Повышение комплекса механических свойств стальной проволоки на основе разработки совмещенно-комбинированного способа волочения

35. Патент РК № 27262. Устройство для непрерывного прессования металла. Обработка металлов давлением. Найзабеков А.Б., Лежнев С.Н., Панин Е.А. МКИЗ В21 J 5/00. (уведомление № 6263 от 05.03.2015).

36. Найзабеков А.Б., Лежнев С.Н., Чукин М.В. Разработка и теоретическое исследование совмещенного процесса «прокатка-прессование», позволяющего получать металл с су-бультрамелкозернистой структурой // Обработка сплошных и слоистых материалов: Межвузовский сборник научных трудов. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. госуд. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2011. Вып. 37. С. 3-12.

37. Найзабеков А.Б., Лежнев С.Н., Волокитин А.В. Исследование влияния нового совмещенного процесса деформирования «прессование-волочение» на эволюцию микроструктуры стальной проволоки // XIII International scientific conference «New technologies and achievements in metallurgy and material engineering», Czestochowa, Poland, 2012. Pp. 433-437.

38. Панов Е.И., Эскин Г.И. Влияние поперечно-винтовой прокатки на структуру и свойства заэвтектических силуминов // Металловедение и термическая обработка металлов. МиТОМ. 2004. №. С. 7-13.

39. Овчинников Д.В., Богатов А.А., Ерпалов М.В. Разработка и внедрение технологии производства высококачественных насосно-компрессорных труб из непрерывно-литой заготовки // Черные металлы. 2012, март. С. 18-21.

40. Заявка № 2014135430 Российская Федерация МПК B21J 13/02. Кузнечный инструмент / Богатов А.А., Нухов Д.Ш. № 2014135430; заявл. 29.08.2014.

41. Богатов А.А., Нухов Д.Ш. Разработка способа и научных основ процесса деформации заготовки без изменения формы // Заготовительные производства в машиностроении .2015. № 3. С. 20-23.

42. Богатов А.А., Нухов Д.Ш. Компьютерное моделирование нового способа кузнечной протяжки полос // Производство проката. 2015. № 3. С. 25-27.

43. Богатов А.А., Нухов Д.Ш. Конечно-элементное моделирование кузнечной протяжки полос без изменения формы и размеров в условиях знакопеременной деформации // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2015. № 6. С. 442-428.

44. Заявка № 2015125502 Российская Федерация МПК B21J 13/02. Способ прокатки литого сляба / Богатов А.А., Нухов Д.Ш. № 2015125502; заявл. 26.06.2015.

45. Валковый узел: пат. Рос. Федерация. № 02029899 / А.А. Богатов, Д.Ш. Нухов, № 2015119322; заявл. 21.05.2015; опубл. 28.08.2015. 3 с.

УДК 621.778

ПОВЫШЕНИЕ КОМПЛЕКСА МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СТАЛЬНОЙ ПРОВОЛОКИ НА ОСНОВЕ РАЗРАБОТКИ СОВМЕЩЕННО-КОМБИНИРОВАННОГО СПОСОБА ВОЛОЧЕНИЯ*

Харитонов В.А., Галлямов Д.Э.

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

Уровень свойств металлопродукции во многом определяется способом ОМД и присущими этому способу технологическими приемами. Для стальной проволоки, изготавливаемой способом волочения через монолитные волоки, характерно интенсивное снижение пластических свойств и накопление микродефектности. Причина такого поведения металла в особенностях способа - высоком контактном трении, дополнительных сдвигах металла в рабочем конусе волоки, неблагоприятной схеме напряженно-деформированного состояния в очаге деформации, характеризующейся интенсивным одноосным растяжением.

*Работа проведена в рамках реализации госзадания по теме «Разработка технологии получения высокопрочных длинномерных профилей из материалов с ультрамелкозернистой структурой в условиях комбинирования процессов интенсивного пластического деформирования» (Задание № 11.1525.2014К от 18.07.2014); а также при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках реализации комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства с участием высшего образовательного учреждения (Договор от 01.12.2015 г. № 02.G25.31.0178).

Это не позволяет реализовать высокие прочностные характеристики проволоки и осложняет ее дальнейшую переработку. Кроме того, все характеристики, как пластические, так и прочностные, имеют тенденцию к снижению при увеличении диаметра изготавливаемой проволоки.

