close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Совершенствование технологии изготовления углеродистой проволоки на основе повышения эффективности деформационных режимов волочения

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Усанов Михаил Юрьевич
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
УГЛЕРОДИСТОЙ ПРОВОЛОКИ НА ОСНОВЕ ПОВЫШЕНИЯ
ЭФФЕКТИВНОСТИ ДЕФОРМАЦИОННЫХ РЕЖИМОВ ВОЛОЧЕНИЯ
Специальность 05.16.05 – Обработка металлов давлением
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Магнитогорск – 2018
2
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».
Научный руководитель –
кандидат технических наук,
профессор
Харитонов Вениамин Александрович.
Официальные оппоненты:
Абрамов Алексей Николаевич –
доктор технических наук, старший научный сотрудник управления научно-исследовательских работ
ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа;
Радионова Людмила Владимировна –
кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Процессы и машины обработки металлов
давлением» ФГАОУ ВО «Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)», г. Челябинск.
Ведущая организация –
ФГБОУ ВО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет», г. Пермь.
Защита состоится 30 октября 2018 г. в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.111.01 на базе ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» по адресу: 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, малый актовый зал.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» и на сайте
www.magtu.ru.
Автореферат разослан «____» ____________ 2018 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Селиванов Валентин Николаевич
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Проволока из углеродистой стали является основным
видом продукции метизного передела черной металлургии и массово применяется
практически во всех отраслях экономики как в виде товарной продукции, так и в виде
изделий из нее.
Для обеспечения эффективного применения, устойчивого экспорта и реального
импортозамещения проволока должна иметь высокую конкурентоспособность, основными направлениями повышения которой являются внедрение передовых технологических процессов производства, снижение материало- и энергоемкости, разработка и
изготовление перспективного оборудования для технологического перевооружения существующих и строительства новых предприятий.
Технологический процесс изготовления проволоки включает операции подготовки структуры (термообработка) и поверхности заготовки, нанесения покрытий, профилирования и т.д. готовой проволоки. Основной формо- и свойствообразующей операцией является волочение, для реализации которого используются волоки монолитные
и роликовые различных конструкций. Процесс, пройдя многовековой путь применения,
достиг в настоящее время больших успехов в развитии теории и практики использования. Он обеспечен промышленным оборудованием и другой инфраструктурой. Однако
увеличение диаметра и прочности выпускаемой проволоки, а также необходимость постоянного повышения ее качества при одновременном снижении затрат на производство, требуют совершенствования технологических процессов, и прежде всего деформационных режимов волочения.
В связи с чем актуальным является выявление как в традиционном способе, так
и развивающихся в настоящее время новых способах волочения, еще не реализованных
резервов повышения качества проволоки и снижения затрат на ее производство. Актуальным является также создание методов проектирования модульных технологических
процессов изготовления проволоки, построенных на принципе усиления преимуществ
и уменьшения недостатков каждого способа волочения.
Степень разработанности.
На основе развития теории волочения, разработанной в трудах Губкина С.И.,
Перлина И.Л., Аркулиса Г.Э., Колмогорова Г.Л., Жилкина В.З., Зибеля Е., Бриджмена
П.У., Бекофена В., Райта Р.Н. и др. предложены новые способы оценки напряженнодеформированного состояния в клиновидном очаге деформации и методики расчета ресурсосберегающих деформационных режимов, позволяющих повышать эффективность
действующих и новых технологических процессов производства проволоки с применением волок различных конструкций.
Цель работы: повышение конкурентоспособности проволоки из углеродистой
стали на основе совершенствования режимов деформации в монолитных и роликовых
волоках.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Совершенствование модели расчета напряженного и деформированного состояния при волочении проволоки в коническом очаге деформации.
2. Исследование напряженно-деформированного состояния при волочении в монолитных и роликовых волоках на основе моделирования в программном комплексе
Deform-3d.
3. Разработка методики анализа и расчета ресурсосберегающих маршрутов волочения круглой проволоки в монолитных и роликовых волоках.
4
4. Разработка рекомендаций по промышленному применению полученных разработок.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Получены зависимости изменения гидростатического напряжения и усилия
волочения при различных значениях единичных обжатий и рабочих углов волок, позволяющие, при заданных свойствах металла, определить условия волочения с максимально благоприятной схемой напряженного состояния и минимально необходимым
усилием волочения. Разработана методика расчета предельного гидростатического
напряжения в клиновидном очаге деформации и установлено, что предельным значением гидростатического напряжения, исключающим появление схемы всестороннего
растяжения для углеродистой стали, является σср ≤ 0,3σВ.
2. Установлено, что при волочении в монолитной волоке с увеличением диаметра проволоки растет интенсивность растягивающих напряжений на оси проволоки
и сужается диапазон рационального отношения «обжатие - угол волоки». При волочении во вращающейся монолитной волоке накопленная степень деформации в поверхности проволоки растет с увеличением скорости вращения волоки, с уменьшением рабочего угла и значения прочности проволоки. Наибольшее снижение усилия волочения
наблюдается при уменьшении рабочего угла и увеличении скорости вращения волоки.
