Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ основных направлений интенсификации процесса волочения труб
1.1. Анализ процессов волочения труб 7
1.2. Особенности волочения труб с ультразвуком 17
1.3. Влияние технологической смазки на процесс справочного волочения труб 33
Выводы и постановка задачи исследования 37
2. Теоретическое исследование процессов волочения капиллярных труб
2.1. Определение усилия безоправочного волочения труб с ультразвуком 38
2.2. Определение усилия волочения труб на подвижной оправке с наложением ультразвуковых колебаний 44
2.3. Определение силовых параметров процесса волочения труб на самоустанавливающейся оправке с ультразвуком 48
2.4. Теоретическое исследование процесса волочения труб на сферической оправке с подпором 52
2.5. Определение утонения стенки при волочении на сферической справке с подпором 57
2.6. Расчет полученных зависимостей на ЭВМ 58
Выводы по разделу 2 65
3. Методика проведения экспериментальных исследований
3.1. Методика проведения экспериментальных исследований волочения труб с наложением ультразвуковых колебаний 66
3.2. Методика экспериментальных исследований при волочении труб на самоустанавливающейся оправке 71
3.2.1. Методика определения геометрических параметров самоустанавливающейся оправки 71
3.2.2. Методика нанесения технологических смазок и под смазочных покрытий 74
3.3. Методика исследования процесса волочения труб на самоустанавливающейся оправке с подпором
Выводы по разделу 3. 84
4. Экспериментальное исследование процесса волочения капиллярных труб из нержавеющей стали
4.1. Исследование влияния ультразвуковых колебаний на силовые параметры процесса волочения труб 85
4.2. Исследование влияния геометрических параметров самоустанавливающихся оправок на стабильность процесса волочения 89
4.3. Исследование влияния смазок на процесс волочения 93
4.4. Экспериментальное исследование процесса волочения труб на самоустанавливающейся оправке с подпором, создаваемым волокой 97
Выводы по разделу 4 101
5. Промышленное опробование процесса волочения труб на сферической оправке с подпором
5.1. Разработка и исследование опытно промышленной роликовой установки для волочения труб на сферической оправке с подпором
5.2. Пути интенсификации процесса волочения капиллярных труб из нержавеющей стали 116
5.3. Рекомендации по промышленному использованию разработанного устройства для волочения труб на самоустанавливающейся оправке 120
Выводы по разделу 5 122
Общие выводы 124
Литература 127
- Влияние технологической смазки на процесс справочного волочения труб
- Определение усилия волочения труб на подвижной оправке с наложением ультразвуковых колебаний
- Методика исследования процесса волочения труб на самоустанавливающейся оправке с подпором
- Исследование влияния геометрических параметров самоустанавливающихся оправок на стабильность процесса волочения
Введение к работе
Интенсификация технологических процессов и повышение качества продукции являются одними из важнейших задач текущей пятилетки в металлобоработке. В решениях ХХУІ съезда КПСС отмечалась необходимость ускорения научно-технического прогресса и перевода экономики на интенсивный путь развития.
В настоящее время важное народнохозяйственное значение имеет производство капиллярных труб из нержавеющей стали,которые находят применение в авиации, машиностроении и особенно в медицинской промышленности для производства инъекционных игл. Чтобы перейти на выпуск инъекционных шприцев одноразового пользования требуется обеспечить ежегодный выпуск около 4 миллиардов игольных заготовок.
Одним из путей решения поставленной задачи является использование мощных ультразвуковых колебаний, что позволит снизить усилие волочения, увеличить единичные обжатия и производитель-ность существующего оборудования, улучшить качество поверхности и точность готовых изделий.
