Введение к работе
Актуальность работы.
Калиброванный шестигранный прокат широко используется для изготовления крепежных деталей (болты, гайки и т.п.) и арматуры соединения трубопроводов (штуцеров, переходников и др.).
Волочение через монолитные многогранные волоки шестигранной или круглой заготовки является самым распространенным способ изготовления калиброванного шестигранника. Высокая стоимость шестигранной заготовки и необходимость наличия на складе больших запасов различных размеров и марок стали делает актуальной задачу определения рациональных режимов деформирования заготовки, имеющей круглое поперечное сечение.
Наиболее распространенная технологическая схема изготовления калиброванного шестигранника из заготовки круглого сечения - волочение за несколько проходов с промежуточными операциями (отжиг, подготовка поверхности и т.п.) через монолитные многогранные волоки с плоскими гранями. Основные недостатки такой технологии - большое количество технологических операций и сравнительно низкая стойкость многогранных монолитных волок.
Современные волочильные станы оснащаются специальными устройствами для редуцирования (проталкивания) заготовки в волочильный инструмент, применение которых устраняет операцию острения, что повышает механизацию процесса и производительность труда, а также снижает отходы металла. Однако, особенности механической схемы деформации при редуцировании (всестороннее сжатие) при определенных условиях приводят либо к продольному изгибу проталкиваемого участка, либо к его осадке, что создает определенные трудности практической реализации данной операции.
Поэтому определение рациональных режимов волочения и редуцирования с использованием современных методов исследования процессов обработки металлов давлением (ОМД) позволит решить актуальную проблему повышения экономической эффективности изготовления шестигранных профилей из круглой заготовки за счет сокращения технологических операций и повышения стойкости волок.
Цель работы:
Совершенствование технологии изготовления шестигранных профилей путем применения рациональных режимов деформирования заготовки круглого поперечного сечения и конструкции волок с целью повышения их стойкости.
* Работа выполнялась при поддержке гранта Губернатора Челябинской обл. за 2011 г.
Задачи исследования:
Выполнить моделирование процессов волочения и редуцирования шестигранного профиля из круглой заготовки с использованием современного метода исследования процессов ОМД, определить формоизменение заготовки на различных этапах деформирования, напряженно-деформированное состояние (НДС) и энергосиловые параметры исследуемых процессов. Использовать результаты исследования при выборе рациональных режимов деформирования и конструкции волок.
Определить НДС в инструменте при контактном взаимодействии заготовки круглого сечения и рабочего канала многогранной волоки при волочении шестигранного профиля с учетом неравномерного характера распределения нагрузки по поверхности контакта, имеющей сложную геометрию. Использовать результаты расчетов при выборе рационального натяга в сборной волоке, при котором обеспечиваются минимальные значения растягивающих окружных напряжений в углах монолитной вставки.
Разработать новые технические решения, использование которых обеспечит сокращение технологических операций и повышение стойкости волочильного инструмента при изготовлении шестигранных профилей.
Научные результаты, выносимые на защиту:
Рациональные режимы деформирования при волочении шестигранного профиля из круглой заготовки и геометрические параметры обжимной зоны волоки, позволяющие обеспечить требуемую точность граней профиля при минимальных энергосиловых затратах.
Закономерности распределения нормального давления по рабочей поверхности канала инструмента различного конструктивного исполнения при формировании шестигранного профиля, позволяющие с высокой точностью определить НДС монолитной и сборной (секторной) многогранной волоки при волочении шестигранных профилей из заготовки круглого и шестигранного сечения.
Методика определения рационального натяга для запрессовки многогранных монолитных и секторных вставок в обойму (корпус), позволяющая в зависимости от условий процесса волочения шестигранного профиля рассчитывать рациональные посадочные размеры, при которых обеспечиваются минимальные значения растягивающих окружных напряжений в углах монолитной вставки.
Научная новизна результатов исследования:
1. Установлены закономерности изменения диаметра описанной окружности шестигранного профиля при варьировании основных условий процесса волочения, отличающиеся тем, что позволяют учитывать контактное взаимодействие заготовки и волоки при объемной постановке задачи и сложной форме обжимной поверхности рабочего канала с учетом упруго-пластических свойств деформируемого металла.
Выявлен характер распределения нормальных давлений, напряжений и деформаций на рабочей поверхности канала многогранной волоки с учетом особенностей формоизменения и НДС заготовки при волочении шестигранного профиля.