3. При волочении в роликовых волоках накопленная степень деформации по периметру проволоки распределяется неравномерно, причем степень неравномерности
растет с уменьшением числа роликов, образующих калибр. Для многороликовых калибров, в отличии от двухроликовых, накопленная степень деформации в центре ручья минимальная, а в местах разъемов калибра – максимальная.
4. Установлено, радиально-сдвиговая протяжка как и радиально-сдвиговая прокатка имеют «геликоидальный» характер течения и неравномерность напряженного состояния металла, при этом накопленная степень деформации равномерно распределяется по периметру и неравномерно по сечению проволоки и ее значение растет с уменьшением угла конической части деформирующих роликов; из-за изменения площади
контакта заготовки с инструментом усилие волочения от обжатия изменяется по параболической зависимости, а его значение, по сравнению с волочением в монолитной волоке, значительно ниже.
Теоретическая и практическая значимость работы:
1. Получены зависимости изменения коэффициента жесткости схемы Смирнова-Аляева, показателя Лоде-Надаи, гидростатического напряжения, усилия волочения и накопленной деформации от структуры конического очага деформации при волочении углеродистой проволоки в монолитных и роликовых волоках. Разработана методика расчета ресурсосберегающих маршрутов волочения, основанная на оценке напряженного состояния, определении рациональных значений обжатий для рабочих углов
волок и учете свойств материала, а также особенностях характера течения металла в
монолитных, классических роликовых и волоках радиально-сдвиговой деформации.
2. Получены патенты на новые способы волочения проволоки (патент РФ
№2498870 и патент РФ №2502573), зарегистрирована программа для ЭВМ «Расчет режимов волочения углеродистой проволоки» (№ 2017660119).
3. Полученные результаты диссертационного исследования использованы при
совершенствовании маршрутов волочения, применяемых в АО «Белорецкий металлургический комбинат», ООО «Специальные технологии» и при выполнении НИОКТР с
ОАО «ММК-МЕТИЗ» (Договор № МК204895 от 27 июля 2015 г.), а также применены
5
в учебном процессе на кафедре технологий обработки материалов ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» и на кафедре
металлургии и стандартизации в филиале ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» в г. Белорецк при подготовке обучающихся по направлению «Металлургия».
Методология и методы исследования.
В работе применялись методы математического моделирования, экспериментальные исследования в лабораторных и промышленных условиях. Оценка напряженно-деформированного состояния выполнена с помощью моделирования в программном комплексе Deform-3d (лицензия: Machine 38808). Измерение микротвердости
проводилось в условиях НИИ «Наносталей» при ФГБОУ ВО «МГТУ им. Г.И. Носова»
на твердомере Buehler Micromet. Оценка микроструктуры выполнялась с помощью металлографического микроскопа Meiji Techno с применением системы компьютерного
анализа изображений Thixomet Pro. Механические испытания проволоки проведены в
центральной заводской лаборатории АО «Белорецкий металлургический комбинат».
Положения, выносимые на защиту:
1. Методики оценки напряженного состояния с помощью программного комплекса Deform-3d в коническом очаге деформации и расчета ресурсосберегающих
маршрутов волочения проволоки в монолитных и роликовых волоках. Результаты
оценки напряженно-деформированного состояния при волочении.
2. Особенности способа радиально-сдвиговой протяжки проволоки.
3. Направления совершенствования существующих и создания новых деформационных режимов волочения.
Степень достоверности.
Обоснованность результатов исследований, научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена анализом принятых в настоящее время положений теории и
практики волочения проволоки, включая тенденции их развития, а также использованием современного испытательного и технологического оборудования, и стандартных
методов обработки данных. Полученные результаты не противоречат основным положениям теории ОМД и хорошо согласуются с результатами других исследователей.
Апробация результатов. Основные положения и материалы работы доложены
и обсуждены на следующих конференциях: Павловские чтения. ИМЕТ РАН (г. Москва,
2010 г.); X Международной научно-технической конференции молодых специалистов
(г. Магнитогорск, 2010 г.); IV Всероссийской конференции по наноматериалам «НАНО
2011» (г. Москва, 2011 г.); «Проблемы и перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и
НИОКР». УрО РАН, (г. Екатеринбург, 2011 г.); «Инновационные технологии в металлургии и машиностроении» (г. Екатеринбург, 2012, 2014 гг.); «Современные проблемы
горно-металлургического комплекса. Наука и производство» (г. Старый Оскол, 2015 г.);
«Инновационные процессы обработки металлов давлением: фундаментальные связи
науки и производства» (г. Магнитогорск, 2015, 2016 гг.); XI Международном конгрессе
прокатчиков (г. Магнитогорск, 2017 г.); «Актуальные проблемы современной науки,
техники и образования» (г. Магнитогорск, 2010 - 2018 гг.).
