Введение к работе
Актуальность темы. Многие отрасли современной техники, связанные с наукоемкими технологиями, требуют для решения своих проблем особых свойств материалов, которые могут быть получены на основе конструирования композитных соединений из металлов с разными физическими и химическими характеристиками.
Широкое применение при создании приборов электронной техники нашли многослойные проволочные материалы с сердечником из ферроникелевых сплавов (ковара, фени, пермаллоя и др.) с медными покрытиями. Для герметичных (вакуумных) вводов через стеклянные оболочки светильных, электровакуумных и полупроводниковых приборов используют биметаллическую проволоку с сердечником из сплава фени и оболочкой из меди (платинит). Композицию «пермаллой - медь» используют в качестве малогабаритных («микронных») сердечников в переключающих устройствах.
Современное производство прецизионной металлопродукции должно быть оснащено технологическим оборудованием, соответствующим мировому уровню техники. Наличие такого оборудования позволяет создавать эффективные технологии производства высококачественных материалов. Выбранные для исследования композиции имеют в своем составе металлы с низкой упругостью диссоциации оксидов: Ni, Си и др. Поэтому композиционные материалы с составляющими из таких металлов или их сплавов требуют применения специального технологического оборудования и среды контролируемого состава.
Анализ известных технологий производства прополочных биметаллов показал, что для рассматриваемых в работе материалов они не обеспечивают высокого качества соединения составляющих, точности геометрических размеров и требуемых служебных характеристик, связанных со спецификой их применения.
Поэтому разработка процесса производства прецизионной ферроникелевой проволоки с медной плакировкой является актуальной задачей, которая имеет важное народнохозяйственное значение и вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса.
Исследования выполнялись в соответствии с конкурсами фантов в области фундаментальных проблем металлургии и машиностроения, планами госбюджетных научно-исследовательских работ МИСИС.
Цель и задачи работы. Цель работы - исследование процесса получения биметаллической проволоки и на этой основе разработка технологии непрерывного производства прецизионной ферроникелевой проволоки с медной плакировкой и рекомендаций по созданию и совершенствованию конструкций оборудования.
Для достижения этой цели в работе решались следующие задачи:
проанализировать и систематизировать современные технологии и оборудование для производства композиционных металлических материалов, обобщить опыт работы ведущих проектно-конструкторских и научно-исследовательских организаций по созданию процессов и машин для обработки давлением биметаллических проволочных материалов;
разработать принципы построения технологии производства прецизионных проволочных материалов с сердечником из ферроникелевого сплава и плакировкой из меди;
на основе объектно-ориентированного подхода разработать технологическую линию для непрерывного производства проволочных биметаллов с использованием научного конструирования и баз данных;
математическим моделированием исследовать процесс получения биметаллической проволоки и определить влияние технологических факторов на качество готовой продукции;
провести опытно-промышленные испытания разработанных технологических режимов и оборудования непрерывных линий.
Научная новизна. Впервые для создания процесса производства многослойных проволочных материалов использован объектно-ориентированный подход, объединяющий в единое целое технологию, функциональную схему работы, объектно-ориентированную модель и состав оборудования. Разработана математическая модель контактного взаимодействия сердечника и волоки, основанная на совместном использовании теории волочения и закономерностей контактного трения; установлена зависимость величины зазора, определяющего натекание воздуха, от параметров шероховатости поверхностей и режимов волочения. Создана вакуумная математическая модель процесса ввода сердечника в рабочую камеру, что позволило установить режимы течения воздуха в волочильных блоках и получить формулы для расчета вакуумной проводимости. Установлен логарифмический закон изменения давлений в соседних вакуумных
камерах, определено количество камер и число волок в каждом герметизирующем блоке. Разработана математическая модель узла вывода биметаллической проволоки из рабочей вакуумной камеры, выполненного в виде совокупности последовательно расположенных волок; выведены уравнения для определения ' напряжений волочения, в которых величина противонатяжения задается в долях условного предела текучести.
