Совершенствование процесса волочения высокоуглеродистой проволоки на основе применения модульно-комбинированного способа

Список литературы

1. Производство пружинной проволоки: учеб. пособие. / В.А. Харитонов, Д.Э. Галля-мов. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. унт-та им. Г.И. Носова, 2013. 151 с.

2. Совершенствование режимов деформации и инструмента при волочении круглой проволоки : монография / В.А. Харитонов, А.Ю. Манякин, М.В. Чукин, Ю.А. Дремин, Тике-ев М.А., Усанов М.Ю. Магнитогорск : Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2011. 174 с.

3. Производство стальной проволоки : монография / Х.Н. Белалов, Н.А. Клековкина, Б.А. Никифоров и др. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2005. 543 с.

4. Усанов, М.Ю., Харитонов, В.А., Эффективность применения деформации кручения в способах производства наноструктурированной проволоки // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. - 2016. - Т. 14. № 4. С. 66-71.

УДК 621.778

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВОЛОЧЕНИЯ ВЫСОКОУГЛЕРОДИСТОЙ ПРОВОЛОКИ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ МОДУЛЬНО-КОМБИНИРОВАННОГО СПОСОБА

Галлямов Д.Э., Харитонов В.А.

ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», г. Магнитогорск, Россия

Стальная высокопрочная проволока является наиболее массовым видом метизной продукции и широко используется в качестве полуфабриката или в виде готового продукта во многих отраслях промышленности, современный уровень развития которых требует обеспечения все более высоких качественных и эксплуатационных ее характеристик.

Свойства проволоки зависят от многих факторов, основным из которых является способ производства, заключающийся в многократном волочении через монолитные волоки. Способ этот наиболее эффективный и теоретически изученный, но в силу имеющихся недостатков, а именно, монотонности деформации, определяемой однопоточным течением металла; действия растягивающих напряжений в очаге деформации и на выходе из него по сечению проволоки; неравномерности деформации по сечению проволоки волочение практически исчерпало возможности существенного повышения ресурса прочностных и пластических свойств стальной проволоки. Проводимые в настоящее время совершенствования процесса получения проволоки волочением в монолитных волоках направлены, в основном на повышение производительности процесса но ведут к увеличению затрат на его реализацию.

Улучшить механическую схему деформации за счет повышения равномерности деформации по сечению проволоки и снижения сил контактного трения позволяет применения роликового волочения. Однако при этом не меняется схема главных деформаций кроме того значительно усложняется технологический инструмент, чему способствуют также применяемые схемы калибровок роликов «круг - фасонное - сечение - круг». В практике волочения конструктивно применяются сдвоенные роликовые волоки. Все это привело к ограниченному применению роликовых волок при производстве круглой проволоки. Анализ напряженного деформированного состояния проволоки при холодной прокатке, проведенный

в работе [1] показал, что в местах разъемов калибров, как фасонных так и круглых, локализуются растягивающие напряжения, что приводит к снижению деформируемости поверхностных слоев холоднокатаной проволоки, по сравнению с центральными. Аналогичный характер напряженно-деформированного состояния свойственен к волочению в роликовых волоках.

В работе [2] для повышения равномерности распределения деформации по сечению проволоки для холодной высадке предложен процесс волочения в монолитных волоках с чередующимися круглым и овальным рабочим каналом. Численные и экспериментальные результаты данного исследования показали, что предложенный процесс позволяет обеспечить значительно более однородную деформацию углеродистой проволоки по сравнению с традиционным волочением в монолитных волоках с круглым рабочим каналом. Но этот способ значительно усложняет изготовление фасонных волок, вносит коренные изменения в традиционные схемы изготовления проволоки и тем самым затруднит его внедрение в практику волочения. Кроме того, деформация проволоки овального сечения в круглой волоке может привести к разрушению последней.

Актуальность совершенствования волочения проволоки за счет использования комбинированного нагружения подтверждается достаточно большим количеством разработок, как в нашей стране, так и за рубежом. Известно применение комбинированных технологий «прокатка-волочение» как для повышения точности геометрических размеров готовой проволоки, так и для повышения ее физико-механических свойств [3, 4]. Особенностью этих способов является получение при помощи прокатки в несколько проходов промежуточных профилей с калибровкой на готовый размер в монолитной волоке.

В связи с этим, для повышения комплекса свойств проволоки необходимо найти такой вариант комбинирования, при котором будут сведены к минимуму недостатки базовых способов изготовления проволоки, а их преимущества будут использованы максимально. Так как традиционному волочению серьезной альтернативы нет, то комбинирование целесообразно реализовать на его базе, т.е. новый комбинированный процесс можно представить как следующий эволюционный этап развития волочения. Поэтому разработка способа изготовления стальной проволоки, позволяющего улучшить ее пластические свойства, является актуальной задачей.

