατος. Η περιοχή «ξεθυµάσµατος» (τµήµα 5) επιτρέπει στο εξερχόµενο σύρµα την αναµενόµενη ελαφρά διόγκωση και συγχρόνως 3
αποµακρύνει τον κίνδυνο πρόκλησης οποιασδήποτε φθοράς στη µεταλλική µήτρα από τυχόν απώλεια ευθυγράµµισης ή απότοµη διακοπή της συρµατοποίησης. Το υλικό κατασκευής της µήτρας συρµατοποίησης µπορεί να είναι χάλυβας εργαλείων υψηλής αντοχής ή σκληροµέταλλο (WC µε συνδετικό C) ή διαµάντι (όταν απαιτείται πολύ καλή διαστατική ακρίβεια και ποιότητα επιφάνειας). Σχ. 4 Συνεχής συρµατοποίηση µε βαθµιδωτό τύµπανο περιέλιξης Σχ. 5 Τυπική µορφή µήτρας συρµατοποίησης 4
Β. ΕΛΚΥΣΜOΣ ΡΒ ΟΥ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Ο ελκυσµός ράβδων µεγάλης διαµέτρου γίνεται µέσα από µήτρες ανάλογης µορφής µε αυτή του Σχ. 5. Το άκρο της ράβδου διαµορφώνεται κατάλληλα ώστε να περνά µέσα από τη µήτρα και συσφίγγεται στις σιαγόνες της κεφαλής (pulling dg) της µηχανής ελκυσµού (drawbench), η οποία κινείται ευθύγραµµα, µηχανικά µέσω µηχανισµού ατέρµονης αλυσίδας ή υδραυλικά µέσω κατάλληλου υδραυλικού συστήµατος, βλ. Σχ. 6. Ο ελκυσµός ράβδων µικρότερης διαµέτρου µπορεί να γίνει µέσω περιστρεφόµενου τυµπάνου κατ αναλογία µε την διαδικασία συρµατοποίησης που εκτέθηκε παραπάνω. Ράβδοι διαµέτρου D 150 mm υφίστανται µικρή µείωση διαµέτρου ανά πάσο (µέχρι 1-2 mm) για καλλίτερη ποιότητα επιφάνειας και διαστατική ακρίβεια του τελικού προϊόντος. Μικρότερης διαµέτρου ράβδοι µπορεί να υποστούν µέχρι και 50% µείωση της διατοµής ανά πάσο. Οι ταχύτητες ελκυσµού µπορεί να φθάσουν µέχρι και 35 m/min για σιδηρούχα µέταλλα ή ακόµη υψηλότερα για µη σιδηρούχα µέταλλα. Σχ. 6 ιαδικασία κατεργασίας ελκυσµού ράβδου Γ. ΣΩΛΗΝΟΠΟIΗΣΗ Περισσότερα γι αυτή την κατεργασία ολκής θα αναφερθούν στο σχετικό Κεφάλαιο, όπου συνοψίζονται όλες οι κατεργασίες διαµόρφωσης σωλήνων. ΛΙΠΑΝΣΗ Μπορεί να χρησιµοποιηθεί υγρό ή στερεό λιπαντικό. Κατά τη χρησιµοποίηση υγρού λιπαντικού (έλαια, γαλακτώµατα µε ειδικά πρόσθετα) όλη η εγκατάσταση (µήτρα και τεµάχιο) βρίσκεται πλήρως βυθισµένη σε λουτρό υγρού λιπαντικού. Η υγρή λίπανση εφαρµόζεται κατ αποκλειστικότητα σε λεπτά σύρµατα (διαµέτρου µικρότερης από 1 mm) και σε σύρµατα Cu και κραµάτων του. Η εφαρµογή στερεού λιπαντικού µπορεί να γίνει µε διάφορους τρόπους. 1. Χρήση σκόνης σάπωνα που συγκεντρώνεται σε δοχείο και τοποθετείται µπροστά από τη µήτρα συρµατοποίησης, οπότε το σύρµα διερχόµενο µέσα από το δοχείο (Σχ. 3) πρέπει να έχει εφοδιαστεί µε τον κατάλληλο φορέα του λιπαντικού, όπως εκτέθηκε παραπάνω. 2. Σύρµατα από υλικό υψηλής αντοχής (χάλυβες, πυρίµαχα κράµατα) υφίστανται τις εξής εναλλακτικές προετοιµασίες : (α) Επιφανειακή επικάλυψη µε κάποιο µαλακό µέταλλο (Cu, 5
Sn) που λειτουργεί ως στερεό λιπαντικό ή (β) χηµική επικάλυψη (φωσφάτωση, σούλφωση κλπ.) µε σχηµατισµό του αντιστοίχου άλατος του µετάλλου στην επιφάνεια του σύρµατος που λειτουργεί ως υποδοχέας του στερεού λιπαντικού (σκόνη σάπωνα). ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ ΟΛΚΗΣ ΟΜΟΙΟΓΕΝΗΣ ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΗ Θεωρούµε την ιδανική περίπτωση µε απουσία τριβής και διατµητικής παραµόρφωσης του κρυσταλλικού πλέγµατος του υλικού. Ένα τµήµα του υλικού διατοµής Α ο και µήκους l παραµορφώνεται µε ταχύτητα u σε τµήµα υλικού διατοµής και µήκους l, βλ. Σχ. 7. Γι αυτή την πλαστική παραµόρφωση έχουµε: Σχ. 7 Σχηµατική παράσταση κατεργασίας ολκής & Ρυθµός εξωτερικού έργου: W& e F u t u (1) Ρυθµός εσωτερικού έργου: W i (ειδικό έργο) x (κατεργαζόµενο όγκο ανά µονάδα χρόνου) ε d σ ε ( u) ( Y ε) ( u) 0 (2) ε σ dε 0 όπου Y το µέσο όριο διαρροής για την σηµειούµενη µέση παραµόρφωση ε ε ln. Από την απαίτηση να ισχύει W e W i προκύπτει από το συνδυασµό των εξ. (1) και (2) t Y ln (3) F Y ln (4) 6
ΑΝΟΜΟΙΟΓΕΝΗΣ ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΗ Για την αντιµετώπιση των προσθέτων έργων εισάγεται κατά τα γνωστά στις σχέσεις (3) και (4) ο συντελεστής ανοµοιογένειας c, ο οποίος για τις συνήθεις κατεργασίες ολκής λαµβάνει τυπικές τιµές στην περιοχή 1.33 2. Συνεπώς θα ισχύει ln Y c t (5) ln Y c F (6) ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΜΕΓΙΣΤΗΣ ΜΕΙΩΣΗΣ ΙΑΤΟΜΗΣ ΣΥΡΜΑΤΟΣ ΑΝΑ ΠΑΣΟ Για την κάλυψη κατάστασης αστάθειας του σύρµατος και σε κρατυνόµενα υλικά, θεωρείται ως οριακή κατάσταση για τον υπολογισµό του µέγιστου ποσοστού µείωσης της διατοµής σύρµατος, r mαx όταν η εφελκυστική τάση t λάβει ως µέγιστη τιµή της το µέσο όριο διαρροής Y κατά την ιδεατή παραµόρφωση του σύρµατος. Οπότε από την εξ. (3) θα είναι ln Y Y ή e ή τελικά 1 max e 1 r 63%. 7