Практическая ценность и реализация результатов работы. На основе разработанной технологии, функциональной схемы работы и объектно- ориентированной модели предложена технологическая схема и определен состав оборудования линии для производства прецизионной биметаллической проволоки с применением баз данных и научного конструирования модулей. Разработана технология герметичного соединения биметалла "фени - медь" в вакууме lO^.-.W4 Па путем трубоформовки ленты в калибрующих роликах с электронно-лучевой сваркой продольных кромок трубки и последующим деформированием биметаллической заготовки с обжатием до 8%. Результаты исследований использованы при модернизации стана МАМП, разработке плющильного стана конструкции ОКБМ и создании промышленного образца модуля деформирования и сварки. Испытания полученных проволочных биметаллов показали, что при производстве изделий электронной техники брак по вакуумной плотности снизился в 2...3 раза, выход годного повысился на 20...40%. срок службы изделий увеличился более чем в 2 раза.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на расширенных семинарах кафедры "Машины и агрегаты металлургических предприятий" МИСИС (Москва, 2000 г., 1998 г.), международных научно-технических конференциях «Вопросы проектирования и эксплуатации технических систем в металлургии, машиностроении и строительстве» (Старый Оскол, 1999 г.) и "Информационные технологии в производственных, социальных и экономических процессах" (Череповец, 1999 г.).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 12 статьях.
Объем работы. Диссертация изложена на 138 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырех глав и выводов, содержит 37 рисунков, 6 таблиц, список использованных источников из 57 наименований, 2 приложения.
В настоящее время в электронной, электротехнической и полупроводниковой промышленности для изготовления деталей и узлов электровакуумных приборов, мощных транзисторов и трансформаторов в качестве конструкционных материалов применяют композиционные металлические ленточные и проволочные материалы. Сочетание различных металлов или сплавов позволяет не только объединить полезные свойства отдельных составляющих, но и получить совершенно новые свойства, как например, одновременно высокую прочность и пластичность, повышенную теплопроводность и низкое термическое расширение, высокую коррозионную стойкость в агрессивных средах, жаростойкость, высокие эмиссионные характеристики, определенные магнитные свойства и др.
Широкое применение при конструировании приборов электронной техники нашли прецизионные проволочные биметаллы с сердечником из ферроникелеаых сплавов (ковара, фени и др.) и медными покрытиями. В данной работе рассмотрена типичная композиция - прецизионная круглая проволока с сердечником из фени и оболочкой из меди, для которой на начало наших исследований отсутствовали хорошо отработанная технология и промышленное оборудование.
В работах отечественных ученых (Бринза В.Н.. Голованенко А.С., Кобелев А.Г., Колмогоров В.Л., Король В.К., Лукашкин Н.Д., и др.) показано, что для получения композиционных металлических проволочных и ленточных материалов наиболее перспективными являются способы их производства в твердой фазе с применением холодной или высокотемпературной пластической деформации.
Обработка давлением металлов и сплавов, входящих в состав рассматриваемого композиционного материала, осложняется высокими температурами их плавления и склонностью к окислению и газонасыщению. Наиболее эффективным способом защиты металлов и сплавов от окисления и газонасыщения в процессах их обработки является создание специального оборудования, позволяющего производить все операции - нагрев, пластическую
деформацию, охлаждение и термообработку - в вакууме или в средах регулируемого состава. Наибольший вклад в решение указанной проблемы внесли ученые МИСиС (Зарапин Ю.Л., Крупин А.В., Чернышев В.Н. и др.) и ВНИИМЕТМАШ (Серебрянников А.М. и др.). Получение многослойных высококачественных ленточных и проволочных материалов возможно также на прокатном оборудовании с пропусканием электрического тока через валки и прокатываемый материал и/или через движущуюся заготовку перед очагом деформации (Карелин Ф.Р., Пасечник Н.В., Чиченев Н.А. и др.).
В связи с этим возникает необходимость создания технологии и высокопроизводительного оборудования для производства прецизионных биметаллических проволочных материалов. Этому требованию отвечает непрерывный процесс, включающий последовательно все технологические операции от подготовки и обработки давлением монометаллической заготовки до получения многослойного продукта.