Для разработки технологических процессов волочения труб с наложением ультразвуковых колебаний необходимо определение силовых и деформационных параметров. В настоящее время имеются аналитические зависимости для расчета процесса волочения с ультразвуковыми колебаниями для сплошных и полых тел, изложенные в работах советских ученых Северденко В.П.,Сте паненко А.В.,Клубовича В.В.,0садчего В.Я.,Голенкова В.А.,Пе-тухова В.И., Фотова А.А.,Алешина В.А.,Белоусова Г.А. Однако данные зависимости для волочения труб на подвижной и самоустанавливающихся оправках имеют громоздкий для инженерных
- 5 расчетов вид и не учитывают такой фактор, как скорость волочения. Поэтому важной задачей является разработка научно обоснованной методики определения силовых параметров ультразвукового волочения труб, а так же разработка ультразвукового технологического узла к волочильному стану.
Интенсификация процесса волочения капиллярных труб из нержавеющей стали возможна за счет использования самоустанавливающейся оправки. В настоящее время основу технологии производства таких труб составляет волочение на подвижной оправке. Как показывает опыт производства капиллярных труб из меди и её сплавов, а такиетруды советских ученых Орро П.И., Перлина И.Л., Уральского В.И.,Шапиро В.Я.,Виска И.Б. ,Швейки-на В.В. применение самоустанавливающихся оправок в конечном итоге позволит перейти на бухтовое волочение, что значител»» но повысит производительность процесса.
Важными задачами интенсификации процесса волочения капиллярных труб из нержавеющей стали, решаемыми в данной работе являются:
- получение уточненных теоретических зависимостей для волочения труб в ультразвуковом поле без оправки, на подвижной и на самоустанавливающейся оправках; разработка методики расчета на ЭВМ силовых и деформационных параметров процессов волочения на основе полученных зависимостей;
- разработка , изготовление и промышленное опробывание ультразвукового узла к волочильному стану;
- определение оптимальной формы и геометрических параметров самоустанавливающихся оправок с целью выбора рациональных условий перехода от волочения на подвижной оправке к волочению на самоустанавливающейся оправке;
- разработка способа волочения капиллярных труб на само устанавливающейся оправке, технологического узла и определение условий, при которых осуществляется стабильный процесс волочения капиллярных труб из нержавеющей стали.
Решение вышеперечисленных вопросов позволило опробовать технологию волочения труб с наложением ультразвуковых колебаний в условиях медико-инструментального завода им.В.И.Ленина, г.Ворсма, а также осуществить волочение капиллярных труб из нержавеющей стали на самоустанавливающейся сферической оправке с подпором, создаваемым при раздаче трубы.
Влияние технологической смазки на процесс справочного волочения труб
Большую роль в повышении эффективности волочения труб на самоустанавливающейся оправке и безоправочного волочения играют контактное трение и выбор смазки. Физическая модель действия смазки, необходимые физические и химические свойства смазочных веществ рассмотрены Е.И. Иса-ченковым в работе [96] .
Работы [54, 97, 98, 89] посвящены технологическим смазкам для волочения труб на самоустанавливающихся оправках и, в первую очередь для бухтового волочения, а так же для капиллярных труб и труб малых размеров из меди, алюминия и их сплавов. В этом случае применяются жидкие смазки: растительные и минеральные масла, олеиновая кислота, смеси предельных жирных кислот, водные эмульсии различных составов.
Для алюминиевых труб хорошо зарекомендовали себя композиции смазок, включающие поверхностно - активные вещества и легкие минеральные масла с различными загустителями [97] . В работе [98]рассмотрены смазки для бухтового волочения медных труб. По результатам исследований установлено, что разница напряжений волочения при испытаниях сравниваемых смазок не превышает 12 %.
В работе [99] сделан вывод о том, что одним из путей повышения гидродинамического эффекта для жидкой смазки является добавка в нее мыльного порошка, вызывающая увеличение вязкости. Что касается труб из нержавеющей стали, то отмечается [59], что волочение на самоустанавливающихся и подвижных оправках. не нашло промышленного применения в связи с отсутствием смазок и подсмазочных слоев, препятствующих налипанию металла на волоку.
