Эффективность использования и эксплуатации волок при волочении медной проволоки

2017 Электротехника, информационные технологии, системы управления № 22 УДК 621.315

Т.В. Костыгова, А.А. Путилова

Пермский национальный исследовательский политехнический университет,

Пермь, Россия

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ВОЛОК ПРИ ВОЛОЧЕНИИ МЕДНОЙ ПРОВОЛОКИ

Рассматривается сложная структура волочильного инструмента, который используется в технологическом процессе волочения проволоки. В ходе эксплуатации волока подвергается различным типам износа: кольцо износа, полосы, трещины и сколы. Их необходимо своевременно обнаружить и устранить, иначе поверхность проволоки получится некачественной и непригодной к дальнейшей эксплуатации. Допускается перешлифовка волоки на больший диаметр, но при этом изменяется геометрия всей структуры канала. Применение перешлифовки возможно определённое количество раз, так как уменьшаются толщина стенок волочильного инструмента, и параметры основных зон волочильного канала. Очень важен материал волочильного инструмента. При его выборе учитывают следующие свойства: твёрдость, теплопроводность и сопротивление радиальному разрушению. Цель работы заключается в расчёте необходимого количества волок, которое будет применено при волочении медной проволоки диаметром от 8,0 до 0,20 мм, а также в вычислении и сравнении необходимой потребности в волочильных инструментах из алмаза и победита. Для данного процесса были использованы две марки волочильного оборудования: MSM 85 (агрегат грубого волочения), и ММН 121 (агрегат среднего волочения), на которых производилось поочерёдное протягивание металла через волочильные отверстия вплоть до необходимого диаметра. После произведённых расчётов, был сделан вывод о важности правильного использования волок и выбора материалов волочильного инструмента, о снижении экономических затрат. Были составлены таблицы, содержащие информацию о максимальном увеличение диаметра вставки и о количестве потребности в волоках на волочильной машине типа MSM 85.

Ключевые слова: волока, волочильный инструмент, износ, медная проволока, перешлифовка, алмаз, победит, эффективное использование.

T.V. Kostygova, A.A. Putilova

Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation

THE EFFICIENCY OF THE USE AND OPERATION OF DIES FOR DRAWING COPPER WIRE

The complex structure of the drawing tool, which is used in the technological process of wire drawing, is considered. In the course of operation, the die is subjected to various types of wear: a wear ring, strips, cracks and chips. They must be detected and eliminated in a timely manner, otherwise the surface of the wire will turn out to be of poor quality and unfit for further use. It is allowed to rounding the

die to a larger diameter, but at the same time the geometry of the entire channel structure changes. The use of re-grinding is possible a certain number of times, as the thickness of the walls of the drawing die tool and the parameters of the main areas of the die hole are reduced. The material of the drawing die tool is very important. When choosing it, the following properties are taken into account: hardness, thermal conductivity and resistance to radial fracture. The aim of the work is to calculate the required amount the die that will be used when drawing copper wire with a diameter from 8,0 to 0,20 mm, including in the calculation of the availability of the necessary quantities in drawing die tools from diamond and the cemented carbide. For this process, two make of wire-drawing equipment were used: MSM 85 (rough drawing machine), and MMN 121 (mean drawing machine), which alternately rolled metal through drawing die orifice up to the required diameter. After the calculations, the conclusion was made about the importance of the correct use of die, and the choice of materials drawing tool, the reduction of economic costs. Tables were compiled containing information on the maximum increase in the diameter of the insert and on the number of needs in the dies on a wire-drawing machine such as MSM 85.

Keywords: die, drawing die tool, wear, copper wire, rounding, diamond, cemented carbide, the efficiency of the use

Введение. На кабельных предприятиях проволоку получают путём волочения - протягивания катанки через ряд волок необходимого диаметра. Имеет огромное значение качество волочильного инструмента.