Публикации. Результаты исследований отражены в 17 публикациях, в том
числе 3 статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендуемых ВАК РФ и 1 статья
в издании, входящем в наукометрические базы Web of Science и Scopus, одна монография, 2 патента РФ на изобретения и одно свидетельство о государственной регистрации
программ для ЭВМ.
6
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 181 наименования. Общий объем диссертации 167 страниц
машинописного текста, в том числе 75 рисунков, 37 таблиц, 6 приложений.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении отражена цель работы и задачи исследований, показана ее актуальность, научная новизна, теоретическая и практическая значимость.
В первой главе выполнен обзор современного состояния и направлений совершенствования производства проволоки из углеродистой стали.
Показано, что в современных экономических условиях повышение конкурентоспособности проволоки возможно совершенствованием технологических процессов,
путем повышения эффективности существующих и разработки новых способов волочения. Способ волочения, как основная операция технологического процесса изготовления проволоки, должен обеспечить высокую равномерность деформации, получение
мелкодисперсной микроструктуры, минимизацию (или даже полное отсутствие) растягивающих напряжений как в очаге деформации, так и в готовой проволоке. Волочильный инструмент по условиям разрушения должен обеспечить волочение проволоки с
максимально возможной единичной деформацией и минимально необходимым усилием волочения. Маршрут волочения при этом должен быть минимально возможной
кратности и обеспечивать экономию энергии и ресурсов.
Описано современное состояние теории и практики волочения проволоки в монолитных и роликовых классических волоках, а также в роликовых волоках радиальносдвиговой протяжки – нового способа, обеспечивающего в отличие от получающих развитие в производстве проволоки способов интенсивной пластической деформации одновременно обжатие проволоки по диаметру и формирование в ней мелкодисперсной
структуры. Проанализированы существующие методики расчета напряженно-деформированного состояния и энергосиловых условий при волочении в инструменте различных конструкций, а также методы расчета маршрутов волочения. Показана перспективность применения при производстве проволоки модульно-комбинированных процессов. Проведен анализ известных программных комплексов, созданных на базе метода
конечных элементов и применяемых для моделирования процессов волочения.
Сформулированы цель и задачи диссертационной работы.
Блок-схема алгоритма решения поставленных задач приведена на рис. 1.
Рисунок 1 – Блок-схема алгоритма решения поставленных задач:
α – рабочий полуугол волоки; ε – единичное обжатие;
A – коэффициент жесткости схемы Смирнова-Аляева; B – показатель Лоде-Надаи;
C – гидростатическое напряжение; D – усилие волочения; E – накопленная степень деформации по радиусу проволоки; F – накопленная степень деформации по периметру
проволоки; в скобках приведены полученные зависимости рассматриваемых факторов
7
Во второй главе приведена методика оценки напряженно-деформированного
состояния проволоки при волочении в инструменте с коническим очагом деформации
на основе моделирования.
Моделирование проводилось при следующих условиях: исследуемая заготовка
– пластическая длиной 50 мм и диаметром 16,00 мм, разбита на 72340 конечных элементов; волока – абсолютно жесткое тело, геометрия канала соответствует требованиям
ГОСТ 9453-75; скорость волочения – 1 м/с; коэффициент трения по Кулону принят равным 0,08. В качестве кривой упрочнения стали Ст3 принята кривая упрочнения стали
A533B из базы данных Deform-3d. Кривая упрочнения стали марки 80 получена экспериментально.
С помощью дополнительной подпрограммы для Deform-3d получены поля распределения коэффициента жесткости схемы Смирнова-Аляева и показателя ЛодеНадаи при волочении в монолитных волоках заготовок из стали Ст3 и из стали
марки 80. На их основе и оценке значений гидростатического напряжения в очаге деформации разработана методика оценки напряженного состояния.
Получены кривые изменения коэффициента жесткости на оси проволоки от значений дельта-фактора (Δ) по длине конического очага деформации при различных об-


2
жатиях. Значения дельта-фактора определяли из выражения       1  1   , где
α - полуугол рабочего конуса волоки, рад; ε - единичное обжатие. Также проведен анализ изменения гидростатического напряжения для стали марки 80 и разработана методика оценки глубины проникновения «конусов скольжения» в очаге деформации в зависимости от значений дельта-фактора для различных значений рабочих углов волок
(рис. 2).
Рисунок 2 – Изменение гидростатического напряжения на оси проволоки
от значений дельта-фактора для значений рабочих углов волок 2α = 6°, 8° и 16°
8
Разработана методика расчета предельного гидростатического напряжения в коническом очаге деформации. Для чего введен показатель σ1/(σ2+σ3), где σ1 – осевые
напряжения, σ2 – радиальные напряжения, σ3 – окружные (тангенциальные) напряжения, и построен график его зависимости от гидростатического напряжения для стали
марки 80. Показано, что для данной марки стали при значении гидростатического
напряжения выше 320 МПа в очаге деформации действует схема всестороннего растяжения. Для исключения появления схемы всестороннего растяжения на оси проволоки
из углеродистой стали рекомендуется предельное значение гидростатического напряжения принимать равным σср ≤ 0,3σВ.