Как показал критический анализ научно-технической и патентной литературы, в производстве композиционных металлических материалов перспективным направлением является разработка процессов и оборудования для реализации прецизионных металлургических и физико-химических технологий, широко применяемых в современных отраслях науки и техники, на мини-заводах и предприятиях малой металлургии и электронной промышленности.
В электронной и радиотехнической промышленности для герметичных (вакуумных) вводов через стеклянные оболочки электровакуумных, полупроводниковых и светильных приборов широко применяют биметаллическую проволоку - платинит, которая представляет собой проволоку из железоникелевого сплава 42НА (фени) с оболочкой из меди.
На кафедре МАМП МИСиС совместно с ОКБ «Луч» (г. Владикавказ) предложен способ непрерывного получения биметаллической проволоки «фени -медь», который включает следующие технологические операции: стыкосварка концов медной ленты и ферроникелевого сердечника; обрезка кромок ленты;
правка, ультразвуковое обезжиривание и зачистка ленты и сердечника, трубоформовка ленты вокруг сердечника, прямошовная электронно-лучевая сварка кромок трубки и деформация биметаллической заготовки; нагрев, редуцирование, охлаждение и смотка биметаллической проволоки.
Для получения надежного и вакуум-плотного сцепления по всему периметру поперечного сечения биметаллической проволоки нами предложено осуществлять обработку контактирующих поверхностей в вакууме 6,6...13,3 Па. Формирование и сварку трубной заготовки следует вести в глубоком вакууме 10"2...10"* Па, а опрессовку осуществлять в волоках с обжатием 3...8%. Полученную биметаллическую заготовку нагревают до 850±25С и подвергают горячему волочению через четыре последовательно расположенные волоки по режиму повышения вытяжек 2...7%.
С целью определения оптимальных значений шероховатости контактирующих поверхностей сердечника и ленты проведена серия экспериментов. Установлено, что при шероховатости поверхности сердечника Ra < 0,8 мкм и ленты Rz < 10 мкм, т.е. в случае «гладких» поверхностей, уменьшается прочность соединения составляющих, что приводит к браку по расслоению. В то же время при шероховатости поверхности сердечника Ra > 1,5 мкм и ленты Rz > 20 мкм, т.е. в случае «грубых» поверхностей, снижается вакуумная плотность биметаллической проволоки. Следовательно, для получения высококачественного соединения составляющих необходимо обеспечить шероховатость поверхности ферроникелевого сердечника Ra = 0,8...1,5 мкм и медной ленты- Rz= 10...20 мкм.
На основе объектно-ориентированного подхода впервые разработана функциональная схема работы технологической линии для производства платинитовой проволоки, которая включает в себя три подсистемы (рис. 1): 1 -подготовки сердечника, 2 - подготовки ленты, 3 - получения биметаллической проволоки. Каждая подсистема содержит три функциональных блока, предназначенных для выполнения одной обобщенной технологической операции. Представленная функциональная схема дает полное представление как о технологии производства платинитовой заготовки, так и о необходимых для его реализации подсистемах, модулях и агрегатах технологического оборудования. Она является основой для разработки объектно-ориентированной модели линии для производства биметаллической проволоки «фени - медь», которая необходима для выбора конкретных марок и типоразмеров машин, агрегатов и устройств.
Функциональная схема работы технологической линии для непрерывного производства биметаллической проволоки
Сердечник из
сплава «фени»
Лента из меди
Рис. 1
Объектно-ориентированная модель линии представляет собой корневое «И-ИЛИ» дерево, т.е. является многоуровневым ориентированным графом. Верхний уровень модели (уровень 1) представляет собой уровень системы или технологической линии в целом. В соответствии с функциональной схемой работы всю линию можно представить в виде трех подсистем (уровень 2), предназначенных для выполнения определенных обобщенных функций: П1 -подсистема (линия) подготовки к соединению ферроникелевого сердечника, П2 -подсистема (линия) подготовки к соединению медной ленты, ПЗ - подсистема (комплекс) соединения ферроникелевого сердечника с медной лентой.