Одновременно с развитием технического прогресса растет и потребность в высококачественной проволоке, что определяет необходимость усовершенствования существующей технологии волочения. Несмотря на применение более совершенных волочильных смазок, конструкции волочильного инструмента, способа охлаждения проволоки и волок, значительного качественного прорыва в области традиционного волочения не происходит. Решение проблемы заключается не только в совершенствовании традиционного способа волочения, но и в разработке и внедрении новых технологических процессов производства проволоки, построенных по иному принципу. Появление альтернативных способов получения проволоки, таких как прокатка, безфильерное волочение, показало, что, несмотря на определенные достоинства, они не вполне пригодны для массового производства проволоки и поэтому они широкого распространения не получили.

Одним из вариантов совершенствования способа волочения может быть применение новых технических решений, основанных на комбинированных методах обработки металлов давлением. В отличие от совмещенных процессов, заключающихся в объединении в одной линии нескольких отдельных технологических операций, не меняя при этом сути волочения в монолитных волоках, для комбинированных характерно сочетание нескольких схем деформации. Комбинированный процесс представляет собой способ обработки металлов давлением, образующийся в результате объединения простых операций (прокатки, волочения, прессования), и в котором происходит интегральное наложение нагрузок в очаге деформации. Осуществление пластической деформации путем комбинированного приложения внешней нагрузки имеет большое значение в воздействии на контактные напряжения. Путем принудительного изменения кинематики контактных скольжений достигается снижение негативного действия сил трения и превращение их в активные силы, способствующие развитию деформации. Происходящая при этом смена схем деформации положительно влияет на напряженно-деформированное состояние заготовки: смена направления течения металла, появление новых систем скольжения способствуют повышению пластических характеристик проволоки. В итоге получается процесс, обладающий в силу синергетического эффекта новым комплексом свойств. В последние годы появилась тенденция разработки совмещенно-комбинированных процессов, когда на каждом последовательном этапе обработки может применяться комбинированный процесс [1, 2, 3].

Следует отметить, что широкое применение комбинированных способов во многом ограничивается необходимостью создания специального оборудования и оснастки, т.к. они не всегда встраиваются в существующие технологические линии.

В работе [4] предложен совмещенно-комбинированный способ волочения, который представляет собой последовательную деформацию волочением в роликовой и монолитной волоках, осуществляемую за счет приложенного к переднему концу проволоки вытягивающего усилия (рис. 1). Обжатие за проход поделено между волочением в неприводных роликах, где преобладает схема напряженного состояния всестороннего сжатия, и волочением через монолитную волоку с двухсторонним сжатием и одноосным растяжением. Причем основная деформация происходит в монолитной волоке, а в роликовой волоке - дополнительная. При этом процесс изготовления проволоки, как и в случае традиционного волочения, остается многократным, но взамен мыльниц с волокодержателями на каждом блоке волочильной машины устанавливаются специализированные комбинированные волочильные модули. Модуль легко встраивается в линию обычной волочильной машины и не требует ее значительного переоборудования, и поэтому технологическая схема изготовления проволоки

остается традиционной. Подготовка поверхности заготовки осуществляется травлением или механическим способом в линии стана.

Рис. 1. Схема совмещенно-комбинированного способа «прокатка-волочение»

Способ изготовления проволоки прокаткой или волочением в роликовых волоках на готовый размер с калибровкой в монолитной волоке для достижения требуемой точности диаметра не рассматривался в виду того, что он не предполагает чередования схем деформации (рис. 2). Такой способ был бы целесообразен при производстве проволоки из трудноде-формируемых сталей и сплавов из-за лучших условий деформирования. Для производства проволоки из углеродистой стали и особенно для проволоки больших диаметров с целью получения комплекса высокой прочности и достаточной пластичности необходимо комбинированное деформирование.

в) г)

Рис. 2. Четырёхроликовая волока

При использовании этого способа волочения предполагалось реализовать следующие его преимущества. Во-первых, за счет чередования схем деформации обеспечить лучшую деформируемость металла и более высокий уровень пластических свойств стальной проволоки. Во-вторых, снизить контактное трение, т.к. в роликовой волоке оно частично заменяется трением качения в подшипниках, а активная часть сил трения способствует втягиванию

металла в калибр валков. Отрицательный характер носит только та часть сил трения, которая возникает в канале монолитной волоки.

