Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор влияния технологических факторов и состояния контактирующих поверхностей на качество проволоки с покрытием 7
1.1. Назначение и области применения проволоки с покрытием 7
1.2. Анализ технологий волочения проволоки с покрытием 9
1.3. Эффективность влияния технологических факторов на качество проволоки с покрытием
1.4. Влияние состояния контактных поверхностей на качество проволоки с покрытием 21
1.5. Состояние вопроса по обеспечению качественного сцепления слоев ..24
1.6. Анализ математических моделей процесса волочения проволоки с покрытием 26
1.7. Постановка цели и задач исследований 28
2. Моделирование процесса волочения проволоки с покрытием 30
2.1. Прогнозирование шероховатости поверхности покрытия в процессе волочения 30
2.2. Математическое описание процесса волочения без обратного течения металла покрытия
2.3. Алгоритм расчета минимальной толщины, гарантирующей сплошность, и расхода металла покрытия 64
2.4. Разработка аналитического метода оценки повреждаемости покрытия при волочении
2.5. Оценка прочности сцепления покрытия проволоки с сердечником 82
2.6. Выводы по главе 90
3. Экспериментальные исследования факторов, влияющих на качество проволоки с покрытием 93
3.1. Методика и оборудование для проведения исследований 93
3.2. Исследование шероховатости поверхностей сердечника и покрытия при волочении 96
3.2.1. Исследование зависимости шероховатости поверхности сердечника при волочении от вида подготовки поверхности 96
3.2.2. Исследование зависимости шероховатости поверхности покрытия при волочении от вида смазочного материала 99
3.3. Исследование факторов, влияющих на появление обратного течения металла покрытия 104
3.4. Исследование влияния вида подготовки поверхности сердечника на прочность его сцепления с покрытием 110
3.5. Выводы по главе ...112
4. Совершенствование технологии волочения проволоки с покрытием 114
4.1. Совершенствование технологии волочения сталемедной проволоки для проводов 114
4.2. Совершенствование технологии волочения стальной латунированной проволоки для металлокорда 116
4.3. Совершенствование технологии волочения сварочной омедненной проволоки 121
4.4. Выводы по главе 123
Заключение 125
Список литературы 127
Приложения 145
- Анализ технологий волочения проволоки с покрытием
- Математическое описание процесса волочения без обратного течения металла покрытия
- Исследование шероховатости поверхностей сердечника и покрытия при волочении
- Совершенствование технологии волочения стальной латунированной проволоки для металлокорда
Введение к работе
Актуальность темы.
Современное развитие различных отраслей промышленности требует повышение качества и экономии металлов при производстве проволоки с покрытием. Несмотря на накопленный большой опыт в этой области имеются случаи брака по несплошности покрытия, его отслаивания и перерасхода металла.
В данной работе рассматривается влияние видов подготовки контактирующих поверхностей, микрогеометрии и условий волочения на толщину и сплошность покрытия, его расход и сцепление слоев. Это позволит выработать рекомендации по совершенствованию технологического процесса волочения проволоки с покрытием.
Целью работы является совершенствование технологии волочения проволоки с покрытием, гарантирующей сплошность и экономию металла покрытия, а также сцепление слоев.
Научная новизна диссертации состоит в дополнении теории волочения биметаллических изделий математическими моделями и решениями, позволяющими:
теоретически обосновать закономерности и получить зависимости по изменению шероховатости поверхностей сердечника и покрытия при волочении;
рассчитать максимальную исходную толщину покрытия на заготовке без появления обратного течения металла покрытия и минимальную толщину покрытия, гарантирующую сплошность, с учетом шероховатости и вида подготовки поверхностей сердечника и волоки;
разработать аналитический метод оценки повреждаемости поверхности проволоки с покрытием в зависимости от условий волочения;
оценить прочность сцепления покрытия с сердечником в зависимости от вида предварительной подготовки поверхности сердечника, геометрии волочильного канала, режимов волочения и условий трения в очаге деформации.
