СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ПРУТКОВЫХ И ПРОВОЛОЧНЫХ МЕТАЛЛОИЗДЕЛИЙ ПОВЫШЕННОЙ ТОЧНОСТИ
METHOD OF PRODUCTION OF AXISYMMETRIC BAR AND WIRE METAL PRODUCTS OF INCREASED ACCURACY

Изобретение относится к обработке металлов давлением и предназначено для производства осесимметричных высокоточных прутковых и проволочных изделий волочением.
Известно, что прутковые и проволочные металлоизделия изготавливают по технологической схеме, совмещающей прокатку или прессование заготовки и ее последующее волочение через конический волочильный инструмент.
Предварительно передний конец заготовки заостряют, формируют захватку, которую вводят в инструмент (волоку), зацепляют зажимом тянущего устройства и производят деформацию протягиваемой заготовки в технологическом инструменте (см. Перлин И.Л., Ерманок М.З. Теория волочения. - М.: Металлургия, 1971. - с. 18).
Наиболее близким способом того же назначения к заявляемому изобретению по совокупности признаков является способ волочения изделий (см. патент РФ №2126731 от 27.01.1999, кл. В21С 1/00), включающий предварительное формирование на заготовке захватки, деформацию заготовки в конических волоках с использованием технологической смазки при наличии остаточных напряжений в металлоизделиях.
Недостатком известного способа, принятого за прототип, является то, что он не учитывает изменение геометрических размеров, в частности диаметра металлоизделий, вследствие релаксации остаточных напряжений.
Известно, что в процессе пластического деформирования в протягиваемых изделиях возникают остаточные напряжения (см. Перлин И.Л., Ерманок М.З. Теория волочения. - М.: Металлургия, 1971. - с. 371-383), которые существенно влияют на процесс волочения и качество металлоизделий, в частности конечный размер металлоизделий.
При производстве прутковых и проволочных изделий применяется многопереходное волочение через ряд последовательных волок. При многопереходном волочении остаточные напряжения накапливаются от перехода к переходу, при этом их влияние на качество, в частности геометрические параметры, металлоизделий возрастает, что особенно важно при производстве металлоизделий повышенной точности.
Признаки прототипа, совпадающие с признаками заявляемого решения, - предварительное формирование на изделии захватки и последующее волочение с использованием технологической смазки через монолитные волоки.
Задачей изобретения является учет релаксации остаточных напряжений и изменение конечного размера осесимметричных прутковых и проволочных металлоизделий вследствие релаксации остаточных напряжений.
Поставленная задача была решена за счет того, что в известном способе производства осесимметричных прутковых и проволочных металлоизделий повышенной точности, включающем предварительное формирование на изделии захватки и последующее волочение с использованием технологической смазки через монолитные волоки, изменение радиуса металлоизделия вследствие релаксации остаточных напряжений определяют по формуле
где
- параметр, определяющий величину остаточных напряжений, МПа;
Е - модуль упругости материала металлоизделия;
μ - коэффициент Пуассона материала металлоизделия;
R - радиус металлоизделия, мм;
е
- основание натурального логарифма;
ψ - параметр, определяющий долю энергии пластического деформирования, пошедшую на формирование остаточных напряжений;
Si
σ - сопротивление пластической деформации протягиваемого металла в i-том переходе многопереходного волочения, МПа;
- степень деформации в i-том переходе;
- вытяжка в i-том переходе;
oi
1i
d, d - диаметры металлоизделия на входе в волочильный инструмент и на выходе из него соответственно в i-том переходе;
в
α - угол наклона образующей волочильного инструмента к оси волочения.
Признаки предлагаемого способа, отличительные от прототипа, - определение увеличения радиуса протягиваемого пруткового или проволочного металлоизделия за счет релаксации остаточных напряжений в зависимости от условий волочения и механических свойств протягиваемого металла.