В СССР и за рубежом нашло применение безоправочное волочение нержавеющей стали с использованием оксалатного покрытия и мыльной смазки [68,П6]. Оксалатное покрытие - солевая пленка, которая образуется в результате обработки металла в растворах, содержащих щавелевую кислоту, железо / гб , гб /9 окислитель и активатор. В работе [100] подробно рассмотрены: подготовка трубы перед окоалатированием, состав ванны; проана лизировано время нанесения оксалатного покрытия и последующей сушки. Кроме оксалатного возможно применение фосфатного подсмазочного слоя.
В работе [101]для волочения труб из нержавеющей стали рассмотрено применение жидких смазок. Наряду с использованием известного в промышленности хлорированного парафина /хлорпа-рафина/ рекомендованы консистентные смазки, из сложных эфи-ров, загущенных мылами. Сложные эфиры, используемые для получения смазок, - пластификаторы в производстве пластмасс.
Из импортных жидких смазок хорошо зарекомендовала себя смазка "Лубринокс 500", используемая при волочении капиллярных труб из нержавеющих марок стали на подвижной оправке на станах ЕК2 в условиях медико-инструментальных заводов г.Ворсмы и г.Тюмени.
Интересен опыт УПИ и ПНТЗ [59,77]по разработке технологии нанесения металлических покрытий из солевых расплавов на нержавеющую сталь ХІ8Н9Т. Трубы с металлическими покрытиями фос-фатировали, наносили мыльную смазку окунанием на 5-Ю минут в б %-ный водный раствор хозяйственного мыла, сушили и осуществляли волочение на неподвижной оправке. Применение металлических покрытий позволило осуществить многократное волочение. Хорошие результаты получены также нанесением металлических покрытий при волочении титановых труб [102] .
Из путей интенсификации волочения на жидких смазках следует отметить использование ультразвука при волочении труб из стали І2ХІ8НІ0Т на хлорпарафине 600 с добавлением мыльной стружки [27, 28] .
Кроме рассмотренных выше смазок при волочении титановых труб применяется смазка на основе ЭЛПВ, представляющая водный раствор графита с жидким стеклом, которую наносят на поверхность трубы и высушивают [69]. Аналогичные смазки не нашли пока применение при волочении других труднодеформируе-мых металлов и сплавов.
Подготовка к волочению труб из нержавеющей стали обычно включает следующие операции [59,67,68,110] : отжиг и осветление, нанесение металлических покрытий /в случае их применения/, оксалатирование или фосфатирование, нанесение смазки. Наличие и трудоемкость таких операций вызывает затруднения в применении подсмазочных покрытий, что особенно существенно для капиллярных труб ввиду малости их внутреннего диаметра. Выводы и постановка задачи исследования. Одним из путей интенсификации процесса волочения капиллярных труб из нержавеющей стали является наложение на зону деформации ультразвуковых колебаний.
Для расчета маршрутов волочения и нахождения технологических параметров ультразвукового узла к волочильному стану требуется определение усилия волочения с УЗК.
Однако нет хорошо разработанной методики определения усилия волочения труб с ультразвуком, особенно на подвижной и самоустанавливающихся оправках, пригодной для непосредственных технологических расчетов и учитывающей изменение скоростных, деформационных и ультразвуковых параметров процесса.
Определение усилия волочения труб на подвижной оправке с наложением ультразвуковых колебаний
В настоящее время известны зависимости для аналитического определения усилия волочения на подвижной оправе с ультразвуком [51, НО]. Однако они получены без учета деформации металла в зоне свободной осадки трубы и не отражают изменение усилия от скорости волочения. Разобьём очаг деформации на три участка: осадки, утонения стенки и калибровки (рис. 10). Для зоны осадки трубы напряжение определяется по формуле (2.5), предложенной ранее. Для зоны утонения стенки зфавнение равновесия для выделенного бесконечно малого элемента запишем в следующем виде: Используя те же методы и приёмы, как при безоправочном волочении, определим напряжение б» : Представив полученное выражение в уравнение равновесия (2.12) и производя математические преобразования с учетом допущения - —-ir- , принятого в работах [47,55] , получим следующее уравнение: Усилие волочения на подвижной оправке с ультразвуком определим, подставив выражение (2.17) в зависимость (2.II). Разобьём очаг деформации условно на три зоны: волочения на коническом участке, утонения стенки и калибровки (рис.II).