Практическая ценность диссертации состоит в разработке:
методики прогнозирования шероховатости поверхностей сердечника и покрытия при волочении в зависимости от вида предварительной подготовки их поверхностей, геометрии очага деформации и свойств материала;
алгоритма расчета минимальной и максимальной исходной толщины покрытия, обеспечивающей его сплошность и предотвращающей потери металла покрытия с учетом способов подготовки поверхностей сердечника и волоки;
РОС НАЦИОНАЛЬНА і
БИБЛИОТЕКА 1
3 «__«3SSLl
- методики оценки повреждаемости поверхности покрытия и прочности
сцепления с сердечником;
- рекомендаций по совершенствованию технологии волочения проволоки
с покрытием.
Реализация результатов работы. Приняты рекомендации по величине допускаемого диапазона толщины покрытия, изменению геометрии волочильного канала, скорости волочения и вида подготовки контактирующих поверхностей, гарантирующие получение качественных и экономичных показателей при производстве сталемедной проволоки на участке биметалла предприятия ООО "СММ-Профит".
Полученные результаты используются в учебном процессе при чтении лекций по дисциплинам "Основы теории пластичности", "Основы теории разрушения" и "Основы трибологии".
На защиту выносятся: 1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований параметров шероховатости поверхностей сердечника и покрытия, минимальной толщины покрытия, гарантирующей сплошность при волочении, условия возникновения обратного течения металла покрытия при входе в волоку, повреждаемости покрытия' и прочности сцепления с сердечником с учетом вида подготовки поверхностей сердечника и волоки.
2. Рекомендации по совершенствованию технологии волочения проволоки с покрытием.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на научно-технических конференциях: Международных (Магнитогорск 1996 г., 1997 г., Пенза 1997 г., 1998 г., Нижний Новгород 1997 г., Волгоград 1997 г.), Всероссийской (Нижний Новгород - Арзамас 2002 г.) и научно-технических конференциях МГТУ (2001 г., 2002 г., 2003г.), а также на расширенном заседании кафедры технологии машиностроения.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 12 научных статей, докладов и тезисов докладов.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и приложений. Объем работы - 146 страниц машинописного текста, в том числе 48 рисунков, 9 таблиц, 2 приложения. Библиография включает 170 наименований.
Анализ технологий волочения проволоки с покрытием
В данной диссертации рассматриваются технологии волочения ста-лемедной проволоки для проводов, омедненной стальной сварочной проволоки и стальной латунированной проволоки для металлокорда.
Технология изготовления сталемедной проволоки для проводов диаметром 0,25 мм по ТУ 14-4-224-72 на участке биметалла предприятия ООО "СММ-ПРОФИТ" заключается в следующем.
Заготовку для сталемедной проволоки получают оборачиванием медной лентой (медь Ml) толщиной 0,5 мм сердечника из стали св08 диаметром 7 мм. Очистка поверхностей сердечника и ленты, а также их ВЧ-нагрев проводится плазмой несамостоятельного ВЧ-разряда в среде аргона. После заваривания шва на медной ленте полученную заготовку протягивают на станах грубого и тонкого волочения до диаметра 1,5 мм с использованием твердосплавных и алмазных волок. Технологический процесс волочения включает также промежуточные отжиги. Для тонкого волочения применяют станок для мокрого волочения модели UDZWG III /15. Скорость волочения на этом станке составляет 5 м/с. В качестве смазочного материала используют эмульсию, содержащую 1 % натриевого мыла и жира.
При тонком волочении по данной технологии наблюдаются потери меди. Качество поверхностного слоя покрытия на готовой проволоке не всегда удовлетворяет требованиям потребителей.
Технологический процесс изготовления омедненной стальной сварочной проволоки заключается в следующем. Из передельной стальной проволоки марок св08Г2С или св08А диаметром 1,6 мм получают проволоку диаметром 0,8 мм волочением на стане модели UD2SA 5/350 по маршруту: 1,6 - 1,45 — 1,22 -» 0,97 - 0,8. Затем осуществляют травление в растворе серной кислоты, нанесение медного покрытия гальваническим способом и калибровку омедненной проволоки с относительным обжатием 3%.
К омедненной стальной сварочной проволоке предъявляются требования по качеству покрытия: оно должно быть минимальной толщины, гарантирующей сплошность. В связи с тем, что отсутствуют методики расчета минимальной толщины покрытия, его наносят ориентировочно, по получаемому цвету покрытия. В результате имеются случаи брака по несплошности покрытия.