Разработана методика определения рационального натяга запрессовки монолитных твердосплавных вставок в корпус, отличающаяся тем, что величина натяга рассчитывается из условия минимизации растягивающих окружных напряжений в углах волочильного канала с учетом особенностей контактного взаимодействия в системе «заготовка - волока».
Решена задача по определению НДС секторной сборной волоки при волочении шестигранного профиля.
Теоретическая значимость результатов исследования заключается в следующем:
на основе имитационного моделирования процессов волочении и редуцирования получены новые знания о закономерностях пластического деформирования круглой заготовки при волочении шестигранного профиля;
осуществлена адаптация компьютерных конечно-элементных моделей для выявления основных факторов, определяющих точность граней шестигранного профиля при волочении круглой заготовки;
предложена методика определения НДС многогранной монолитной волоки, позволяющая учитывать совместное влияние внутреннего неравномерно распределенного давления от деформации заготовки при волочении и внешнего давления от натяга при запрессовке твердосплавной вставки в корпус.
Практическая значимость научных результатов состоит в следующем:
1. Разработаны новые технические решения:
«Волока для изготовления многогранных фасонных профилей» (патент на полезную модель РФ № 78102), применение которой обеспечивает сокращение технологических операций и повышение стойкости волок;
«Устройство для изготовления многогранных фасонных профилей» (подготовлена заявка на полезную модель), применение которого позволяет изготавливать шестигранные профили за одну операцию волочения с редуцированием конца заготовки.
Усовершенствована технология изготовления калиброванного шестигранного проката из круглой заготовки на цепных волочильных станах, применение которой в условиях ОАО «ММК-МЕТИЗ» позволило устранить промежуточные технологические операции волочения, отжига и подготовки поверхности, а также снизить отходы на 3%. Экономический эффект - 1945 руб/тн.
Результаты исследования могут быть внедрены на предприятиях, изготавливающих калиброванный шестигранный прокат: ОАО «Северсталь-метиз», ЗАО «Омутнинский металлургический завод», ОАО «Металлургический завод им. А.К. Серова», ЗАО «Волгоградский металлургический завод
«Красный Октябрь», ОАО «Московский металлургический завод «Серп и молот», ЧАО «Константиновский металлургический завод» и др.
Соответствие паспорту специальности. В соответствии с формулой специальности диссертационная работа является прикладным исследованием закономерностей пластического деформирования круглой заготовки при волочении и редуцировании шестигранного профиля и контактного взаимодействия в системе «заготовка - волока». Исследования направлены на определение рациональных режимов деформирования и конструкции волочильного инструмента, использование которых обеспечивает снижение энергозатрат и технологических отходов, а также повышение стойкости волок. Полученные соискателем научные результаты соответствуют пунктам 1, 3 и 5 паспорта специальности 05.02.09 «Технологии и машины обработки давлением».
Личный вклад. Основные теоретические положения и научные результаты получены автором самостоятельно. Экспериментальные исследования и обсуждение результатов проведены совместно с соавторами опубликованных работ.
Реализация работы. Результаты работы приняты к использованию в ОАО «ММК-МЕТИЗ» при изготовлении на ценных волочильных станах калиброванного шестигранного проката по ГОСТ 8560-78 с полем допуска hi 1 из сталей марок 10-50 из заготовки круглого сечения, а также при изготовлении сборных волок с твердосплавными вставками по ГОСТ 5426-76.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы изложены и обсуждены на научно-технических конференциях различных уровней: ежегодных научно-технических конференциях ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» (2009-2011 гг.); Восьмом Конгрессе прокатчиков (г. Магнитогорск, 2010 г.); 11-й Международной научно-технической конференции ОАО «ММК» (г. Магнитогорск, 2011); научно-технических конференциях ОАО «ММК-МЕТИЗ» (2010-2011 гг.); Всероссийском конкурсе «У.М.Н.И.К.» (г. Магнитогорск, 2009 г.); Третьем (г. Челябинск, 2010 г.) и Четвертом (г. Челябинск, 2011 г.) Международных промышленных форумах «Реконструкция промышленных предприятий - прорывные технологии в металлургии и машиностроении»; областном конкурсе научно-исследовательских работ студентов, аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений, расположенных на территории Челябинской области (г. Челябинск, 2011г.)
Публикации. Основные положения и результаты работы изложены в 10 научных публикациях, из них 3 в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ, одном патенте на полезную модель РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и 4 приложений. Текст диссертации изложен на 162 страницах машинописного текста, иллюстрирован 84 рисунками, содержит 30 таблиц. Библиографический список включает 103 наименования.