Остаточные напряжения в объеме прутковых и проволочных металлоизделий после пластического деформирования определяются соотношениями (см. Колмогоров Г.Л., Кузнецова Е.В., Тиунов В.В. Технологические остаточные напряжения и их влияние на долговечность и надежность металлоизделий. Пермь, изд-во ПНИПУ, 2012)
r
θ
z
где σ, σ, σ - остаточные напряжения в радиальном, окружном и осевом направлении соответственно;
μ - коэффициент Пуассона материала;
- относительная радиальная координата;
R - радиус металлоизделия.
Параметр  входящий в соотношения (3), определяется технологическими условиями производства металлоизделия
где Е - модуль упругости материала металлоизделия;
μ - коэффициент Пуассона материала;
ψ - коэффициент, определяющий долю энергии пластического деформирования, пошедшую на формирование остаточных напряжений;
Si
σ - сопротивление деформации материала изделия в i-том переходе при многопереходном волочении;
- степень деформации в i-том переходе;
- вытяжка в i-том переходе;
oi
d,  - диаметры металлоизделия на входе в волочильный инструмент и на выходе из него соответственно в i-том переходе;
в
α - угол наклона образующей волочильного инструмента к оси волочения.
Остаточные напряжения, определяемые уравнениями (3), могут быть значительными и привести к изменению геометрии металлоизделий (изменению радиуса) в процессе последующей эксплуатации за счет релаксации остаточных напряжений.
Релаксация напряжений - это изменение напряжений во времени в конструкциях, работающих под нагрузкой. Явление релаксации характерно для большинства конструкционных материалов, обладающих вязкоупругими свойствами. Релаксация напряжений описывается уравнением (см. Качанов Л.М. Основы теории пластичности. М.: Наука, 1969, с. 396)
0
где σ - начальное напряжение (t=0);
p
t - время релаксации;
е
- основание натурального логарифма.
Применительно к остаточным напряжениям системы (3) уравнение релаксации (4) дает
θ
Вследствие релаксации напряжений в прутковых и проволочных металлоизделиях произойдет изменение геометрических размеров, в частности изменение их радиуса. Изменение радиуса металлоизделий характеризует относительная деформация в окружном направлении ε, которая определяется законом Гука
θ
Максимальная деформация ε соответствует поверхности прутковых и проволочных металлоизделий
θ
Уравнение (6) с учетом (5) даст значение ε для поверхности  в следующем виде
p
При полной релаксации напряжений в процессе последующей эксплуатации металлоизделий t=t, при этом
Относительная окружная деформация определяется в свою очередь соотношением (см. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М.: Наука, с. 276)
для r=R имеем
где U - радиальное перемещение поверхности металлоизделия, которое будет определять изменение конечного радиуса металлоизделия.
Из соотношения (8) получим
с учетом (7) имеем
при этом  определяется соотношением (2).
Пример конкретной реализации.
i
Медный пруток радиусом 20 мм изготовили из прессованной заготовки за 7 переходов с коэффициентом вытяжки в каждом переходе λ=1.5.
Исходные данные для расчета:
5
в
S
ψ=0.15, μ=0.34, Е=1.2⋅10 МПа, α=10°, σ=400 МПа.
В результате расчета получили  МПа и ΔR=0.233 мм, что составит изменение диаметра Δd=0.466 мм.
i
Пруток радиусом 25 мм из титанового сплава НМП-1А изготовлен из прессованной заготовки за 4 перехода с коэффициентом вытяжки в каждом переходе λ=1,3.
Исходные данные для расчета:
5
в
S
ψ=0.20, μ=0.35, E=1.1⋅10 МПа, α=6°, σ=800 МПа.
В результате расчета получили  МПа и ΔR=1,87 мм, что составит изменение диаметра Δd=3,76 мм.
При производстве высокоточных прутков изменения диаметра могут оказаться существенными, что потребует соответствующей корректировки геометрии волочильного технологического инструмента.