Технология получения стальной латунированной проволоки для ме-таллокорда в условиях ЗАО "Уралкорд" включает следующие операции. 1). Подготовка поверхности катанки из стали 70 диаметром 6,5 мм к волочению: травление в растворе серной кислоты, нанесение подсмазочного покрытия в растворе буры, сушка. 2). Волочение передельной проволоки на станах сухого волочения до диаметра 2,9 мм. 3). Термообработка (патентирование). 4) Травление в растворе серной кислоты и нанесение подсмазочного покрытия в растворе буры. 5) Волочение передельной проволоки на стане сухого волочения до диаметра 1,5 мм. 6) Термообработка (патентирование). 7) Травление и нанесение латунного покрытия гальванотермическим способом путем последовательного электрохимического осаждения слоев меди и цинка с последующей термодиффузионной обработкой при температуре 500-520С. 8) Снятие окисной пленки в растворе фосфорной кислоты. 9) Волочение до диаметра 0,35 мм на станах мокрого волочения с применением эмульсии со скоростью 700 м/мин. Недостатком данной технологии являются большие потери латуни при волочении (до 30%) на обратное течение металла, возникающее при входе в волоку.
Таким образом, анализ технологий волочения проволоки с покрытием показал, что процесс требует совершенствования технологических операций с целью улучшения сплошности покрытия и снижения его расхода на обратное течение при волочении. Для этого был проведен литературный обзор влияния технологических факторов и состояния контактирующих поверхностей на качество проволоки с покрытием.
Математическое описание процесса волочения без обратного течения металла покрытия
В настоящем разделе диссертации решается задача определения начальной толщины покрытия, гарантирующей отсутствие обратного течения металла покрытия при входе в волоку. Решение выполнено на основе работы [126] с учетом шероховатости и вида подготовки поверхностей сердечника и волоки. Задача решена методом тонких сечений с использованием уравнений равновесия и условия пластичности Треска-Сен-Венана. Решение выполнено для формы очага деформации, включающей прямолинейную и криволинейную зоны (рис.2.7) [142]. Приняты следующие допущения: 1) распределение скоростей в покрытии подчиняется параболическому закону; 2) по границе контакта между сердечником и покрытием отсутствует проскальзывание; 3) градиент скорости материальных точек покрытия в зоне, примыкающей к волоке, равен нулю; 4) силы трения на контакте покрытия с воло кой подчиняются закону Зибеля: т = /- тТпі4ь где г- напряжение среза; /- показатель трения (0 / 1); сгТп- текущий предел текучести материала покрытия, определяемый по формуле [143]: аТп = crTo + m In /л , где аТо-начальный предел текучести, m - модуль упрочнения, // - вытяжка.
На рисунке 2.7. показаны следующие зоны деформации: 1 — зона од-нокомпонентной деформации (деформации покрытия), 2 - зона совместной неравномерной деформации (покрытия и сердечника). Поскольку на решение задачи определения начальной толщины покрытия оказывают влияние только эти зоны, зону совместной равномерной деформации не рассматриваем.
Принимая во внимание тот факт, что толщина покрытия несоизмеримо мала по сравнению с размерами сердечника, решаем поставленную задачу в декартовой системе координат с осью х - в направлении длины проволоки и осью у - в направлении радиуса сердечника. Напряжения, действующие в очаге деформации на выделенные элементы покрытия и сердечника Для криволинейной зоны очага деформации, начинающейся в точке х2 = г sin a cos or, с учетом шероховатости волоки (рис. 2.7, зона 2): (2.28) Постоянные интегрирования , /? , у, 5 в уравнениях (2.23 - 2.28) определяются из граничных условий: - осевые напряжения тхп и сгхс при переходе из зоны 1 в зону 2 (в точке х2 =rcos2arsina) неразрывны; - условие пластичности для сердечника в точке С имеет вид: ахе г= а Тс \ - осевое напряжение ахс - О в точке хх.