В свою очередь каждая подсистема включает несколько модулей (уровень 3), под которыми будем понимать набор машин, агрегатов и устройств, выполняющих определенный комплекс технологических операций. На четвертом уровне -расположены машины, афегаты, устройства и механизмы, которые выполняют одну из основных технологических операций. На последнем уровне (уровень 5) расположены отдельные узлы и механизмы.
Разработанные функциональная схема и объектно-ориентированная модель послужили основой создания технологической линии для непрерывного производства прецизионной биметаллической проволоки. Линия имеет в своем составе: разматыватель, машины стыковой сварки и правки проволоки; афегаты предварительного и ультразвукового обезжиривания и машину иглофрезерной зачистки проволоки; разматыватель, стыкосварочную машину, накопитель, правильную машину и ножницы для обрезки кромок ленты; агрегат ультразвукового обезжиривания и машину зачистки ленты; модуль деформирования и сварки в вакууме; натяжное устройство, правильную машину, печь индукционного нагрева, модуль редуцирования, устройства для охлаждения и смотки биметаллической проволоки.
При проектировании линии большинство модулей и афегатов (моталка, разматыватели, стыкосварочная машина и др.) были выбраны из баз данных предприятий ОКБ "Луч" (г. Владикавказ) и ОКБМ (г. Калуга). Некоторые агрегаты (модуль редуцирования, ножницы и др.) были модернизированы с целью адаптации к данному технологическому процессу. В то же время для модуля деформирования и сварки в вакууме не было найдено аналогичных технических решений, что вызвало необходимость его конструирования.
В соответствии с разработанной выше технологией производства прецизионной проволоки «фени - медь» процесс формирования прочного вакуумплотного соединения составляющих происходит в два этапа. На первом этапе осуществляется герметичное предварительное соединение медной трубки с ферроникелевым сердечником в высоковакуумной рабочей камере, а на втором -прочное окончательное соединение составляющих на воздухе.
Поскольку процесс соединения составляющих должен происходить в вакууме, то для сварки кромок медной трубки применена электронно-лучевая пушка. Глубина вакуума определяется технологическими режимами электроннолучевой сварки; сварку тонких полос из меди и её сплавов рекомендуется проводить при остаточном давлении воздуха в рабочей зоне менее КГ5 Па. Нами выбран вакуум глубиной 10"4 Па. Экспериментально установлено, что высококачественный сварной шоа без образования фата получается при следующих параметрах электронно-лучевой пушки: напряжение - 35....40 кВ, ток -33...37 мА, скорость-0,8... 1,0 м/с.
Зачищенная медная лента медная лента шириной 33 мм непрерывно подается в трубоформующее устройство, в котором она деформируется в трубку с наружным диаметром ~10 мм так, чтобы внутри неё проходил ферроникелевый сердечник с очищенной поверхностью. Так как процесс пластической деформации ленты происходит в глубоком вакууме, то с целью упрощения конструкции трубоформующсго устройства ролики выполнены холостыми. Учитывая высокую пластичность материала ленты и сравнительно невысокую скорость деформации, принята наиболее простая одно-радиусная калибровка. Однозначность данного типа калибровки можно выразить следующими зависимостями по ширине ленты и по формам поперечных сечений в декартовой системе координат. Вл = Ri-gi и (Ri)2 - М2 + (У - Ri)2- Здесь Вл - ширина медной ленты, gi - угол формовки, R, - радиус калибра і-го формующего ролика, который изменяется от Ro = <» на входе в первый ролик, когда лента еще плоская, до Rn = Rt в последнем (N-ом) ролике, где N - количество формующих роликов, Rt - радиус медной трубки.
Расчет калибровки по известной методике показал, что для получения качественной сварной прямошовной медной трубки достаточно шести пар формующих роликов, т.е. N = 6.