Одновременно применение совмещенно-комбинированного способа волочения позволит более эффективно использовать волочильное оборудование и снизить энергозатраты. Выполненный анализ параметров волочения показал, что при традиционном волочении существуют значительные резервы энергосбережения. Как правило, мощность оборудования позволяет вести волочение с более высокими, чем принято, единичными обжатиями, но они ограничиваются требованиями по уменьшению нагрева и деформационного старения, снижения расслаиваемости и др. [5]. В работе [6] показано, что мощность привода стандартного волочильного оборудования, например, станов SKET, достаточна для протягивания проволоки одновременно через клеть и монолитную волоку. При этом усилие волочения и энергозатраты возрастают незначительно, и имеется достаточный запас прочности для ведения безобрывного волочения. В связи с этим, комбинированный способ позволяет осуществить дополнительную загрузку двигателей привода волочильной машины и использовать их с более высоким КПД. При использовании комбинированного волочения можно распределить частные обжатия между монолитной и роликовой волоками так, чтобы можно было повысить частные обжатия и уменьшить число переходов, интенсифицируя тем самым технологический процесс.

Положительной стороной предложенного способа является и то, что он позволяет использовать имеющееся в метизном производстве оборудование и инструмент, совместим со скоростями грубого и среднего волочения проволоки, отличается простотой установки.

Выполненные промышленные эксперименты подтверждают, что при изготовлении стальной проволоки предлагаемым способом можно обеспечить существенное повышение ее механических свойств. В первую очередь, это выражается в сохранении более высокой пластичности проволоки. Результаты испытаний механических свойств проволоки диаметром 4,0 и 5,0 мм, изготовленной традиционным и комбинированным способами, приведены в таблице.

В экспериментах в качестве промежуточного профиля, получаемого в неприводной роликовой клети, был использован невыполненный квадрат. Это связано с простотой его получения в имеющихся 4-х роликовых неприводных клетях типа TURKS HEAD. Однако форма промежуточного профиля может быть любой (круг, правильный многоугольник). Главное условие - разделение общей деформации за проход на две части, имеющие разные схемы напряженного состояния, а при многократном волочении будет происходить их чередование.

Механические свойства проволоки

Способ изготовления Временное сопротивление разрыву оВ, Н/мм2 Удлинение §100, % Сужение Ф, % Число перегибов Число скручиваний Оценка состояния скрученных образцов

Диаметр 4,0 мм

Традиционный 1540 - 1550 1545 3,2 - 3,4 3,3 49,5 10 - 11 10,7 27 - 34 31 Расслоения нет

Комбинированный 1440 - 1450 1445 4,1 - 4,4 4,3 55 12 - 13 12,4 34 - 38 36,3 Расслоения нет

Диаметр 5,0 мм

Традиционный 1538 - 1534 1536 3,5 - 3,9 3,7 51 12 - 15 13,3 24 - 27 25,7 Расслоения нет

Комбинированный 1561 - 1544 1552,5 3,6 - 3,8 3,7 50 12 - 13 12,7 26 - 31 28 Расслоения нет

С применением программного комплекса «DEFORM-3D» проведены моделирование и анализ напряженно-деформированного состояния в рабочем конусе монолитной волоки при

волочении проволоки по схеме «невыполненный квадрат - круг». Моделирование выполняли в соответствии с принятыми в экспериментах маршрутами волочения.

Определено [7], что устойчивость процесса волочения и стойкость волочильного инструмента зависят от формы промежуточного профиля. Как правило, простейшие профили (овальные, треугольные, квадратные) получают в 2-, 3- и 4-х валковых калибрах. Из них наибольшей вытяжной способностью, меньшей склонностью к переполнению калибра и меньшим уширением при равных деформациях обладают 4-х валковые калибры. Эти калибры благоприятны и с точки зрения схемы напряженного состояния и повышения КПД деформации и получения высокой точности профиля [8]. В результате моделирования установлено, что промежуточный профиль, получаемый в 4-х роликовых неприводных клетях TURKS HEAD, должен представлять собой невыполненный квадрат с большим радиусом закругления. Это целесообразно и для снижения нагрузки на стенки монолитной волоки при последующем протягивании профиля.

Для расчета обжатий в модуле на основе экспериментальных данных получена зависимость коэффициента заполнения калибра Кз, определяемого как отношение фактической площади поперечного сечения профиля к площади квадратного калибра, от величины коэффициента вытяжки ¡¡:

Кз = - 137,28^+643,13/ - 1 129,3^+881,17^ = 256,935.