1. Структура волочильного инструмента и типы износа волоки. Волоки для волочения проволоки имеют определенную конструкцию и изготавливаются из твёрдых сплавов (победит, технический алмаз (ND), монокристалл (SSCD) и поликристалл (PCD)). Выбор данных материалов позволяет увеличить износостойкость инструмента. Конструкция волоки приведена на рис. 1.

Волока имеет пять зон. Вход обеспечивает подачу смазочного материала и проволочной заготовки к обжимающему конусу и рабочему пояску. Плавный переход к началу рабочего конуса служит для того, чтобы на переходе не было резких граней. Стандартный угол входа для волоки равен 60 °С, длина 0,1-0,3 от высоты Н [1, 2].

Рабочий конус Рабочий канал Выходная зона

Рис. 1. Конструкция волоки

Рабочий конус, самая важная часть волоки, необходим для деформации (сужения) проволоки. Угол рабочего конуса равен 12-20 °С, длина 0,4 - 0,6х& [1, 2].

Характеристики рабочего канала (калибрующего пояска) определяют качество поверхности и диаметр проволоки. Его длина обычно составляет 20-50 % от номинального размера диаметра [1].

Выходная зона — участок с гладко отшлифованной поверхностью, обеспечивающий плавную подачу проволоки из рабочего пояска, сводящий к минимуму скобление проволоки, вызванное ее смещением.

На выходе проволока вытягивается из волоки. Высота выхода должна быть достаточной для обеспечения сопротивления продольному механическому усилию, создаваемому процессом волочения.

Точка, где проволока соприкасается с поверхностью рабочего конуса, очень важна для процесса волочения. Для большинства волок контакт должен иметь место между 1/3 и 2/3 высоты поверхности рабочего конуса, чтобы обеспечить хорошую деформацию металла. Кольцо износа в первую очередь образуется непосредственно под точкой вхождения [2]. Точки контакта проволоки с волокой можно увидеть на рис. 2.

Рис. 2. Точки контакта проволоки с волокой

При выборе материала для производства волок учитывают его твёрдость, теплопроводность и сопротивление радиальному разрушению. Сравнения физических свойств приведены в табл. 1.

Таблица 1

Физические свойства материала

Свойства PCD ND SSCD Победит

Твёрдость, ГПа 50 88-118 50-100 50

Теплопроводность, Вт/(м-К) 500-600 800-2300 600-2200 29,33

Сопротивление радиальному разрушению, ГПа 1,8 2,0 2,9 1,5

По мере использования существует несколько типов износа: образование кольца износа, полос царапин, трещин, сколов в алмазах [1, 3, 15].

При волочении проволока уменьшается в диаметре и удлиняется в рабочем конусе. С этой границы проволока соприкасается с поверхностью алмаза и начинает формировать кольцо. Это кольцо износа становится глубже по мере того, как проволока проходит через волоку.

Полосы являются показателями тяжелого или чрезмерного износа. Полосы обычно начинаются на кольце износа и проходят до рабочего канала вдоль конуса обжатия. Как только полосы достигают калибрующей зоны и входят в неё, поверхность проволоки быстро ухудшается и размер резко увеличивается.

Трещины могут появляться в том случае, если волока чрезмерно изношена, имеет резкое сужение или испытывает большое напряжение волочения. Но из-за кольца износа визуально их можно не увидеть. Если трещина находится между кольцом износа и рабочим каналом, волоку обычно разрушают или выбрасывают. Когда трещина находится выше кольца износа, волока может быть отремонтирована, так как трещина располагается вне рабочей зоны волоки.

Другим последствием износа может быть скалывание материала с поверхности алмаза, называемое «сколами» в натуральных или синтетических монокристаллических алмазах и «вылетающими частичками» в PCD. Особенно это может происходить в PCD-волоках с крупным зерном или в ND и SSCD-волоках из-за собственной структуры алмаза, особенно в крупных размерах [1, 4-8].

2. Ремонт волоки и результаты расчёта эффективности использования волочильного инструмента из алмаза и победита. При эксплуатации происходит изнашивание волок - проволока оставляет отметки на поверхности волоки, и её ремонт становится необходимым.