Устройство для ввода ферроникелевого сердечника в вакуумную камеру представляет собой совокупность нескольких блоков волок. Оно обеспечивает герметизацию высоковакуумной камеры от окружающей среды, при этом одновременно происходит удаление с поверхности сердечника оксидных пленок, которые могут возникнуть в процессе его движения от установки механической зачистки к модулю деформирования и сварки. По сути процесс ввода сердечника в вакуумную камеру представляет собой процесс волочения с очень малыми вытяжками. В то же время его принципиальным отличием от традиционного процесса волочения является то, что основная цель процесса заключается не в уменьшении диаметра сердечника, а в обеспечении допустимых параметров натекания воздуха в вакуумную камеру через волоки.
Разработана математическая модель узла ввода сердечника в рабочую вакуумную камеру, которая основана на совместном использовании теории волочения, закономерностей контактного трения и вакуумной техники. Она содержит две основные части: стержневую модель шероховатой поверхности и модель вакуумного ввода.
Ввод сердечника в вакуумную камеру осуществляется путем волочения через волоки, и поэтому контурное давление равно
Ркон = (osjcp = 4атм'атх , где (
Величина относительного сближения контактирующих тел при использовании стержневой модели в случае пластического контакта определяется параметром b опорной кривой профиля
5_ SR Г ркон
где RMax - наибольшая высота неровностей профиля, величина коэффициента с зависит от материала и формы контактирующих поверхностей. Для случая ввода
сердечника в вакуумную камеру получена формула для вычисления абсолютного сближения контактирующих тел: 6R = 0,4-(Rmax,i + Rmax.2)-
Из теории вакуумных систем известно, что большинство физических процессов, протекающих в вакууме, существенно зависят от величины критерия Кнудсена, для определения которого получено следующее выражение для критерия Кнудсена: Кп = 0,0067/[p(Rmaxi + Rmaxi)]- Установлено, что для первого волочильного блока имеет место вязкостный режим течения воздуха, при котором характер распределения скорости в поперечном сечении определятся, в основном, силами внутреннего трения. Для третьего волочильного блока режим течения воздуха будет молекулярным; для него характерно независимое перемещение молекул, при котором внутренним трением можно пренебречь. Для второго волочильного блока имеет место переходный режим, при котором на течение воздуха оказывает влияние, как внутреннее трение, так и молекулярный перенос; такой режим называется молекулярно-вязкостным.
С учетом фактических параметров шероховатости контактирующих поверхностей и режимов волочения выведены формулы для определения проводимости Uj вакуумного элемента "волока - сердечник* всех волочильных блоков узла ввода сердеченика
Ut =2,72-10* "» <&І")2 ; Ц3 =484 Jggll; U2 = 436^1+2,72-10» d" <**"?
Iy яі iy вг Jv Bi 21 вг
Здесь drj - диаметр трубопровода, в качестве которого принят средний диаметр калибрующей зоны і-ой волоки; 5dn - зазор между поверхностями і-ой волоки и сердечника, величина которого определяется шероховатостью контактирующих поверхностей волоки; Nbj - число волок в j-ом волочильном блок.
Число промежуточных вакуумных камер N (т.е. число вакуумных насосов) обычно определяется в зависимости от времени откачки Ьтк воздуха из вакуумной камеры. Проведенный нами анализ известных вакуумных систем показал, что для приемлемой для практики величины to значения давлений на выходе из промежуточных вакуумных камер хорошо укладываются на прямую в полулогарифмическом масштабе координат (рис. 2). Таким образом, нами установлен логарифмический зскон изменения давлений в соседних вакуумных камерах, который можно записать в следующем виде
N = 1,5-0,3-lg(p) или N =-0,3-lg(p/105),
где N - число промежуточных вакуумных камер (насосов); р -давление в вакуумной камере, Па; ро = 10s Па - атмосферное давление. Поскольку в рабочей камере рз = 10"4 Па, то число вакуумных камер равно N = 3; при этом давление в камере низкого вакуума равно pi = 10 Па, в камере среднего вакуума - рг = Ю'2 Па.