Таким образом, получены решения для нахождения ахп в любой координате, с учетом параметров шероховатого слоя сердечника и волоки. Это дает возможность установить координаты точки, разделяющей течение материала покрытия на прямое и обратное. Границу раздела можно определить следующим образом. Задавшись значением Лс, найти х]( являющееся началом разделения течения металла покрытия на прямое и обратное при входе в волоку, по формуле (2.23), учитывая, что ахп = 0 в точке хх. Затем рассчитать ht применив формулу (2.21). Для расчета обратного течения необходимо установить положение границы прямого течения, приняв в точке С ахс=сгТс.
В случае идеального сцепления скорость покрытия в контакте с сердечником равна скорости входа сердечника. В зависимости от условий волочения скорость относительного перемещения частиц металла покрытия в контакте с волокой может быть отрицательной (обратное течение) или же положительной (обратного течения нет).
Предполагается, что градиент скорости в контакте с волокой равен нулю (слабое трение), а в точке С скорость и не зависит от координаты у. Таким образом, расход покрытия в направлении у определяется как произведение UhCi где U - скорость течения материала покрытия в направлении оси х.
Проведенные теоретические исследования позволили выявить параметры, влияющие на возникновение обратного течения при входе в очаг деформации. Такими параметрами являются: полуугол волоки а, соотношение пределов текучести сердечника и покрытия (сгТс и тТпХ коэффициент трения /, параметр шероховатости Rz поверхностей сердечника и волоки, вид подготовки поверхностей сердечника и волоки, характеризуемый значением tp „ и радиус зоны скруглення очага деформации г. Данная модель позволяет выделить влияние каждого из названных параметров в отдельности на появление обратного течения (см. рис. 2.10 -2.21).
Из всех параметров, влияющих на условие возникновения обратного течения, наиболее существенным является полуугол волоки а. Большее значение полуугла волоки а требует большей толщины предварительно нанесенного покрытия и создает более благоприятные условия для возникновения обратного течения (рис.2.10).
Исследование шероховатости поверхностей сердечника и покрытия при волочении
В качестве образцов были использованы составные заготовки, полученные оборачиванием медной лентой (медь Ml) толщиной 0,5 мм сердечника из стали СтЗ диаметром 7 мм. Очистку поверхности сердечника одной партии образцов проводили на установке электроплазменной очистки. У другой партии образцов сердечник был в состоянии после травления и сухого волочения. Волочение образцов проводили до диаметра 3,47 мм. После волочения снимали часть покрытия, чтобы исследовать поверхность сердечника (см. рис.3.4). Шероховатость поверхности измеряли на профилографе-профилометре модели 250. Профилограммы представлены на рис.3.5. Профилограммы поверхности образцов диаметром 5,7 мм после волочения с различной подготовкой поверхности сердечника: а — с электроплазменной очисткой; б - после травления и сухого волочения
Изменение шероховатости поверхности прутков при волочении по переходам: 1-е электроплазменной очисткой поверхности сердечника; 2 - после травления поверхности сердечника и сухого волочения.
По результатам проведенного эксперимента можно сделать вывод, что шероховатость закономерно изменяется при волочении и имеет тенденцию к снижению при увеличении количества переходов. Шероховатость поверхности образцов с электроплазменной очисткой поверхности сердечника на 10-60 % выше, чем образцов после травления поверхности сердечника и сухого волочения, в зависимости от переходов при волочении. 3.2.2. Исследование зависимости шероховатости поверхности покрытия при волочении от вида смазочного материала
В качестве образцов были использованы сталемедные прутки диаметром 4,31 мм (материал сердечника - сталь СтЗ, материал покрытия - медь Ml). Волочение проводили до диаметра 1,98 мм со смазочным материалом (эмульсия, индустриальное масло И-40) и без смазочного материала. Шероховатость поверхности измеряли на профилографе-профилометре модели 250 (см. рис.3.7-3.9). Измерения проводили на базовой длине 0,8 мм. Исследованию подвергали участки поверхности образцов длиной 2 мм.
SOT=300MKM) По результатам экспериментов построены графики, отражающие изменение шероховатости по параметру Ra в зависимости от применяемого смазочного материала при волочении (см. рис.3.10 - 3.11). Сравнение экспериментальных и расчетных значений параметра шероховатости поверхности покрытия Ran по переходам показало удовлетворительную сходимость. Проведем статистическую обработку результатов эксперимента.