Для определения степени износа волочильного инструмента проводится периодический контроль волок. В мастерской производятся переполировка и ремонт волок.

Переполировка включает в себя устранение дефектов, вызванных волочением проволоки в рабочем конусе. Данная процедура возможна только на волоках с незначительным износом. Эта операция может укоротить длину рабочего канала, но рабочий диаметр сохранится [9-13].

Ремонт волоки - это полное восстановление волоки, создание соответствующей геометрии. Он устраняет все дефекты, появившиеся в результате прохода проволоки через волочильный инструмент. Эта операция увеличивает диаметр волоки. Значение необходимого увеличения диаметра волоки зависит от износа и общего состояния волоки.

Увеличение диаметра волоки возможно до определенного предела и зависит от износа и общего состояния волоки. Этот предел ограничивается размерами вставки как по высоте, так и по диаметру. При увеличении диаметра вставки необходимо учитывать то, что угол конуса не должен меняться. Диаметр может быть увеличен несколько раз. Максимальное увеличение диаметра каждой вставки для нескольких размеров приведено в табл. 2. Но после нескольких ремонтов вставка становится слишком мала, чтобы удерживать первоначальную геометрию, и такая волока должна быть заменена. Внешний вид волоки со вставкой: 5010, с начальным диаметром 0,429 мм, и углом конуса 18 °С после ремонта представлен на рис. 3.

Для расчёта технологического процесса волочения необходимо определить количество волок. Количество волок для проволоки круглого сечения определяется по формуле:

к = ^ "Р

С-а ^

где С и а - коэффициенты, зависящие от вида металла и диаметра протягиваемой проволоки. (С = 0,11...0,20, а = 0,01...0,03); "0 и "к- диаметр исходной заготовки и конечный диаметр изделия.

В дальнейшем рассчитывается диаметр каждой волоки по формуле:

1в". = 1в"0 -Ъ£ ,

ак к 1 + ап

где п - номер промежуточной волоки [14].

Таблица 2

Максимальное увеличение диаметра вставки

Самоподдерживающиеся вставки

Размер зерна 5 Б-6 Б-12 Б-15 Б-18

5010 5015 5025 5035

Размер вставки, мм 3,1x1,0 3,1x1,5 5,2x2,5 5,2x3,5

Максимальный рекомендуемый новый размер волоки, мм 0,5 1,0 1,5 2,0

Максимальный диаметр, мм

0,101-0,400

0,401-0,600

0,601-0,800

0,801-1,000

1,001-1,200

1,201-1,400

1,401-1,600

1,601-1,800

1,801-2,000

2,001-2,200

2,201-2,400

2,401-2,600

2,601-2,800

Рис. 3. Внешний вид волоки до и после ремонта

Рассчитывается вытяжка ц по проходам и обжатие 5. Допустимое обжатие заготовки из практических соображений не должно превышать 28 %. Расчёт вытяжки и обжатия производится по формулам (3) и (4) [6-10]:

II = —П—_

^ Л 2 Л 2

ап ак

_ ]п-1 _

8 =

1 -Iл

. т у

Для расчёта необходимого количества волок (1), которое будет применено при волочении медной проволоки диаметром от 8,0 до 0,20 мм, было использовано две марки оборудования: МБМ 85 и ММН 121. На первом агрегате (МБМ 85) изделие волочилось до диаметра 1,80 мм, на втором (ММН 121) - от 1,80 до 0,20 мм. Также были просчитаны диаметр каждой волоки (2), вытяжка по проходам (3) и обжатие (4). Проанализировав результаты, полученные при расчёте маршрута волок для двух агрегатов, были составлены следующие номограммы, представленные на рис. 4 и 5. Из них видно, что с увеличением числа волок уменьшается диаметр заготовки.