Зависимость числа промежуточных вакуумных камер (насосов) N от давления (глубины вакуума) в рабочей вакуумной камере
10"5 10"3 10"1 10 103 105
Давление р, Па
Рис.2
Используя полученные зависимости, была обоснована схема вакуумной системы модуля деформирования и сварки, осуществлен ее расчет и произведен выбор вакуумных насосов и других конструктивных элементов.
Функциональная схема работы и объектно-ориентированная модель модуля предварительного соединения составляющих включают в себя следующие основные узлы (рис. 3-4): 1 - ввода медной ленты; 2 - ввода ферроникелевого сердечника; 3 - формовки ленты в трубку и сварки ее кромок электронно-лучевой сваркой в вакууме; 4 - деформирования биметаллической заготовки с целью обеспечения герметичного соединения сердечника с оболочкой и герметичного вывода биметаллической проволоки из рабочей вакуумной камеры; 5 - вакуумная камера с системой трубопроводов, насосов и запорно-регулирующей аппаратурой.
Функциональная схема работы модуля деформирования и сварки технологической линии для производства биметаллической проволоки "фени-медь"
Сварка кромок ленты
Ввод ленты
Ввод сердечника
Сердечник введен в камеру
Формовка ленты
Лента
[введена в
камеру
Узел ввода сердечника
Узел ввода Ленты
Узел формовки ленты и сварки ее кромок
Узел вывода Биметалла
Рис.3
Рис.4
Объектно-ориентированная модель модуля соединения составляющих линии для производства биметаллической проволоки
Первый узел предназначен для герметичного непрерывного ввода ленты из мягкой меди марки MB шириной 33^,1 мм и толщиной 0,7_о,ое мм в рабочую вакуумную камеру и её подготовки к соединению с ферроникелевым сердечником. В качестве герметизирующих и направляющих элементов приняты чередующие пары горизонтальных и вертикальных роликов. Расчеты показали, что устройство для ввода медной ленты в вакуумную камеру конструктивно должно быть выполнено в виде двух последовательно расположенных камер низкого и среднего вакуума, разделенных герметизирующими элементами. Для улучшения условий работы и повышения надежности узла ввода ленты герметизирующие элементы работают без восприятия значительных усилий, для чего установлены горизонтальные тянущие и вертикальные центрирующие ролики, а на её выходе -отклоняющий ролик. С целью исключения схватывания трущихся поверхностей ролики выполнены из твердого сплава типа ВК6, а герметизирующие направляющие для низкого и среднего вакуума изготовлены из фторопласта.
Второй узел предназначен для герметичного непрерывного ввода ферроникелевого сердечника диаметром 8.0,1 мм в рабочую вакуумную камеру и его подготовки к соединению с медной оболочкой. В качестве вакуумного уплотнения выбраны стандартные твердосплавные волоки, которые широко используются в процессах волочения проволоки из различных металлов и сплавов. В результате математического моделирования процесса ввода ферроникелевого сердечника в вакуумную камеру установлено, что данный узел должен быть выполнен в виде двух последовательно расположенных камер низкого вакуума и среднего вакуума, разделенных блоками волок.
Третий узел предназначен для формовки медной ленты в трубку и соединения ее кромок с помощью электронно-лучевой сварки в высоком вакууме. Этот узел состоит из двух функциональных основных сборочных единиц, каждый из которых обеспечивает выполнение одной обобщенной технологической операции. Первая из них представляет трубоформующеэ устройство. Вторая функциональная сборочная единица предназначена для прижатия кромок трубной заготовки и их центрирования относительно линии сварки, что необходимо для получения сварного шва высокого качества. Она выполнена в виде двух волок, которые расположены на достаточно близком расстоянии, необходимом для осуществления процесса электронно-лучеЕОй сварки кромок медной трубной заготоеки. Выбор электронно-лучевой сварки обусловлен необходимостью получения
высококачественного сварного шва и обеспечения вакуум-плотного соединения медной оболочки с ферроникелевым сердечником. Это достигается за счет двух основных факторов. Во-первых, сварка происходит в глубоком вакууме, что позволяет сохранить ювенильными поверхности медной оболочки и ферроникелевого сердечника. Во-вторых, благодаря высокой концентрации энергии, электронный луч дает возможность получить локальное и глубокое проплавление металла при незначительной зоне термического влияния, что исключает искажение формы трубной заготовки и образование внутреннего и наружного фата.