Внутренний диаметр трубы в начале соприкосновения с кону сом оправки определяем из условия равновесия самоустанавливаю щейся оправки [54]: пределы прочности цилиндрической и конической части деформируемой трубы. Выделим бесконечно малый элемент трубы для первой зоны и составим для него уравнение равновесия: Выполнив преобразования и учитывая, что стенка трубы изменяется незначительно, т.е. Выше было рассмотрено определение усилия волбчения труб с ультразвуком на самоустанавливающейся оправке традиционной цлиндро-конической формы. Затягивание оправки в зону деформации осуществлялось цилиндрической частью оправки, а выталкивание конической. Имеются формы самоустанавливающихся оправок, равновесие которых в зоне деформации осуществляется без цилиндрической части.
В главе 4 рассматриваются экспериментальные данные, полученные для волочения труб на оправке сферической формы с подпором, создаваемым раздачей трубы. Определение усилия волочения для этого случая деформации представляет значительный интерес. Условно разделим очаг деформации для данного способа волочения на три зоны (рис. 12): раздачи трубы, утонение стенки и безоправочного волочения. Для зоны раздачи трубы оправкой и создания подпора напряжение найдем как для раздачи с растяжением [8б] : Подставив в полученную зависимость (2 30) величины напряжений бподп (2,25) и 6 " (2.29), определим значение напряжения волочения трубы на сферической оправке с подпором. Деформирующее усилие при волочении на сферической оправке в общем виде определяется как интеграл от нормалнных напряжений к контактной поверхности по всей площади контактной поверхности на плоскость, перпендикулярную движению инструмента: Предполагая, что деформация стенки осуществляется только за счет усилия подпора, действующего на оправку при раздаче трубы (рис. 12), запишем
Методика исследования процесса волочения труб на самоустанавливающейся оправке с подпором
Кроме самоустанавливающихся оправок, рассмотренных выше, была опробована оправка сферической формы для волочения труб с подпором, создаваемым раздачей трубы.
По сравнению с традиционной формой оправок, имеющих цилиндрическую рабочую часть (рис.23), сферические оправки менее чувствительны к перекосам, возникающим при несовпадении осей волочения трубы и волоки, что особенно важно для волочения труб. Кроме того, массовый характер производства оправок, выпускаемых шарикоподшипниковой промышленностью, делает их более качественными и дешевыми. В качестве сферической оправки применялись шарики подшипников качения. Контроль оправки осуществляли замером диаметра с помощью микрометра, разброс при этом не превышал 0,01 мм. Твердость и качество поверхности шариков не определялись.
Утонение стенки трубы при волочении происходит за счет создания подпора и вдавливания оправки в зоне деформации в стенку трубы. Подпор сферической оправки осуществлялся двумя способами: с помощью дополнительной операции волочения и специальным роликовым устройством (рис.24).
Создание подпора предварительным волочением (рис.24а) происходило в следующей последовательности: осуществляли подготовку трубы I к волочению - на внутреннюю поверхность трубы наносили смазку , помещали оправку 2 и производили заковку концов :: трубы в цеховых условиях на ротационно-ковочной машине.
После этого трубу протягивали через волоку 3 с величиной обжатия,необходимой для создания подпора,до тех пор,пока оправ ка внутри трубы не занимала крайнее положение (рис.24а). Затем захватку на трубе отпиливали и производили волочение через рабочую волоку 4 в противоположном направлении (рис.24 б). Сферическая оправка в процессе волочения устанавливалась в зоне деформации за счет усилия,возникающего при раздаче трубы. Величину подпора при волочении регулировали изменением обжатия в волоке 3.