ё, мм

01 23456789 10 11

№ волоки

Рис. 4. Номограмма расчёта волочения для агрегата М8М 85

ё, мм

0 1 2 3 4 5 б 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

№ волоки

Рис. 5. Номограмма расчёта волочения для агрегата ММН 121

При выборе материала, из которого будет изготавливаться, а в дальнейшем использоваться волока, необходимо учитывать несколько факторов, один из которых - это фактор износостойкости волоки. Рассчитав исходные данные средней эксплуатационной стойкости волоко-отверстий, а также частный и суммарный расход, было вычислено количество алмазных и победитовых волок, которое необходимо использовать для волочения проволоки диаметром от 8,00 до 1,80 мм с годовым выпуском 185 т на агрегате МБМ 85. Результаты расчётов приведены в табл. 3.

Таблица 3

Количество потребности в волоках на волочильной машине МБМ 85

Алмазные волоки шт Победитовые волоки, шт

Основной маршрут, мм Средняя эксплуатационная стойкость волокоот-верстий, кг Частичный расход волоко-отверстий, шт/т Потребность в волоках, шт., принятое Средняя эксплуатационная стойкость волокоот-верстий С[, кг Частичный расход волокоот-верстий, шт/т Потребность в волоках, шт., принятое

6,79 0,00108 1 0,0217 5

5,78 20 000 ¿2 0,0015 1 0,0299 6

4,94 0,00205 1 0,0410 8

4,23 0,00279 1 0,0559 11

3,64 0,00252 1 1000 ¿2 0,0755 15

3,14 0,00338 1 0,1014 20

2,72 30 000 ¿2 0,00451 1 0,1352 26

2,37 0,00593 2 0,1780 34

2,06 0,00786 2 0,2356 45

1,8 0,01029 2 0,3086 59

Видно, что потребность в использовании новых победитовых волок горазда выше, чем в алмазных, из-за разницы в стойкости к износу. Износостойкость алмазной волоки в 20-80 раз больше, чем победитовой.

Выводы. В процессе волочения при использовании волок необходимо учитывать их материал, постоянно следить за внутренним состоянием волочильного инструмента, а также при необходимости своевременно менять и ремонтировать его. При соблюдении данных условий существенно снизятся экономические затраты. Следует учитывать и то, что на качество поверхности проволоки и износ волок существенно влияет состав волочильной смазки.

Библиографический список

1. ESTEVES GROUP. Справочник о волоках the Ewizard. - Испания, Diamonds Tools Group BV, 2008. - 122 с.

2. Fort Wayne Wire Die, Inc. «BLUEBook» журнал спецификаций. -Fort Wayne Wire Die, Inc. - 2008. - 24 с.

3. Куренкова Т.П., Лазебникова И.П., Липаткина Т.Н. Определение возможных причин образования дефекта «точечное выкрашивание» в твердосплавном волочильном инструменте в процессе волочения» // Литьё и металлургия. - 2011. - № 2. - С. 148-151.

4. Волочение. Понятие о технологическом процессе волочения [Электронный ресурс]. - URL: http://studopedia.ru/10_133758_ volochenie-ponyatie-o-tehnologicheskom-protsesse-volocheniya.html (дата обращения: 07.03.2017).

5. Исследование влияния геометрии рабочего канала волоки на усилие волочения и эксплуатационную стойкость / В.Ф. Даненко, Е.Ю. Кушкина, Г.Н. Иванова, А.М. Буров, И.А. Ильиных // Известия Волгоград. гос. техн. ун-та. - 2011. - № 5. - С. 85-89.

6. Костыгова Т.В. Технология производства проводов. - Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2010. - 68 с.

7. Берин И.Ш., Днестровский Н.З. Производство медной и алюминиевой проволоки. - М.: Металлургия, 1975.

8. Ватрушин Л.С. Волочение цветных металлов. - М.: Металлургия, 1981.

9. Copyright ЕвроВол. 2009-2016. All Rights Reserved [Электронный ресурс]. - URL: http://www.voloki.ru (дата обращения: 07.03.2017).

10. Волочение проволоки - все тонкости технологии [Электронный ресурс]. - URL: http://tutmet.ru/volochenie-mednoj-provoloki-filery-stanok-video.html (дата обращения: 07.03.2017).