На основе оценки величины накопленной степени деформации в заготовке предложена методика оценки деформированного состояния в любой точке очага деформации при волочении в монолитных и роликовых волоках. Деформированное состояние
при линейной деформации оценивали в Deform-3d по распределению накопленной степени деформации в поперечном сечении заготовки. Для этого исходную заготовку разрезали пополам и на поперечном сечении по окружностям через каждые 5° наносились
точки. Одна точка в центре заготовки, ряд точек - в поверхностном слое (0,1 мм), ряд
точек - в середине радиуса и два ряда точек на расстоянии 1/4 радиуса от центра заготовки и от поверхности заготовки. Деформированное состояние в процессах с кручением оценивали в Deform-3d по изменению кривизны линии, нанесенной на боковую
поверхность заготовки. Для этого на боковую поверхность заготовки по прямой линии
наносили точки через каждые 0,05 мм.
В третьей главе проведено исследование влияния режимов волочения на изменение напряженно-деформированного состояния проволоки в коническом очаге деформации при волочении в монолитных и роликовых волоках.
В Deform-3d определили усилие волочения и гидростатическое напряжение для
всего диапазона применяемых в практике рабочих углов волок (2α=6–16°) и единичных
обжатий (ε=8–41%) для проволоки из стали марки 80 диаметром 16,0 мм (рис. 3).
Рисунок 3 – Связь гидростатического напряжения и усилия волочения
для рабочих углов волок 2α = 6–16° и единичных обжатий ε = 8–41%
9
Для «рабочего» диапазона значений дельта-фактора от 1,20 до 2,0 получены зависимости изменения гидростатического напряжения на оси проволоки и усилия волочения, и показано, что минимальное гидростатическое напряжение на оси проволоки
при рабочих углах волок 6°, 8° и 10° наблюдается при величине дельта-фактора 1,29, а
для рабочих углов 12°, 14° и 16° – 1,40. Для каждого рабочего угла существует область
значений дельта-фактора и диапазон обжатий, обеспечивающая максимальное обжатие
при минимальном усилии волочения. Рекомендуемые значения обжатий для рассматриваемых рабочих углов волок приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Рекомендуемые значения обжатий
Рабочий
Дельта- Диапазон Среднее
угол во- фактор (Δ) обжатий, обжатие,
локи
%
%
2α=6°
1,2-2,0 10-16
13,0
2α=8°
1,2-2,0 13-21
17,0
2α=10°
1,2-2,0 16-25
20,5
2α=12°
1,29-2,0 19-28
23,5
2α=14°
1,33-2,0 22-31
26,5
2α=16°
1,36-2,0 25-34
29,5
Диапа- Средняя Усилие волочезон вы- вытяжка ния при минитяжек
мальном σср, кН
1,11-1,19
1,15
68,4
1,15-1,27
1,20
77,0
1,19-1,33
1,26
80,2
1,23-1,39
1,31
84,2
1,28-1,45
1,36
87,8
1,33-1,52
1,42
92,6
На основе оценки глубины проникновения сжимающих напряжений в очаге деформации в Deform-3d построена зависимость изменения площади не проработки центра проволоки к площади проволоки в зависимости от дельта-фактора (рис. 4).
Рисунок 4 – Зависимость площади действия растягивающего
гидростатического напряжения от изменения дельта-фактора
Из рис. 4 видно, что с увеличением значения дельта-фактора растет как площадь
действия, так и величина растягивающего гидростатического напряжения.
10
Оценены изменения значения критерия разрушения Кокрофта-Латама от значений дельта-фактора для рабочих углов волок 2α = 6° - 16° и единичных обжатий
ε = 8% - 41%. Показано, что при значении дельта-фактора меньше 1,20, т.е. при увеличении обжатия наблюдается резкое повышение критерия разрушения Кокрофта-Латама
и гидростатического напряжения на оси проволоки. В диапазоне значений дельта-фактора от 1,20 до 2,0 критерий Кокрофта-Латама для данного рабочего угла волоки практически не изменяется. При значениях дельта-фактора больше 2,0 происходит снижение величины единичного обжатия, что приводит к увеличению гидростатического
напряжения и уменьшению значения критерия Кокрофта-Латама.
При волочении в монолитных волоках с увеличением рабочего угла волоки повышается накопленная степень деформации как на поверхности, так и в центре проволоки, а также увеличивается ее градиент между центром и поверхностью.
