Проектирование маршрутов волочения в монолитных волоках на основе анализа напряженного состояния проволоки в очаге деформации

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).

Усилие волочения. кН

Рис. 1. Зависимость гидростатического напряжения и усилия волочения от угла волоки и обжатия для стали марки 80

Так, например, рассмотрим следующий маршрут волочения: 8,00 - 7,08 - 6,24 - 5,56 -4,93 - 4,41 - 4,00 мм. Анализ данного маршрута приведен в табл. 1.

Таблица 1

Анализ исходного маршрута волочения

Номер протяжки

1 2 3 4 5 6

Диаметр проволоки, мм 8,00 7,08 6,24 5,56 4,93 4,41 4,00

Единичное обжатие 0,22 0,22 0,21 0,21 0,20 0,18

Суммарное обжатие 0,22 0,39 0,52 0,62 0,70 0,75

Вытяжка (ц) 1,28 1,29 1,26 1,27 1,25 1,22

Суммарная вытяжка 1,28 1,64 2,07 2,63 3,29 4,00

Полуугол (а) 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0

f (коэф. трения) 0,08 0,08 0,08 0,08 0,08 0,08

Степень неравномерности(Д) 1,72 1,66 1,82 1,74 1,88 2,15

осрв 113,46 120,74 128,25 136,04 144,14 151,86

Усилие волочения, кН 20,47 17,38 13,63 11,75 9,37 7,32

Усилие волочения сум, кН 20,47 37,86 51,48 63,23 72,61 79,92

Напряжение волочения 519,98 568,47 561,26 615,52 613,63 582,38

о0 (кг/мм2) 110 117 125 132 140 148 156

Коэффициент запаса прочности 2,18 2,12 2,29 2,21 2,35 2,61

Как показано в [1], наибольшей производительности и экономической эффективности можно добиться только при убывающей схеме распределения единичных обжатий.

По традиционной методике расчет маршрута волочения проводят следующим образом: 1) Рассчитывают суммарную вытяжку / =

и 0

V й к у

и суммарное обжатие ^ = 1 ——

2) Задают среднее значение вытяжки //ср , которое при волочении углеродистой проволоки, как правило, принимают средним (1,19-1,32) или малым (1,11-1,18).

При выборе величины единичной деформации следует учитывать следующие общие закономерности [3]:

- чрезмерно малые единичные обжатия приводят к неоднородности механических свойств проволоки, повышению кратности волочения, увеличению расхода мощности и вспомогательных материалов на деформацию и в целом к снижению КПД волочения. С возрастанием величины суммарной деформации должны уменьшиться единичные деформации и тем больше, чем выше степень общей деформации. Вместе с тем увеличение числа переходов волочения за счёт уменьшения величины единичных обжатий способствует удалению мелких поверхностных дефектов и снижению степени шероховатости поверхности проволоки.

- чрезмерно большие единичные обжатия могут привести к неустойчивому процессу волочения, надрывам на поверхности, затяжкам и, наконец, к обрывам проволоки, особенно в переходные периоды процесса (пуск и остановка волочильного стана).

3) Рассчитывают кратность волочения п =

1Б /

Мср

4) Рассчитывают диаметры проволоки по проходам.

5) Выполняют проверочный расчет по коэффициенту запаса прочности и требуемую мощность двигателей.

В настоящее время на стадии проектирования принято оценивать маршрут по показателю неравномерности А, вычисляемому по формуле

Ч

где а - полуугол волоки, рад; д - относительная степень деформации.

Таким образом, при построении маршрута волочение необходимо «правильно» задать /

По предлагаемой нами методике после расчета суммарной деформации выбрать единичные обжатия с применением диаграммы (см. рис. 1).

Для этого необходимо задаться рабочим полууглом волок и далее (см. рис. 1) задаться минимальным гидростатическим напряжением. Минимальное гидростатическое напряжение при рабочем угле волоки 12 град будет при обжатии 26%.

(ЧI2 ( 812 „

Далее рассчитываем суммарную вытяжку М=\~° I =|т1 = 4 .

Рассчитываем среднее значение вытяжки / = ^/Г .

Для шести протяжек - и = 1,26, для пяти протяжек - и = = 1,32. Среднее об-

1

1

жатие - # = 1--. Для шести протяжек - дср = 1 - = 0,2063, для пяти протяжек -

ср

1,26

Чср = 1 -

1

1,32

= 0,2424.

Учитывая, что первая протяжка в обоих случаях 26 %, находим значение последней протяжки: для шести протяжек - 20,63 - (26 - 20,63) = 15,26%; для пяти протяжек - 24,24 - (26 - 24,24) = 22,48.

Таким образом, получили значения обжатий на последнем проходе. По рис. 1 определяем гидростатическое напряжение на оси проволоки: для шести проходов оно превысит 300 МПа, для пяти проходов оно будет менее 100 МПа.

Выбираем маршрут с пятью протяжками и рассчитываем обжатия для каждой протяж-

ки по убывающей схеме (рис. 2) = - ^—^ • (п

прохода

п)+ дк и диаметры йп = йп-1 1 -дп .

Рис. 2. Распределение обжатий по протяжкам

Получили следующие значения диаметров: 8,00 - 6,88 - 5,96 - 5,18 - 4,54 - 4,00 мм.

Сведем данные для полученного маршрута в табл. 2.

Как можно видеть, рабочий полуугол волоки в обоих случаях 6 град. При этом снижается степень неравномерности, вследствие увеличения вытяжек, что способствует лучшей проработке металла.

Значения единичных обжатий для шестикратного и пятикратного маршрутов волочения нанесем на график, для оценки гидростатического напряжения на оси проволоки, который получили при моделировании в Deform-3d (рис. 3).

Как видно из рис. 3, для пятикратного маршрута значения гидростатического напряжения в первых трех протяжках имеет отрицательное значения, в то время, как в 4 и 5 протяжках оно не превышает 100 МПа. В отличие от шестикратного маршрута, где во всех протяжках гидростатическое напряжение носит растягивающий характер и на последнем проходе достигает значения в 250 МПа.

Таким образом, по полученным нами кривым можно на стадии проектирования оценить напряженное состояние проволоки в очаге деформации, что позволяет наиболее эффективно подбирать обжатия и рабочие углы волок.

Таблица 2

Анализ предлагаемого маршрута волочения

Номер протяжки

1 2 3 4 5

Диаметр проволоки, мм 8,00 6,88 5,96 5,18 4,54 4,00

Единичное обжатие 0,26 0,25 0,24 0,23 0,22

Суммарное обжатие 0,26 0,44 0,58 0,68 0,75

Вытяжка (д) 1,35 1,33 1,32 1,30 1,29

Суммарная вытяжка 1,35 1,80 2,39 3,11 4,00

Полуугол (а) 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0

f (коэф. трения) 0,08 0,08 0,08 0,08 0,08

Степень неравномерности^) 1,39 1,46 1,50 1,59 1,66

о в 114,31 123,03 132,07 141,36 150,79

Усилие волочения, кН 23,18 17,96 14,29 11,16 8,94

Усилие волочения сум, кН 23,18 41,14 55,43 66,59 75,53

Напряжение волочения 623,47 643,82 677,95 689,57 711,51

о0В (кг/мм2) 110 119 127 137 146 156

Коэффициент запаса прочности 1,83 1,91 1,95 2,05 2,12

Рис. 3. График для определения гидростатического напряжения при различных углах волок и обжатиях

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