11. Волочение проволоки [Электронный ресурс]. - URL: http://www.voloka.ru/uploads/files/fff.doc (дата обращения: 07.03.2017).

12. Описание изобретения [Электронный ресурс] / В.П. Колпак, С.Е. Ноздрин, А.С. Востриков, Т.Н. Коллерова. - URL: http://www.findpatent.ru/img_show/7265074.html (дата обращения: 07.03.2017).

13. Технология волочения [Электронный ресурс]. - URL: http://otherreferats.allbest.ru/manufacture/00141353_0.html (дата обращения: 07.03.2017).

14. Архипов А.И., Бобарикин Ю.Л. Методика расчёта маршрута многократного волочения с устанавливаемой величиной скольжения [Электронный ресурс]. - URL: https://docviewer.yandex.ru/view/0/?* =jF0tz6mojNNIRqhXv2FWkNa5M3d7InVybCI6Imh0dHBzOi8vZWxpYi5nc 3R1LmJ5L2JpdHN0cmVhbS9oYW5kbGUvMjIwNjEyLzEyNDA2LyUyMC UyMCUyMCUyMCUyMCUyMCUyMCwlMjAlMjAuJTIwJTIwLiUyMCUy MCUyMCUyMCUyMCUyMCUyMCUyMCUyMC4uLi5wZGY%2Fc2Vxd WVuY2U9MSIsInRpdGxlIjoiICAgICAgICwgIC4gIC4gICAgICAgICAuLi4u cGRmP3NlcXVlbmNlPTEiLCJ1aWQiOiIwIiwieXUiOiI2MDk4Mjg3MTExN DgyNTg1NDc5Iiwibm9pZnJhbWUi0nRydWUsInRzIjoxNDkzMTAz0DI00 DMwfQ%3D%3D&page=3&lang=ru (дата обращения: 07.03.2017).

15. Волочильное производство. Виды волочения. Оборудование и инструмент. Технология волочения проволоки [Электронный ресурс]. -URL: http://studopedia.ru/8_156544_lektsiya--volochilnoe-proizvodstvo-vidi-volocheniya-sortament-produktsii-volochenie-trub-prutkov-provoloki-oborudo-vanie-i-instrument-tehnologiya-volocheniya-provoloki.html (дата обращения: 07.03.2017).

References

1. ESTEVES GROUP. Spravochnik o volokakh the Ewizard [Reference book of die the Ewizard]. Spain, Diamonds Tools Group BV, 2008. 122 p.

2. Fort Wayne Wire Die, Inc. "BLUEBook" zhurnal spetsifikatsii [magazine of items]. Fort Wayne Wire Die, Inc. 2008. 24 p.

3. Kurenkova T.P., Lazebnikova I.P., Lipatkina T.N. Opredelenie vozmozhnykh prichin obrazovaniia defekta "tochechnoe vykrashivanie" v tverdosplavnom volochil'nom instrumente v protsesse volocheniia» [Determination of possible causes of the formation of a defect "point stain" in a carbide drawing tool in the course of drawing]. Lit'e i metallurgiia, 2011, no. 2, pp. 148-151.

4. Volochenie. Poniatie o tekhnologicheskom protsesse volocheniia [Drawing. Concept about action of drawing], available at: http://studopedia.ru/10_133758_volochenie-ponyatie-o-tehnologicheskom-pro-tsesse-volocheniya.html (accessed 07 March 2017).

5. Danenko V.F., Kushkina E.Iu., Ivanova G.N., Burov A.M., Il'inykh I.A. Issledovanie vliianiia geometrii rabochego kanala voloki na usilie volocheniia i ekspluatatsionnuiu stoikost' [Investigation of the influence of

the geometry of the working channel of the drawing on the drawing force and operational stability]. Izvestiia Volgogradskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2011, no. 5, pp. 85-89.

6. Kostygova T.V. Tekhnologiia proizvodstva provodov [Technology of production of wires]. Permskii gosudarstvennyi tekhnicheskii universitet, 2010. 68 p.