Сравнительный анализ полей распределения коэффициента жесткости и показателя Лоде-Надаи в очаге деформации при волочении в двух-, трех- и четырех роликовых волоках показал, что коэффициент жесткости равен -1. Это говорит о полной проработке сечения проволоки. При волочении в круглом трехроликовом пространственно-закрытом калибре (ПЗК) показатель Лоде-Надаи имеет такую же величину, как
и при волочении в монолитной волоке, т.е. в очаге деформации преобладает схема линейного растяжения. В сдвоенных роликовых волоках в местах разъемов роликов появляется схема сжатия, а увеличение вытяжки приводит к преобладанию схем растяжения
и сдвига в объеме очага деформации.
С применением круговых диаграмм проводилась оценка накопленной степени
деформации при волочении проволоки из стали марки 80 с диаметра 16,00 мм на диаметр 14,25 мм (обжатие 21%) и установлено, что в монолитных волоках на поверхности
проволоки наблюдается минимальный градиент накопленной степени деформации по
периметру. При волочении в многороликовых калибрах, в отличие от двухроликовых
калибров, накопленная степень деформации в центре ручья минимальная, а в зоне разъемов калибра – максимальная (рис. 4).
а
б
в
г
Рисунок 4 – Круговые диаграммы распределения накопленной степени деформации:
а –пространственно-закрытый калибр; б – двухроликовый калибр;
в – трехроликовый калибр; г – четырехроликовый калибр
С ростом вытяжки характер распределения не меняется, а происходит увеличение величины накопленной степени деформации как в центре, так и в поверхности проволоки.
11
В четвертой главе исследовано влияние режимов волочения проволоки с кручением в коническом очаге деформации на изменение напряженно-деформированного
состояния.
Проведено моделирование процесса волочения во вращающейся монолитной
волоке и показано, что увеличение скорости вращения волоки приводит к росту накопленной степени деформации на поверхности проволоки (т.е. снижение равномерности)
до максимального значения независимо от значений рабочих углов волок. При этом от
значений рабочих углов волок зависит величина прироста накопленной степени деформации на поверхности проволоки. Для значительного повышения накопленной степени
деформации необходимо вращать монолитную волоку с высокими скоростями.
Впервые проведено моделирование в Deform-3d процесса холодной радиальносдвиговой протяжки (РСПр) и исследовано напряженно-деформированное состояние и
усилие волочения для заготовок из стали Ст3 и стали марки 80 при углах конической
части роликов α=4°, 6° и 8° и установлены следующие зависимости:
- из-за вращения роликов вокруг заготовки напряжения действуют циклически,
что приводит к «геликоидальному» характеру течения металла и неоднородности
напряженного состояния с растягивающими напряжениями в центре и сжимающими на
поверхности проволоки. Уменьшение угла конической части роликов и повышение
прочности заготовки приводит к снижению величины растягивающих напряжений на
оси проволоки в очаге деформации;
- с уменьшением угла конической части роликов уменьшается угол скручивания, что приводит к увеличению накопленной степени деформации. Точки, находящиеся на поверхности и на глубине 1/5 от поверхности по радиусу, перемещаются на большее расстояние, чем точки, лежащие ближе к центру проволоки, что подтверждено при
сравнении с экспериментально полученными данными при измерении микротвердости;
- усилие волочения значительно меньше по сравнению с волочением в монолитных волоках и возрастает при уменьшении прочности заготовки из-за увеличения площади контакта. Изменение площади контакта с роликами идет по параболической кривой: максимальная площадь при углах конической части α=4° и 8° и минимальная для
роликов с углом конической части α=6°.
Проведены лабораторные исследования образцов из стали марки 20 на спроектированной и изготовленной совместно с ООО «Спецпроекткомплектация» (г. Магнитогорск) роликовой волоке РСПр. Показано, что наибольшую деформацию получил поверхностный слой на глубину около 0,6 мм (при диаметре проволоки 9,2 мм). При анализе микротвердости установлено, что при обжатии заготовки на 6,2% среднее значение
микротвердости поверхности увеличилось с 1775 МПа до 2406 МПа (на 36%); на образце с обжатием 21,7% с 1792 МПа до 2571 МПа (на 43%).
В пятой главе показаны направления повышения эффективности производства
углеродистой проволоки волочением.
Предложены методика и алгоритм расчета маршрутов волочения, отличающиеся тем, что на стадии проектирования маршрута волочения используется кривая «гидростатическое напряжение – усилие волочения», по которой выбираются рациональные
обжатия для данных рабочих углов волок, что позволяет обеспечить ресурсосбережение при волочении. Для автоматизации расчетов основных параметров процесса волочения была разработана и зарегистрирована программа для ЭВМ.
По разработанной методике выполнен анализ действующего в АО «БМК» маршрута волочения холоднодеформированной пружинной проволоки с диаметра 8,00 мм на
12
диаметр 4,00 мм. Маршрут волочения был скорректирован по значениям дельта-фактора и предложено два маршрута, которые прошли экспериментальную проверку в АО
«БМК». В результате испытаний механических свойств проволоки установлено, что
уменьшение показателя дельта-фактора привело к повышению пластических свойств
проволоки и к сокращению кратности маршрута волочения.