Создание подпора с помощью приводного роликового устройства осуществлялось следующим образом (рис.24 в): ролики 5, установленные в специальном узле волочильного стана, разводили в вертикальном направлении, в образовавшийся зазор вставля ли трубу I, подготовленную к волочению и захватывали её кареткой . волочильного стана. Затем ролики 5 сводили до необходимой величины, одновременно с пуском стана включали привод на ролики и осуществляли протяжку трубы через волоку 4.
Подготовку труб к волочению осуществляли следующим образом: с помощью шприца внутрь вводили жидкую смазку Лубринокс 500, помещали оправку и заковывали конец трубы. Для реализации способа волочения труб на самоустанавливающейся сферической оправке с подпором, создаваемым при помощи приводных роликов, был спроектирован и изготовлен к промышленному стану специальный роликовый узел.
Узел состоял из электродвигателя, привода на ролики и механизма сведения роликов. Линейная скорость вращения роликов составляла 6 м/мин. При несоответствии скоростей волочения и роликов осуществляли регулировку скорости волочения специальным клиноременным вариантом, расположенным в приводе стана. Был изготовлен и опробован узел с холостыми роликами (рис.25). Подготовка и последовательность операций при волочении на сферической оправке для него была такой же, как и для узла с приводом на ролики.
Экспериментальные исследования процесса волочения на сферической оправке с подпором проводили в следующей последовательности. Брали образцы труб и замеряли наружний диаметр и толщину стенки до волочения и после по методике, изложенной ранее.
Величину подпора увеличивали от нудевого до максимального, при котором возникал обрыв.
Для этого расшлифовывали волоку 3 (рис.24а) или с помощью механизма сведения роликов изменяли зазор между роликами 5 (рис.24в). Значение коэффициента вытяжки/Up в роликовом узле определяли как отношение площади поперечного сечения трубы до деформации к площади поперечного сечения трубы после деформации в роликах [90,93,94] . Для этого вырезали соответствующие образцы труб и с помощью микроскопа ЯШ-2І строили их поперечный разрез на миллиметровой бумаге при двадцатикратном увеличении. Усилие волочения замеряли по методике, изложенной ранее.
В процессе испытания роликового устройства использовали два способа калибровки роликов: овальную и квадратную. Для обработки калибров, образованных парой роликов изготовили фасонные резцы с различными радиусами округлений (рис.26), а так же резцы с прямым углом. Геометрические размеры овальной калибровки роликов (рис.26) выбирали, исходя из рекомендаций, изложенных в работах, посвященных прокатке труб [91,92,93,94] .
Контроль точности изготовления фасонных резцов осуществляли на микроскопе ЭДШ-21. Из предложенных калибров выбирали тот, который давал меньшее искажение формы поперечного сечения трубы при больших обжатиях в калибре. Для математической обработки результатов экспериментальных исследований использовали методику,предложенную авторами [109].
Исследование влияния геометрических параметров самоустанавливающихся оправок на стабильность процесса волочения
В настоящее время капиллярные трубы из нержавеющей стали, предназначенные для производства инъекционных игл и других изделий с высокими требованиями к их внутренней поверхности, изготавливают волочением на подвижной оправке. Волочение на неподвижной и самоустанавливающейся оправках не нашло промышленного применения из-за налипания металла ни волоку и оправку [58]. Самоустанавливающиеся оправки используются только для волочения толстостенных капиллярных труб из меди и ее сплавов с отношением диаметра к толщине стенки 5 [62, 63, 64].