На основе выполненного анализа авторами предложен модульно-комбинированный способ волочения стальной проволоки. Схема процесса представлена на рис. 1.

Деформируемая заготовка, имеющая сечение в виде круга 1, протягивается через калибр, образованный четырьмя неприводными роликами с гладкой бочкой 2. В роликовой волоке формируется промежуточный профиль, который протягивается через последовательно установленную монолитную волоку 3 и вновь получает сечение в виде круга. Основным

Рис. 1. Схема комбинированного способа волочения

техническим решением является разделение общей деформации за проход на две части, имеющие разные схемы напряженного состояния, повышение единичных обжатий и уменьшения числа переходов. Установлено, что оптимальной формой промежуточного профиля является невыполненный квадрат [5]. Способ реализуется в виде отдельных модулей, объединяющих роликовую и монолитную волоки. Модули легко встраиваются в линию обычной волочильной машины, причем ее значительного переоборудования не требуется, и поэтому технологический процесс изготовления проволоки остается традиционным. Подготовка поверхности заготовки осуществляется химическим способом или механическим в линии волочильной машины.

По результатам компьютерного моделирования в программном комплексе ОЕБОКМ-3Б было установлено, что комбинированный способ позволяет обеспечить хорошую проработку сечения проволоки, т.к. в монолитной волоке преимущественно прорабатываются поверхностные слои проволоки, а в роликовой волоке - внутренние слои. На рис. 2 приведено распределение напряжений в поперечном сечении очага деформации при стандартном волочении через монолитную волоку, а также при комбинированном волочении последовательно через роликовую, а затем - монолитную волоку. При волочении через монолитную волоку в поверхностных слоях (примерно 10 % на сторону) действуют напряжения сжатия, а остальная часть сечения проволоки находится под воздействием растягивающих напряжений, достигающих максимальных значений в центральных слоях (см. рис. 2, а). Для комбинированного волочения картина распределения напряжений иная (см. рис. 1, б, в). В роликовой волоке в поверхностных приконтактных областях (примерно 5 % на сторону) напряженно-деформированное состояние определяется растягивающими напряжениями, а основное сечение полосы находится под напряжениями сжатия и при этом происходит интенсивная проработка проволоки. При последующем волочении полосы через монолитную волоку в центральной области сечения проволоки появляются растягивающие напряжения, но величина их незначительна. Большая часть сечения (до 80%) находится под напряжениями сжатия.

Напряжения. Н/мм'

56.5

106 0

•353 -81.1

-0000 10 2 0 3.0 4.0 5.0 Ширина очага, мм

а)

Рис. 2. Распределение напряжений в поперечном сечении очага деформации при волочении в монолитной волоке

Таким образом, комбинированное волочение в сумме обеспечивает более полную проработку сечения проволоки и позволяет подавить образование локальных областей, в которых происходит накопление внутренних дефектов и микротрещин. Факт лучшей проработки

проволоки по сечению при комбинированном нагружении подтверждают и другие исследования [2].

Выполненные промышленные эксперименты подтверждают, что предложенный способ позволяет получать стальную проволоку более высокого качества, чем традиционный [6, 7]. Образцы проволоки диаметром 4,00 и 5,00 мм из стали марок 70 и 75, соответственно, были изготовлены двумя способами: традиционным волочением в монолитных волоках и совмещенным способом «прокатка-волочение». Далее был проведен сравнительный анализ механических свойств. По результатам испытаний механических свойств у проволоки диаметром 4,0 мм, изготовленной комбинированным способом, отмечался рост числа перегибов в среднем на 15,9 %, а числа скручиваний - на 14,6 %. Это свидетельствует о ее лучшей проработке по сечению и большей равномерности механических свойств по длине. Проволока диаметром 5,0 мм, полученная способом «протяжка-волочение», при равных значениях удлинения, сужения и предела прочности выдержала большее число скручиваний на 8,9 %.

С помощью компьютерного моделирования в программном комплексе ВЕБОЯМ-ЭВ выполнено исследование напряженно-деформированного состояния при комбинированном волочении. Моделирование волочения квадратной полосы через монолитную волоку показывает, что для невыполненного квадрата напряженно-деформированное состояние в очаге деформации имеет вид близкий к волочению «круг в круг». При этом коэффициент заполнения К3 должен иметь значения в диапазоне 0,9-0,93. При волочении квадратного профиля с большей степенью заполнения возможны обрывы проволоки и при К3 > 0,93 происходит интенсивный рост напряжения волочения.

