Конечно-элементное моделирование волочения проволоки с различной кратностью

Список литературы

1. Чеэрова, М.Н. Закономерности формирования зерна аустенита и их применение для повышения структурной однородности и качества пружинной проволоки: дис. ... канд. техн. наук / М.Н. Чеэрова. Нижний Новгород, 2008. 288 с.

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

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

4. Губкин, С.И. Теория обработки металлов давлением / С.И. Губкин. М.: Государственное научно-техническое издательство литературы черной и цветной металлургии, 1947. 533 с.

5. Смирнов-Аляев, Г.А. Сопротивление материалов пластическому деформированию / Г.А. Смирнов-Аляев. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1978. 368 с.

6. Надаи, А. Пластичность и разрушение твердых тел / А. Надаи. М.: Издательство иностранной литературы, 1954. 648 с.

7. Битков, В.В. Технология и машины для производства проволоки / В.В. Битков. Екатеринбург: УрО РАН, 2004. 343 с.

8. Ресурсосбережение в метизном производстве (теория и практика работы Белорецкого металлургического комбината): Коллективная монография / В.И. Зюзин, Н.А. Клековкина, В.А. Харитонов и др. Магнитогорск: МГТУ, 2001. 163 с.

УДК 621.778.1

КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЛОЧЕНИЯ ПРОВОЛОКИ С РАЗЛИЧНОЙ КРАТНОСТЬЮ*

Головизнин С.М.

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

Волочение проволоки - сложный многофакторный процесс [1-5]. Экспериментальная проверка новых и усовершенствование используемых технологий является достаточно дорогостоящим процессом, занимающим длительное время. Поэтому оптимальным представляется использование математического моделирования в сочетании с лабораторными и производственными экспериментами. В частности, эффективным является использование метода конечных элементов, который позволяет максимально приблизить условия моделирования к производственному эксперименту. Вопрос выбора кратности волочения является важным элементом разработки технологии волочения проволоки [1].

Цель работы - конечно-элементное моделирование маршрутов волочения с различной кратностью и анализ влияния различных факторов на условия процесса волочения проволоки.

*Работа проведена при участии профессора кафедры технологий обработки материалов ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» Харитонова В.А.

В работе проводилось моделирование волочения проволоки для двух маршрутов, в 5 протяжек и в 7 протяжек. Начальный и конечный диаметры проволоки одинаковы для обоих маршрутов. Скорость волочения - 2 м/с и 6 м/с. С целью исключения влияния случайного отклонения величин обжатий по маршруту волочения были выбраны маршруты волочения с линейным распределением обжатий. В выбранных маршрутах обжатия уменьшаются с уменьшением диаметра проволоки. Проволока из стали марки 70.

Маршрут в 5 протяжек: 9,0-7,79-6,85-6,1-5,50-5,03 мм.

Маршрут в 7 протяжек: 9,0-8,19-7,48-6,85-6,31-5,83-5,40-5,03 мм.

Распределение обжатий по выбранным маршрутам представлено на рис. 1.

Результаты моделирования не показали зависимости силы волочения от скорости волочения для скоростей 2 м/с и 6 м/с, так как выбранная марка стали отличается слабой зависимостью сопротивления деформации от скорости деформации [6].

0,26 0,24 0,22

и ^^^^

I °'2

ю

О

0,18 0,16 0,14

12 3

№ прохода

Рис. 1. Распределение обжатий по маршрутам волочения в 5 и 7 протяжек

На рис. 2 представлены зависимости силы волочения и напряжения волочения для волочения в 5 и 7 протяжек, скорость волочения 2 м/с. В моделируемом процессе волочения после каждой волоки расложен тянущий барабан. На представленных зависимостях усилие волочения на каждом проходе представляет собой силу, с которой соответствующий барабан протягивает проволоку через волоку.

Рис. 2. Изменение силы волочения по двум маршрутам в 5 и 7 протяжек

Как видно из представленных зависимостей, сила волочения для 5-кратного маршрута выше в начале маршрута и ниже в конце маршрута по сравнению с 7-кратным маршрутом волочения. Это можно объяснить более быстрым падением величин обжатий по 5-кратному маршруту.

Напряжение волочения для 5-кратного маршрута существенно выше, что приводит к уменьшению коэффициента запаса и росту вероятности обрыва.

На рис. 3 представлены изменение нормальной силы, действующей на контактную поверхность волоки, и нормального контактного напряжения по маршруту волочения.

Рис. 3. Изменение контактной силы и контактного напряжения для 5 и 7-кратных маршрутов

Также, как и сила волочения, сила, действующая на контактную поверхность, для 5-кратного маршрута больше в начале и меньше в конце маршрута, в отличие от 7-кратного маршрута волочения. Как и в случае силы волочения, это объясняется более быстрым уменьшением величины обжатия для 5-кратного маршрута.