Сравнительный анализ рассматриваемых способов волочения и показал, что:
– минимальное значение показателя Кокрофта-Латама (т.е. минимальная вероятность разрушения) наблюдается при волочении с вытяжкой 1,26 в круглом пространственно-закрытом калибре и в роликовой волоке по схеме круг-овал-круг. С увеличением вытяжки до 1,45 минимальное значение показателя Кокрофта-Латама наблюдается при волочении также в роликовой волоке по схеме круг-овал-круг. Максимальное
значение показателя Кокрофта-Латама на оси проволоки из всех рассмотренных систем
наблюдается при радиально-сдвиговой протяжке;
– наименьшее усилие волочения наблюдается при волочении в волоках РСПр и
в ПЗК (соответственно на 55% и 42% ниже, чем при волочении в монолитной волоке);
– при роликовом волочении гидростатическое напряжение на оси проволоки
всегда сжимающее. Причем, его значение максимально в четырехроликовых калибрах,
и минимально – в двухроликовых.
Проведенное с применением математического моделирования исследование чередования волок монолитных и РСПр (со сменой направления их вращения) показало,
что при РСПр значение накопленной степени деформации выше в поверхности, а при
монолитной – в центре.
На полупромышленной установке, спроектированной и изготовленной фирмой
«Спецмет» катанку фактическим диаметром 6,69 мм проволочили в волоке РСПр на
проволоку диаметром 6,00 мм (1-й вариант) и 6,30 мм, которую затем проволочили в
монолитной волоке на диаметр 5,60 мм (2-й вариант). Анализ результатов проведенных
испытаний показал, что равномерность распределения деформации по сечению проволоки, рассчитанная как отношение значений твердости в центре проволоки и поверхности, для катанки составила 0,81. После волоки РСПр в первом варианте значение ее не
изменилось, при этом значение пределов прочности и текучести соответственно возросли в 1,7 и 2,2 раза. Во втором варианте, после РСПр значение равномерности составило 0,77, а после монолитной волоки - 0,90. Значения пределов прочности и текучести
возросли после РСПр соответственно в 1,5 и 1,8 раза, а после монолитной волоки - в 1,6
и 2,2 раза, что подтверждает выводы теоретического исследования.
На основании проведенных исследований предложены новые способы производства проволоки, защищенные патентами РФ.
Проведен сравнительный анализ исследованных способов волочения, по следующим показателям: равномерность распределения накопленной деформации по сечению и периметру проволоки; максимальное единичное обжатие; вероятность разрушения центра проволоки; геометрическая точность размеров; усилие волочения и сложность инструмента. Анализ полученных результатов показал, что максимальная равномерность по сечению обеспечивается волочением в многороликовых волоках, минимальная – в волоках РСПр и монолитной вращающейся волоке. Равномерность по периметру максимальная в волоках монолитных и РСПр, минимальная - двухроликовых
волоках. Максимальное единичное обжатие достигается в многороликовых волоках, а
вероятность разрушения центра проволоки максимальна при волочении в волоках
13
РСПр и двухроликовых волоках. Усилие волочения максимально в монолитных волоках без вращения, минимально – в волоках РСПр. Высокая геометрическая точность
размеров проволоки и максимальная простота инструмента обеспечиваются применением монолитной волоки.
На примере волочения проволоки большого диаметра проверена работоспособность предложенных методик, для чего рассмотрели действующий маршрут волочения
круглой проволоки с 16,00 мм на 10,00 мм, провели его анализ и оценили возможности
повышения его эффективности применением совмещенных маршрутов с использованием роликовых и монолитных волок (табл. 2).
Таблица 2 – Основные параметры рассмотренных способов волочения
Кратность Диапазон зна- Суммарное усилие воВарианты
маршрута чений дельта- лочения, кН / (относимаршрутов волочения
волочения
фактора
тельное изменение, %)
1. Монолитные волоки (2α=12°)
5
Δ = 1,81 – 2,72
269 /
(0%)
2. Монолитные волоки (2α=10°)
4
Δ = 1,22 – 1,89
261 / (-3,0%)
3. Монолитные волоки (2α=10°)
5
Δ = 1,68 – 2,01
282 /
(4,8%)
4. Р.В. + Р.В. + М.В.
3
Δ = 0,81 – 1,78
152 / (-43,5%)
5. (РСПр+РСПр) + М.В. + М.В.
3
Δ = 0,74 – 1,91
153 / (-43,1%)
6. (РСПр+РСПр) + Р.В. + М.В.
3
Δ = 0,78 – 1,78
126 / (-53,2%)
М.В. – монолитная волока; Р.В. – роликовая волока;
(РСПр+РСПр) – реверсивная, сдвоенная волока радиально-сдвиговой протяжки
Анализ результатов, приведенных в таблице 2 показал, что при волочении проволоки в монолитных волоках очень трудно обеспечить повышение равномерности деформации при одновременном снижении усилия волочения.