Результаты статистической обработки эксперимента (см. табл. 3.1) показывают, что среднее квадратическое отклонение во всех экспериментах находится в пределах от 0,0039 до 0,0114, коэффициент вариации по размаху не превышает 11,82 %, коэффициент вариации по среднему квадратическому отклонению - не более 4,23 %.
Полученные результаты показывают, что шероховатость поверхности покрытия при волочении снижается примерно на 40 % . При волочении со смазочным материалом параметр шероховатости Ra имеет меньшие значения, чем при волочении без смазочного материала (на 6-12 % в зависимости от перехода).
Результаты исследования зависимости шероховатости поверхности сердечника при волочении от вида подготовки поверхности показали, что проведение электроплазменной очистки сердечника позволяет получить поверхность с более развитым микрорельефом по сравнению с сердечником в состоянии после травления и сухого волочения.. Шероховатость образцов с электроплазменной очисткой поверхности сердечника на 10-60 % выше, чем образцов без очистки поверхности сердечника, в зависимости от переходов при волочении. Исследование изменения шероховатости поверхности по переходам выявило тенденцию к снижению параметра шероховатости Ra.
Результаты исследования шероховатости поверхности покрытия при волочении сталемедной проволоки с диаметра 4,31 мм до диаметра 1,98 мм показывают снижение параметра шероховатости Ra примерно на 40 % . При волочении со смазочным материалом параметр шероховатости Ra имеет меньшие значения, чем при волочении без смазочного материала (на 6-12 % в зависимости от перехода).
Проведенные эксперименты по исследованию условий появления обратного течения металла покрытия при входе в волоку показали, что наибольшее влияние на это явление оказывает совместное действие двух факторов: полуугла волоки и отношения пределов текучести металлов сердечника и покрытия, а также коэффициент трения. С увеличением этих факторов he уменьшается параметр у=—, что означает увеличение склонности металла hi покрытия к обратному течению при входе в волоку. Полуугол волоки и предел текучести металла сердечника в отдельности оказывают меньшее влияние, но с тем же результатом: увеличение этих факторов увеличивает возможность появления обратного течения.
Увеличение степени деформации в два раза увеличивает нарушение сцепления покрытия с сердечником на 20-40 %. При электроплазменной очистке поверхности сердечника на 15 - 40% меньше нарушений сцепления слоев (в зависимости от обжатия) по сравнению с неочищенной поверхностью сердечника.
Совершенствование технологии волочения стальной латунированной проволоки для металлокорда
Волочение стальной латунированной проволоки для металлокорда сопровождается съемом латуни из-за обратного течения металла покрытия при входе в волоку. Анализ факторов, влияющих на появление обратного течения, проведенный во второй и третьей главах, позволил выдать следующие рекомендации. При работе с существующими материалами (сталь 70 и латунь Л68) необходимо проводить расчеты начальной толщины латунного покрытия по предложенной методике (пример расчета представлен в таблице 4,2) . В данном примере шероховатость поверхности сердечника после травления R2= 3,78 мкм, шероховатость поверхности полированной волоки Rz = 0,08 мкм. Полуугол волоки - а = 6.
Из таблицы видно, что требуется нанести латунное покрытие толщиной 2,02 мкм, чтобы получить толщину покрытия 0,3 мкм на готовой проволоке без обратного течения на всех переходах. Расход латуни, рассчитанный по методике из п.2.3 данной диссертации (при плотности латуни марки Л68, равной 8,6 г/см3), составит 0,085 г на погонный метр проволоки. При работе с изношенными волоками (Rz= 0,8 мкм) при прочих равных условиях начальная толщина покрытия составит также 2,02 мкм, но расход латуни увеличится до 0,097 г/п.м. Это на 14 % больше по сравнению с использованием полированных волок, так как шероховатость получаемой проволоки с покрытием будет больше по параметру /?max. В соответствии с выводами, сделанными в п.2.2, рекомендуется применять волоки с полууглом волочильного канала а = 4 - 6. При использовании волок с полууглом волочильного канала а = 4 начальная толщина покрытия составит 1,62 мкм. Расход латуни -0,071 г/п.м. Это на 16,5 % меньше по сравнению с использованием волок с полууглом волочильного канала а - 6. При использовании волок с полууглом волочильного канала а = 8 начальная толщина покрытия составит 2,61 мкм. Расход латуни — 0,107 г/п.м. Это на 25 % больше по сравнению с использованием волок с полууглом волочильного канала а = 6. При несвоевременной замене эмульсии в ней накапливаются ионы меди и цинка [40] , происходит постепенное расслоение эмульсии с образованием нерастворимых мыл меди и цинка, которые откладываются на стенках волочильной машины, на поверхности волок и латунированной проволоки. Соответственно увеличивается коэффициент трения при волочении. Если для сравнения принять в расчетах коэффициент трения меньше на 0,03 (т.е. для случая волочения со свежеприготовленной эмульсией), то начальная толщина покрытия составит 1,98 мкм. Расход латуни - 0,083 г/п.м. Это на 2,5% меньше, чем при волочении с загрязненной эмульсией. Для совершенствования существующей технологии волочения стальной латунированной проволоки рекомендуется внести в технологическую инструкцию дополнения по обязательной замене эмульсии с периодичностью не более десяти дней или внедрять централизованные системы регенерации эмульсии.