На основании полученных теоретических и экспериментальных результатов разработаны практические рекомендации по режимам волочения высокопрочной проволоки и энергосиловым параметрам процесса, которые могут быть использованы в действующем производстве. Сформулированы требования к разрабатываемому оборудованию, рекомендации по подбору технологических смазок, расчету технологических маршрутов и составу оборудования. Выполнена сравнительная оценка эффективности способов волочения проволоки, приведенная в табл.1.

Таблица 1

Сравнительная оценка эффективности способов волочения

Волочение в монолитных волоках Комбинированное волочение

Схема НДС - двухстороннее сжатие с преобладающим одноосным растяжением Комбинированная схема - чередование сжатия в роликовых и растяжения в монолитных волоках.

Однопоточность течения металла в очаге деформации Однопоточность течения металла сохраняется, но в роликовой волоке из-за уширения происходит изменение направления течения металла.

Высокое контактное трение Контактное трение уменьшается. В роликовой волоке улучшается захват смазки.

Отсутствует возможность активного управления напряженно-деформированным состоянием в очаге деформации. Позволяет управлять напряженно-деформированным состоянием в очаге деформации

Величина единичных обжатий ограничена. Волочение осуществляется на волочильных машинах большой кратности Позволяет осуществлять деформацию с большими обжатиями. Кратность волочильных машин снижается

Требуется сложная подготовка поверхности Подготовка поверхности упрощается. Достаточно механического удаления окалины и нанесения подсмазочного слоя в линии волочильной машины

Высокая прочность и недостаточная пластичность изготавливаемой проволоки Высокая прочность проволоки. Повышается ресурс пластичности проволоки за счет смены направления течения металла

Недостаточная проработка сечения проволоки. Неравномерность деформации Обеспечивает глубокую и равномерную проработку сечения проволоки

Значительная зависимость свойств проволоки от масштабного фактора Влияние масштабного фактора снижается

Требует высоких энергозатрат, особенно при многократном волочении Требует меньших энергозатрат

Результаты исследований были использованы для разработки технологической схемы изготовления проволоки, принятой для опытного опробования на производственной площадке АО «БМК». Внедрение в производство разработанного модульно-комбинированного волочения позволяет обеспечить выпуск конкурентоспособной продукции - высокопрочной стальной проволоки с повышенным ресурсом пластичности, повысить эффективность и производительность процесса волочения, снизить себестоимость продукции, что подтверждено актом внедрения. Подана заявка №2017113168 от 17.04.2017 года на модульно-комбинированный способ волочения круглой проволоки из углеродистой стали.

Работа проведена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках реализации комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства с участием высшего образовательного учреждения (Договоры № МК204895 от 27.07.2015 г.; № 02.G25.31.0178 от 01.12.2015 г.).

Список литературы

1. Харитонов В.А., Таранин И.В. Анализ систем калибров для холодной прокатки проволоки // Производство проката . 2014. № 11. С 26-33.

2. Ho Seon Joo, Sun Kwang Hwang, Hyun Moo Baek, Yong-Taek Im, Il-Heon Son, Chul Min Bae. The effect of a non-circular drawing sequence on spheroidization of medium carbon steel wires // Journal of Materials Processing Technology. 216 (2015) 348 - 356.

3. Ас 1424900 СССР МКН3 В21С1/00 Способ производства стальной проволоки или прутков / Б.А. Никифоров, Вен. А. Харитонов, Вик. А. Харитонов и др. (СССР). Опубл. 23.09.88, Бюл. № 35. 10 с.

4. Ohlwein Klaus. Wickeln, Spulen, Walzen, Ziehen. «Draht» 1984, Bd 35, № 10, S. 537540.

5. Харитонов В.А., Галлямов Д.Э.. Выбор рациональной формы промежуточного профиля при волочении стальной проволоки совмещенным способом «прокатка-волочение» // Производство проката. 2015. № 3. С.30-33.

6. Харитонов В.А., Галлямов Д.Э. Анализ влияния способа деформации на уровень свойств стальной проволоки // Качество в обработке материалов. 2014. № 1. С. 42-47.

7. Харитонов В.А., Галлямов Д.Э.. Оценка эффективности изготовления стальной проволоки совмещенным способом «прокатка-волочение» // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2014. № 12. С. 15-21.

УДК 621.778.1

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УГЛА ВОЛОКИ НА РЕЖИМЫ ВОЛОЧЕНИЯ СТАЛЬНОЙ ПРОВОЛОКИ

Брюханов И.Ю., Головизнин С.М.

ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, г. Магнитогорск», Россия

Волока - основной технологический инструмент при производстве проволоки, в которой для осуществления процесса волочения имеется канал специальной формы. Геометрия волоки имеет существенное влияние на условия волочения проволоки. Особенностью волочения является взаимосвязь технологических параметров, изменение одного из параметров,