Четвертый узел предназначен для деформирования биметаллической заготовки с целью обеспечения предварительного герметичного соединения ферроникелевого сердечника с медной оболочкой и герметичного вывода заготовки «фени - медь» из рабочей вакуумной камеры. Как и в случае второго узла, в качестве вакуумного уплотнения выбраны стандартные твердосплавные волоки. Однако в данном случае вывод цилиндрической заготовки из вакуумной камеры совмещен с процессом её деформирования, т.е. фактически имеет место традиционный процесс волочения биметаллической заготовки. Поэтому рассматриваемый узел можно выполнить в виде 1-2 блоков волок.
Последний узел предназначен для создания и поддержания вакуума во всех вакуумных камерах и представляет собой систему вакуумных камер с системой трубопроводов, насосов, запорно-регулирующей аппаратурой и др.
Функциональная схема работы и объектно-ориентированная модель модуля предварительного соединения составляющих послужили основой для научного конструирования отдельных элементов модуля, а тскже для разработки и исследования математических моделей входного устройства для ферроникелевого сердечника и выходного устройства для биметаллической проволоки. В'качесгве примера на рис. 5 представлен узел вывода биметаллической заготовки из высоковакуумной рабочей камеры.
При разработке технологии и проектировании агрегатов линии для производства биметаллической проволоки «фени - медь» использованы
соответствующие формулы для сплошных круглых профилей со следующими коррективами (для сердечника принят индекс «сд», для оболочки «об», для биметаллической проволоки - «бм»).
Узел вывода биметаллической заготовки 3
Рис.5
1)В качестве сопротивления деформации as биметаллической проволоки принято средневзвешенное значение, определяемое по формуле:
Д-п ' О" .с
сг, = -
' S.CD "* "-ОВ ' &S.OB
где Асд и Аоб - площади поперечного сечения; cs.ca и os.ob - средние в пределах очага деформации сопротивления деформации сердечника и оболочки.
2) Коэффициент трения f выбран, исходя из условий трения металла
наружного слоя биметаллической проволоки в канале волок; в данном случае, для
медной оболочки и твердосплавной волоки принято f=0,06.
3) Вытяжки сердечника цсд и оболочки цоб одинаковы и равны вытяжке
биметаллической проволоки ц, т.е.
М = Мсо:=Мс
^K.f
или М-
к.ов/
D1 -d1
где Ан,бм и Ацбм - начальная (индекс «н») и конечная («к») площади проволоки; Dh,ob, Dk,ob, <ін,сд и (ік,сд - начальные (до входа в волоку) и конечные (после выхода из волоки) диаметры медной оболочки и ферроникелевого сердечника.
4) Угол конусности а волочильного канала для всех волок принят постоянным в соответствии с основными размерами заготовок твердосплавных волок по ГОСТ 9453-75; для рассматриваемого диапазона диаметров проволоки выбрана заготовка волоки №13, для которой 2а = 12.
4) Длина Lkwi калибрующей зоны волочильного канала определяется из соотношения і-кал = 0,5-Окал, где Diwi- диаметр калибрующей зоны волоки.