С целью получения исходных данных по начальной толщине покрытия и расходу латуни при совершенствовании технологии волочения стальной латунированной проволоки разработана номограмма (см. рис. 4.1). Правила пользования номограммой следующие: по заранее определенным значениям параметров шероховатости Rz сердечника и волоки (измеренным или рассчитанным для сердечника по формуле (2.11)) и принятому полууглу волоки а определить начальную толщину латунного покрытия, гарантирующую отсутствие обратного течения, и расход латуни.
Работа с номограммой показана на примере, отмеченном стрелками на рис. 4.1. Так, для шероховатости поверхностей сердечника (подготовленного к нанесению покрытия травлением) R2 = 3,78 мкм и тщательно полированной волоки Rz =0,08 мкм с полууглом а = 6 начальная толщина покрытия равна 2,02 мкм, а расход латуни — 0,085 г/п.м. В этом случае волочение проволоки с покрытием по 18 переходам будет проходить без обратного течения металла покрытия.
Даны рекомендации по совершенствованию технологий волочения сталемеднои, стальной латунированной и стальной омедненной сварочной проволоки. Начальная толщина покрытия, гарантирующая отсутствие обратного течения металла покрытия при входе в волоку, составляет: - для сталемеднои проволоки - 109 мкм (приаг = 4), 137 мкм (при ЙГ = 6) и 180 мкм (при а = 8). Экономия меди по сравнению с существующей технологией (при а = 6) — 16 %. - для стальной латунированной проволоки - 1,62 мкм (приа=4), 2,02 мкм (при а = 6) и 2,61 мкм (при а = 8). Для снижения коэффициента трения рекомендуется уменьшить в составе эмульсии для волочения сталемеднои проволоки содержание натриевого мыла и жира до 0,5 %. Это позволит снизить начальную толщину покрытия до 134 мкм (при а = 6 ) и уменьшить расход меди на 2 %.
Для совершенствования существующей технологии волочения стальной латунированной проволоки рекомендуется внести в технологическую инструкцию дополнения по обязательной замене эмульсии с периодичностью не более десяти дней или внедрять централизованные системы регенерации эмульсии. Это уменьшит расход латуни примерно на 2,5% по сравнению с использованием загрязненной эмульсии.
При проведении тщательной полировки волочильного канала и контроля за состоянием волок возможно снижение расхода меди на 0,3 % и латуни на 14%. Для снижения повреждаемости и увеличения прочности сцепления при волочении сталемедной проволоки рекомендуется: - увеличить скорость волочения в 2 — 3 раза, т.е. проводить волочение со скоростями 10 м/с или 15 м/с. Это позволит снизить повреждаемость на 30 - 40 % и повысить прочность сцепления на 7 - 8 %; - использовать волоки с полууглом а = 8 вместо а = 6. Повреждаемость при этом снизится на 12 %, а прочность сцепления увеличится на 2,5 %. В этом случае расход меди увеличится на 23 %, так как использование волок с полууглом а = 8 требует повышенного расхода меди для предотвращения обратного течения. Поэтому в зависимости от поставленной цели при совершенствовании технологии необходимо выбирать наиболее приемлемый вариант.