Нормальное контактное напряжение выше вдоль всего маршрута волочения для 7-кратного маршрута. Это объясняется тем, что при волочении в 5 проходов единичные обжатия выше, чем при волочении в 7 проходов. Увеличение обжатия приводит к увеличению площади контактной поверхности волоки и, следовательно, к уменьшению контактного напряжения.

Распределение потребляемой мощности по тянущим барабанам и суммарная мощность представлены на рис. 4.

Согласно результатам моделирования, потребляемая на барабанах мощность растет с увеличением скорости волочения. Потребляемая мощность в среднем выше для 5-кратного маршрута волочения проволоки. Однако, можно заметить, что на последнем барабане потребляемая мощность для 5-кратного маршрута приближается к потребляемой мощности для 7-кратного маршрута.

Расчетная суммарная мощность, потребляемая всеми барабанами, выше для 7-кратного маршрута и она растет с ростом скорости волочения.

Рис. 4. Потребляемая на тяговых барабанах и суммарная мощность

На рис. 5 представлены графики распределения скоростей по исследуемым маршрутам волочения и изменение средней по маршруту скорости волочения с ростом скорости проволоки на выходе из последней волоки.

Средняя по маршруту скорость волочения выше для 5-кратного маршрута. С увеличением скорости на выходе из последней волоки, средняя скорость растет быстрее при волочении в 5 протяжек.

Рис. 5. Распределение скоростей волочения и изменение средней по маршруту скорости волочения

Остаточные напряжения в проволоке зависят от степени неоднородности деформации при волочении проволоки [2-4]. Поэтому остаточные напряжения можно использовать в качестве меры неоднородности деформации. В работе остаточные напряжения определялись как напряжения, оставшиеся в проволоке после её полного выхода из волоки.

На рис. 6 представлены зависимости продольных остаточных напряжений для волочения с различной кратностью и скоростью волочения.

Из приведенных зависимостей можно сделать вывод, что 5-кратный маршрут волочения в среднем обеспечивает более равномерное распределение деформации по сечению проволоки. Однако, можно заметить, что на последних проходах уровень остаточных напряжений для 5 и 7-кратного маршрутов практически одинаков.

С увеличением скорости волочения уровень остаточных напряжений увеличивается как для 5 -кратного, так и для 7-кратного маршрутов волочения, то есть растет неоднородность деформации по сечению проволоки.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 1 2 3 4 5 6 7

№ прохода № прохода

Рис. 6. Распределение продольных остаточных напряжений для 5 и 7-кратного волочения и зависимость продольных остаточных напряжений от скорости волочения

Таким образом, проведенное конечно-элементное моделирование 5 и 7-кратных маршрутов волочения не выявило однозначного преимущества одного из исследованных маршрутов. Решение об использовании того или другого маршрута должно приниматься исходя из конкретных требований к готовой проволоке.

Список литературы

1. Перлин И. Л., Ерманок М. З. Теория волочения. М.: Металлургия, 1971. 448 с.

2. Wright, Roger N. Wire technology: process engineering and metallurgy. Elsevier. 2011. 320 p.

3. Enghag, Per. Steel wire technology. Sweden. Örebro University. 2009. 351p.

4. George E. Dieter, Howard A. Kuhn, S. Lee Semiatin. Handbook of workability and process design. Materials Park, OH: ASM International. 2003. 414 p.

5. Харитонов В.А., Головизнин С.М. Проектирование режимов высокоскоростного волочения проволоки на основе моделирования: монография. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2011. 117 с.

6. Третьяков А.В., Зюзин В.И. Механические свойства металлов и сплавов при обработке давлением. М.: Металлургия, 1973. 224 с.

УДК 621.778

ПРОЕКТИРОВАНИЕ МАРШРУТОВ ВОЛОЧЕНИЯ В МОНОЛИТНЫХ ВОЛОКАХ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОВОЛОКИ В ОЧАГЕ ДЕФОРМАЦИИ

Усанов М.Ю.

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

В технологических картах на изготовление проволоки обычно указывают марку стали заготовки, ее диаметр, маршрут (число протяжек и диаметры волок) волочения до готового размера. Построение маршрутов волочения заключается в определении частных деформаций по переходам (барабанам) волочильной машины с учётом скоростных условий. Маршрут волочения должен обеспечивать получение качественной проволоки с достаточным запасом прочности и пластичности с максимально возможной производительностью и минимальными затратами на ее изготовление [1, 2].

В данной работе нами предложена методика, в которой мы сразу закладываем минимальное гидростатическое напряжение на оси проволоки. Для этого в Deform-3d [4] была исследована одна протяжка из стали марки 80 исходным диаметром 16,00 мм, которую протягивали с обжатиями от 11 до 41 %. При этом заготовка разбита на 72340 конечных элемента. Геометрия волоки по ГОСТ 9453-75, принималась как абсолютно жесткое тело. Скорость волочения - 1 м/с. Коэффициент трения по Кулону 0,08.

В результате моделирования, после каждой протяжки оценивали значение гидростатического напряжения на оси проволоки. По полученным данным построен график (рис. 1).