Установлено, что наиболее благоприятные условия в монолитной волоке можно обеспечить при волочении промежуточного квадратного профиля о степенью заполнения калибра Кз не более 0,9. В этом случае напряженное состояние в рабочем конусе монолитной волоки мало отличается от стандартного волочения «круг в круг». Анализ результатов компьютерного моделирования координатных сеток позволяет сделать следующее заключение о положении зон интенсивного течения металла:

- наиболее интенсивная деформация происходит по диагоналям квадратной полосы;

- в поперечных сечениях с увеличением обжатия происходит перетекание металла из зон с повышенной деформации в зоны с меньшей деформацией, затем деформация по сечению выравнивается и определяется сжимающими напряжениями;

- в целом, несмотря на разницу в степени деформации по сторонам и диагоналям квадратного сечения, сильного искривления координатной сетки и интенсивных сдвигов не наблюдается, что говорит о достаточно равномерной и глубокой проработке металла по сечению.

В результате компьютерного моделирования в DEFORM-3D установлено, что при со-вмещенно-комбинированном волочении, распределение напряжений в очаге деформации калибрующей монолитной волоки имеет ту же картину, что и при традиционном волочении, но интенсивность поверхностных растягивающих напряжений значительно ниже (рис. 3).

-500 333 -167 0 000 167 333 500

Рис. 3. Напряженное состояние в деформационной зоне при волочении проволоки диаметром 4,00 мм в монолитных волоках

Выполненные расчеты [9-11] показали, что использовать комбинированное волочение целесообразно при изготовлении проволоки средних и больших диаметров, т.к. на практике с увеличением диаметра протягиваемой проволоки применяют пониженные частые обжатия.

В результате проведенных исследований разработана методика определения частных вытяжек и их распределения в модуле между операциями протяжки в роликах и монолитной волоке, необходимая для построения маршрутов комбинированного волочения [2].

Выполненная работа доказывает, что комбинированные процессы существенно расширяют технологические возможности традиционных способов обработки металлов давлением. Предложенный совмещенно-комбинированный способ волочения обеспечивает получение стальной высокопрочной проволоки с повышенными пластическими свойствами. Действие двух схем деформации позволяет управлять напряженно-деформированным состоянием, способствует повышению деформируемости металла и сохранению его пластических свойств, что подтверждается экспериментальными исследованиями. При этом возможно осуществлять волочение с более высокими единичными обжатиями за меньшее число проходов и снизить тем самым энергозатраты.

Таким образом, разработка и реализация комбинированнных процессов является важной задачей, позволяющей улучшить технико-экономические показатели процесса, обеспечить получение высококачественной стальной проволоки и повысить ее конкурентоспособность.

Список литературы

1. Сидельников С.Б., Довженко Н.Н., Загиров Н.Н. Комбинированные и совмещенные методы обработки цветных металлов и сплавов: монография. М.: МАКС Пресс, 2005. 344 с.

2. Харитонов В.А., Галлямов Д.Э. Совершенствование технологии производства проволоки на основе разработки модульно-комбинированных процессов волочения // Металлургия: технологии, инновации, качество: Труды XIXM междунар. науч.-практ. конф. В 2 ч. Ч. 2. / Сиб. гос. индустр. ун-т под ред. Е.В. Протопопова. Новокузнецк: Изд. Центр СибГИУ, 2015. 333 с., ил.

3. Харитонов В.А., Радионова Л.В., Зюзин В.И. Процессы волочения проволоки с комбинированным нагружением. Методическая разработка. Магнитогорск: МГТУ, 1999. 36 с.

4. 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.

5. Зюзин В.И., Клековкина Н.А., Харитонов В.А. и др. Оптимизация энергозатрат при волочении проволоки. Ресурсосбережение в метизном производстве. Коллективная монография. Магнитогорск. 2001. 163 с.

6. Харитонов В.А., Галлямов Д.Э. Энергосбережение при производстве стальной проволоки совмещенным способом «протяжка-волочение» // Моделирование и развитие процессов обработки металлов давлением: Междунар. сб. науч. тр. / под. ред. В.М. Салганика, Вып. 20. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2014. С. 231-236.

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

8. Поляков М.Г., Никифоров Б.А., Гун Г.С. Деформация металла в многовалковых калибрах. М., Металлургия, 1979. 240 с.

9. Харитонов В.А., Галлямов Д.Э. Влияние масштабного фактора на выбор способа волочения проволоки // Заготовительные производства в машиностроении. 2014. № 3. С. 34-37.

10. Харитонов В.А., Галлямов Д.Э. Анализ влияния способа деформации на уровень свойств стальной проволоки // Качество в обработке материалов. 2014. № 1. С. 42-48.

11. Харитонов В.А., Галлямов Д.Э. Влияние способа волочения на конкурентоспособность стальной проволоки // Моделирование и развитие процессов обработки металлов давлением: междунар. сб. науч. тр. / под ред. В.М. Салганика. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2012. С. 191-199.