7. Berin I.Sh., Dnestrovskii N.Z. Proizvodstvo mednoi i aliuminievoi provoloki [Manufacture of copper and aluminum wires]. Moscow: Metallurgiia, 1975.

8. Vatrushin L.S. Volochenie tsvetnykh metallov [Drawing of non-ferrous metals]. Moscow: Metallurgiia, 1981.

9. Copyright EuroVol. 2009-2016. All Rights Reserved, available at: http://www.voloki.ru (accessed 07 March 2017).

10. Volochenie provoloki - vse tonkosti tekhnologii [Wire drawing -all the subtleties of technology], available at: http://tutmet.ru/volochenie-mednoj-provoloki-filery-stanok-video.html (accessed 07 March 2017).

11. Volochenie provoloki [Wire drawing], available at: http://www.voloka.ru/uploads/files/fff.doc (accessed 07 March 2017).

12. Kolpak V.P., Nozdrin S.E., Vostrikov A.S., Kollerova T.N. Opisanie izobreteniia [Description of the invention], available at: http://www.findpatent.ru/img_show/7265074.html (accessed 07 March 2017).

13. Tekhnologiia volocheniia [The technology of drawing], available at: http://otherreferats.allbest.ru/manufacture/00141353_0.html (accessed 07 March 2017).

14. Arkhipov A.I., Bobarikin Iu.L. Metodika rascheta marshruta mnogokratnogo volocheniia s ustanavlivaemoi velichinoi skol'zheniia [The method of calculating the route of multiple drawing with the set value of sliding], available at: https://docviewer.yandex.ru/view/0/?*=jF0 tz6mojNNIR qhXv2FWkNa5M3d7InVybCI6Imh0dHBz0i8vZWxpYi5nc3R1LmJ5L2JpdH N0cmVhbS9oYW5kbGUvMjIwNjEyLzEyNDA2LyUyMCUyMCUyMCUyM CUyMCUyMCUyMCwlMjAlMjAuJTIwJTIwLiUyMCUyMCUyMCUyMCU yMCUyMCUyMCUyMCUyMC4uLi5wZGY%2Fc2VxdWVuY2U9MSIsInR pdGxlIjoiICAgICAgICwgIC4gIC4gICAgICAgICAuLi4ucGRmP3NlcXVlbm NlPTEiLCJ1aWQi0iIwIiwieXUi0iI2MDk4Mjg3MTExNDgyNTg1NDc5Iiwi bm9pZnJhbWUi0nRydWUsInRzIjoxNDkzMTAz0DI00DMwfQ%3D%3D& page=3&lang=ru (accessed 07 March 2017).

15. Volochil'noe proizvodstvo. Vidy volocheniia. Oborudovanie i instrument. Tekhnologiia volocheniia provoloki [Drawing production. Types of drawing. Equipment and tools. Wire drawing technology], available at: http://studopedia.ru/8_156544_lektsiya--volochilnoeproizvodstvo-vidi-voloche niya-sortament-produktsii-volochenie-trub-prutkov-provoloki-oborudovanie-i-instrument-tehnologiya-volocheniya-provoloki.html (accessed 07 March 2017).

Сведения об авторах

Костыгова Татьяна Васильевна (Пермь, Россия) - доцент кафедры конструирования и технологии в электротехнике Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: 2391854@mail.ru).

Путилова Анастасия Алексеевна (Пермь, Россия) - студентка Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: liminor_777@mail.ru).

About the authors

Kostygova Tatyana Vasilevna (Perm, Russian Federation) is an Associate Professor at the Department of Engineering and Technology in Electrical engineering Perm National Research Polytechnic University (614990, Perm, 29, Komsomolsky pr., e-mail: 2391854@mail.ru).

Putilova Anastasiya Alekseevna (Perm, Russian Federation) is а Student Perm National Research Polytechnic University (614990, Perm, 29, Komsomolsky pr., e-mail: liminor_777@mail.ru).

Получено 28.04.2017