Введение в маршрут волочения классических роликовых волок, позволяет решить эту задачу и одновременно снизить кратность волочения.
Применение волок радиально-сдвиговой деформации также позволяет решить
эту задачу и обеспечить дополнительное повышение накопленной степени деформации
в поверхности проволоки.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1. С использованием полей распределения коэффициента жесткости и показателя Лоде-Надаи в коническом очаге деформации, полученных с применением дополнительной подпрограммы для Deform-3d, и полей распределения гидростатического
напряжения разработана методика оценки напряженного состояния. Построены зависимости изменения гидростатического напряжения на оси проволоки и усилия волочения
для различных значений рабочих углов волок и обжатий для стали марки 80. Подобные
зависимости могут быть получены для стали любой марки. Установлено, что каждому
значению рабочего угла волоки соответствует рациональный диапазон обжатий, при
котором обеспечиваются минимальные значения гидростатического напряжения на оси
проволоки и усилия волочения. Разработана методика расчета предельного гидростатического напряжения в коническом очаге деформации. Для исключения схемы всестороннего растяжения на оси проволоки предельное значение гидростатического напряжения для углеродистой стали должно быть равным σср ≤ 0,3σВ.
14
2. Установлено, что при волочении в монолитной волоке наблюдается минимальная разница накопленной степени деформации по периметру в поверхности проволоки. При волочении в монолитных вращающихся волоках увеличение скорости вращения и уменьшение рабочего угла волоки приводит к снижению усилия волочения и
повышению накопленной степени деформации в поверхности проволоки.
3. При волочении в сдвоенных роликовых волоках, по сравнению с волочением
в монолитных волоках, значение накопленной степени деформации повышается как в
центре, так и на поверхности проволоки, при этом с увеличением числа роликов уменьшается градиент неравномерности накопленной степени деформации на поверхности
проволоки. Установлено, что для многороликовых калибров, в отличие от двухроликовых, накопленная степень деформации в центре ручья минимальная, а в местах разъемов калибра – максимальная.
4. Впервые исследовано напряженно-деформированное состояние при холодной
радиально-сдвиговой протяжке и установлено, что накопленная степень деформации
равномерно распределяется по периметру проволоки, при этом ее значение в поверхности выше чем в центре, и растет с уменьшением угла конической части деформирующих роликов; циклический характер действия рабочих напряжений, определяемый вращением деформирующих роликов вокруг заготовки, приводит к «геликоидальному» характеру течения металла и неоднородности напряженного состояния; значение максимального единичного обжатия ε ≤ 20%, а минимальный угол конической части ролика
α ≥ 2°; устойчивость процесса и отсутствие «наплывов» на поверхности проволоки
обеспечиваются выполнением условия: длина обжатой заготовки за один оборот волоки
должна быть не более 1/3 длины цилиндрической части ролика.
5. Разработаны новая методика и алгоритм расчета маршрутов волочения, обеспечивающие возможность получения проволоки заданного уровня качества при минимальных энерго- и материалозатратах. Для автоматизации расчетов основных параметров процесса волочения была разработана и зарегистрирована программа для ЭВМ.
Данная методика может применяться как при проектировании новых, так и при анализе
действующих маршрутов волочения и адаптирована для расчета процесса волочения с
применением роликовых волок любой конструкции. Показано, что с увеличением диаметра протягиваемой проволоки возможности повышения эффективности волочения в
монолитной волоке значительно снижаются. Для устранения этого, в маршрутах волочения необходимо использовать роликовые волоки различных конструкций, что позволяет повысить значение накопленной степени деформации и ее равномерность, снизить
усилие и кратность волочения.
6. Разработаны новые способы волочения проволоки (получены патенты РФ
№2498870 и №2502573). Даны рекомендации по совершенствованию действующих
маршрутов волочения, применяемых в АО «БМК», ООО «Специальные технологии» и
при выполнении НИОКТР с ОАО «ММК-МЕТИЗ» (Договор № МК204895 от 27 июля
2015 г.). Результаты исследований применяются в учебном процессе кафедры технологий обработки материалов ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический
университет им. Г.И. Носова» и кафедры металлургии и стандартизации в филиале
ФГБОУ ВО «МГТУ им. Г.И. Носова» (г. Белорецк) при подготовке обучающихся по
направлению «Металлургия».
15
Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:
Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК
1. Харитонов, В. А. Исследование радиально-сдвиговой протяжки проволоки на
основе моделирования / В.А. Харитонов, М.Ю. Усанов // Металлург. – 2013. – № 11. –
С. 83–87.
2. Усанов, М. Ю. Эффективность применения деформации кручения в способах
производства наноструктурированной проволоки / М.Ю. Усанов, В.А. Харитонов //
Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. – 2016. – 14. – № 4. – С. 66–71.