Учитывая, что угол конусности а = 6 и коэффициент трения f=0,06 имеют малые значения, то для определения напряжения волочения okj на выходе из /ой волоки можно применить упрощенную формулу И.Л.Перлина
' KJ
\Щ
Я.і J
K.lJ
Щ
где pj - отношение коэффициента трения f к тангенсу приведенного угла апр волочильного канала. Среднее значение сопротивления деформации asj биметаллической проволоки в пределах очага деформации j-ой волоки определяется как среднее геометрическое условных пределов текучести проволоки
на входе огні и выходе cmq этой волоки (рис. 6):
Используя подход Э.АХарбера, напряжение противонзтяжсния принимали равным стн.) = Kj-1-cn-Hj, где К$.\ = 0...0,4 - коэффициент, определяющий долю cjhj от условного предела текучести ctthj проволоки на входе в j-ую волоку. Величину от каждой из составляющих биметаллической проволоки вычисляли по формуле А.В.Третьякова: от = (от)о + B(es)c.
Для имитационного моделирования процесса волочения проволоки составлены два уравнения
2-А
2 А
Кх-ат
1 +
А,,
+ К„-о--п
г-h
^2'"nr.J ~aS3'
V Рг) {D„.J
+ Kran
Полученная система уравнений содержат две неизвестных величины -диаметры проволоки на выходе из первой Dki и второй Dk2 волок, которые зависят от соответствующих противонатяжений проволоки на участках между волоками. Решение осуществляли численным методом, определяя последовательно значения диаметров (Dki, Die) при заданных уровнях противонатяжения на участках после первой (Кі) и второй (Кг) волоки.
Расчетная схема узла вывода биметаллической заготовки
к "
—
Рис.6
Расчеты проводили в два этапа. На первом определяли рациональное количество волок, для чего принимали равномерное распределение вытяжек по проходам. Результаты математического моделирования, проведенные для семи
вариантов конструктивного исполнения узла вывода биметаллической проволоки представлены на рис. 7. Видно, что максимальное усилие волочения возрастает почти в 2 раза при увеличении количества волок с 1 до 7 - с 6079 Н до 11160 Н; при этом имеет место значительное (почти в 3 раза) снижение усилия, действующего на волоку - с 6079 Н до 2219 Н.
Зависимости максимального усилия (1) и усилия (2), действующего на волоку, от числа волок N
Рис.7
Поскольку увеличение количества волок более трех не приводит к существенному снижению усилий, приходящихся на волоки, но значительно усложняет конструкцию узла вывода, поэтому наиболее целесообразно выполнение волочильного блока в Еидо трех последовательно расположенных солок. При равномерном распределении вытяжек по проходам имеет место значительная разница в усилиях, действующих на волоки. Так, на первую волоку действует усилие 3270 Н, а на третью - 2286 Н, т.е. первая волока нагружена в 1,43 раза больше третьей. Это приводит к неравномерному износу волок и различным срокам их замены.
На втором этапе вычислений проведена оптимизация распределения вытяжек по проходам из условия равенства усилий, действующих на каждую из трех волок. Показано, что для выполнения этого условия значения вытяжек в волоках должны возрастать по ходу процесса волочения. Установлены следующие
оптимальные значения суммарных вытяжек по проходам - 3, 8 и 16%. При этом усилия, действующие на волоки практически одинаковы и равны 2600...2900 Н; вычисленные контактные напряжения не превышают допустимых значений из услоия износостойкости твердосплавных волок.
Таким, образом, применение имитационной модели дало возможность из множества вариантов конструктивного исполнения волочильного блока отобрать наиболее перспективный (с тремя волоками), который был принят при проектировании узла вывода платинитовой проволоки из рабочей вакуумной камеры. На основе результатов математического моделирования и научного конструирования на предприятии ОКБ «Луч» был спроектирован и изготовлен модуль деформирования и сварки, применение которого позволило реализовать разработанную технологию производства платинитовой проволоки
Образцы биметаллической заготовки "медь - ферроникель", полученные на созданной технологической линии, показали более высокую (на 30...50%) прочность на срез, при металлографическом анализе зоны контакта дефектов не обнаружено. Готовая биметаллическая проволока испытана при опробовании на вакуумную плотность в изделиях электронной техники у потребителей. Брак по газности и натеканию снизился с 0,5% до 0,18%, что улучшило качество электронных приборов и в том числе их долговечность.