Для исследования возможности волочения капиллярных труб из нержавеющей стали на самоустанавливающейся оправке была выбрана оправка с рабочей частью в виде цилиндра, а выталкивающей в виде конуса. Рациональная форма такой оправки определяется условиями: 1. Угол конусности оправки, длина цилиндрической части должны иметь соотношение и размеры, обеспечивающие ее динамическое равновесие в очаге деформации» 2. Разность углов конусности оправки и волоки не должна препятствовать плавному редуцированию трубы во входном конусе волоки и последующему утонению стенки, Используя рекомендации и практические результаты, опубликованные для волочения капиллярных труб из цветных металлов [53, 60, 61, 62] , процесс волочения капиллярных труб из нержавеющей стали осуществляли таким образом, чтобы разность углов оправки и волоки составляла от 0 до 6, длина рабочей части оправки колебалась от 0,5 до 2 длин калибрующего канала волоки. Волочение на жидкой смазке Лубринокс 500, используемой для подвижной, оправки, дало отрицательный результат: происходил обрыв трубы либо на оправке, либо после выхода металла из волоки. Дальнейшие экспериментальные исследования позволили осуществить волочение капиллярных труб из нержавеющей стали на самоустанавливающейся оправке с использованием оксалатного и фосфатного покрытий (табл. I). Наибольшее утонение стенки трубы 0,025 мм ( —— = 0,05) удалось получить при волочении с сум t/t марной вытяжкой /Uc =1,49 для волоки с углом 18и40 и оправки с отношением диаметра бочки к диаметру цилиндрической части 1,20 при разности углов волоки и оправки 3. Диапазон устойчивого процесса волочения труб значительно расширяется при использовании твердого смазочного покрытия на основе графита. При разности углов волоки и оправки от 040 до 525 и отно шении —jj— от 1,13 до 1,29 утонение стенки трубы составило от 0,01 мм (-4 0,02) до 0,08 мм ( 4 - = 0,15). В зависимости от вытяжки по диаметру наибольшее утонение стенки получено приу = 1,51, наименьшее при/4= 1,45,
Оптимальными геометрическими параметрами инструмента, полученными для волочения капиллярных труб из нержавеющей стали, являются: волока с углом 2040 и оправка с отношением диаметра бочки к диаметру цилиндрической части 1,23 и разностью углов конической части и волоки 040... 132. Кроме оправок цилиндро-конической формы устойчивый процесс волочения осуществляется на оправках со сфкрической формой перехода от бочки к цилиндрической части. Однако при волочении на этих оправках происходило постепенное скапливание смазки и выталкивание их из зоны деформации. Поэтому оправки такой формы необходимо изготавливать с удлиненной цилиндрической частью, равной 1,2... 2,0 с к , где к - длина калибрующей части волоки. 4.3. Исследование влияния смазок на процесс волочения. На стабильность процесса волочения капиллярных труб на самоустанавливающейся оправке кроме геометрических параметров инструмента влияют условия трения и способность металла к упрочнению. Результаты экспериментов по волочению с жидкой смазкой Луб-ринокс 500 указывают на то, что предложенная смазка не обладает достаточной экранирующей способностью для разделения контактирующих поверхностей инструмента и протягиваемой трубы. Применение машинных масел и добавка в них мыльного порошка хорошо зарекомендовавшая себя при волочении латунных и медных труб, не дала желаемого результата.
Использование смазки на основе хлорпарафина также не позволило создать условий, при которых был бы возможен устойчивый процесс волочения. Поэтому работа по определению оптимальных смазочных веществ впроводилась в двух направлениях: поиск твердого смазочного покрытия и поиск оптимального подсмазочного покрытия. Для волочения на оправках цилиндро-конической формы и со сферическим переходом от бочки к цилиндрической части хорошие результаты дало применение смазочного покрытия на основе графита (табл. 2). Недостатком графитового покрытия является необходимость удаления травлением его остатков после волочения; так как по данным работы [100] наличие углеродосодержащих продуктов после холодной деформации вызывает у нержавеющей стали науглероживание поверхности при последующей термообработке с появлением склонности к межкристаллитной коррозии.