3. Харитонов, В. А. Совершенствование методики расчета маршрутов волочения для высокоуглеродистых сталей / В.А. Харитонов, М.Ю. Усанов // Черная металлургия. Бюллетень научнотехнической и экономической информации. – 2017. – № 8. –
С. 92-95.
Статья в издании, входящем в
наукометрические базы Web of Science и Scopus
4. Kharitonov, V. A. Evaluating the effectiveness of drawing methods with torsion in
the manufacture of carbon wire with UFG structure / V.A. Kharitonov, M.Y. Usanov // Letters
On Materials. – 2016. – Vol. 6. – Issue 2. – P. 116–121.
Монография
5. Совершенствование режимов деформации и инструмента при волочении
круглой проволоки / В.А. Харитонов, А.Ю. Манякин, М.В. Чукин, Ю.А. Дремин, М.А.
Тикеев, М.Ю. Усанов. – монография. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн.
ун-та им. Г.И. Носова. – 2011. – 174 c.
Прочие издания
6. Формирование структуры и свойств проволоки из углеродистых марок стали
способами сдвиговой деформации / В.А. Харитонов, Ю.Ю. Ефимова, Е.Ю. Ямашева,
М.Ю. Усанов // Павловские чтения. – М.: ИМЕТ РАН. – 2010. – C. 600–602.
7. Возможности получения углеродистой проволоки с ультрамелкозернистой
структурой / В.А. Харитонов, М.А. Полякова, М.Ю. Усанов // IV Всероссийская конференция по наноматериалам «НАНО 2011». / Сборник материалов. – М.: ИМЕТ РАН. –
2011. – C. 442.
8. Радиально-сдвиговая протяжка как эффективный способ повышения качества
круглой проволоки / В.А. Харитонов, М.А. Полякова, М.Ю. Усанов // Труды научнотехнической конференции «Проблемы и перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР».
– Екатеринбург: УрО РАН. – 2011. – Т. 2. – C. 521–532.
9. Харитонов, В. А. Модель формирования наноструктуры в высокоуглеродистой проволоке в процессе радиально-сдвиговой протяжки / В.А. Харитонов, М.Ю. Усанов // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов: межвуз. сб. науч. тр. / под общ. ред. В.М. Самсонова, Н.Ю. Сдобнякова. – Тверь:
Твер. гос. ун-т. – 2012. – Вып. 4. – С. 309–313.
10. Харитонов, В. А. Состояние и направления развития непрерывных способов
наноструктурирования круглой проволоки / В.А. Харитонов, М.Ю. Усанов // Вестник
Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. –
2013. – № 3. – С. 69–73.
16
11. Харитонов, В. А. Формирование структуры в процессе радиально-сдвиговой
протяжки проволоки / В.А. Харитонов, М.Ю. Усанов // Письма о материалах. – 2014. –
Т. 4. – № 1. – С. 37–40.
12. Усанов, М. Ю. Получение проволоки радиально-сдвиговой протяжкой /
М.Ю. Усанов, В.А. Харитонов // Инновационные технологии в металлургии и машиностроении: Сб. науч. трудов. – Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та. – 2014. – С. 314–316.
13. Харитонов, В.А. Ресурсосберегающий способ получения круглой проволоки
/ В.А. Харитонов, М.Ю. Усанов // Современные проблемы горно-металлургического
комплекса. Наука и производство: материалы Двенадцатой Всероссийской научнопрактической конференции. – Старый Оскол. – 2015. – Т. 1. – C. 219–223.
14. Усанов, М. Ю. Расширение возможностей программ конечно-элементного
моделирования для анализа напряжено-деформированного состояния при моделировании процесса волочения / М.Ю. Усанов, В.А. Харитонов // Моделирование и развитие
процессов обработки металлов давлением: междунар. сб. науч. тр. / под ред. А.Б. Моллера. – Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И.Носова. – 2018. –
Вып. 24. – С. 60–65.
Охранные документы
15. Пат. 2498870 RU, МПК B21C 1/00. Способ получения из высокоуглеродистой стали проволоки с наноструктурой / В.А. Харитонов, В.Н. Лебедев, М.В. Чукин,
В.А. Бакшинов, Б.А. Коломиец, М.Ю. Усанов – № 2012128910/02. Заявл. 06.07.2012;
опубл. 20.11.2013.
16. Пат. 2502573 RU, МПК B21C 1/00. Способ изготовления высокопрочной
проволочной арматуры периодического профиля / С.Н. Ушаков, В.А. Харитонов, В.А.
Бакшинов, М.В. Чукин, М.Ю. Усанов – № 2012146886/02. Заявл. 01.11.2012; опубл.
27.12.2013.
17. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ
№ 2017660119. Расчет режимов волочения углеродистой проволоки / В.А. Харитонов,
М.Ю. Усанов. Заявка № 2017617125. Дата поступления 18 июля 2017 г. Дата гос. регистрации в Реестре программ для ЭВМ 14 сентября 2017 г.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа