Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 7
1.1. Направления повышения конкурентоспособности проволоки 7
1.2. Анализ способа волочения круглой проволоки в монолитной волоке 10
1.2.1. Напряжённо-деформированное состояние металла при волочении 10
1.2.2. Неравномерность деформации при волочении в монолитной волоке 12
1.2.3. Анализ действующих методик расчёта маршрутов волочения 15
1.3. Совершенствование процесса волочения круглой проволоки 18
1.3.1. Роликовое волочение 18
1.3.2. Волочение в разрезной волоке 19
1.3.3. Особенности и области применения радиально-сдвиговой деформации 21
1.4. Цель и задачи исследования 23
Глава 2. Разработка методики расчёта маршрутов волочения проволоки с учётом оценки неравномерности деформации 25
2.1. Возможные схемы деформации при волочении в коническом очаге и их модельное представление 25
2.2. Разработка количественного показателя оценки степени неравномерности деформации 27
2.3. Влияние угла волоки и единичного обжатия на степень проработки проволоки по сечению 34
2.4. Оценка силовых условий волочения проволоки в монолитной волоке с равномерной деформацией 37
2.5. Оценка неравномерности деформации по сечению проволоки при волочении в роликовой волоке 43
2.6. Разработка методики расчёта маршрутов волочения на основе оценки распределения деформации по сечению проволоки в коническом очаге 50
2.7. Выводы по главе 53
Глава 3. Исследование процесса радиально-сдвиговои протяжки проволоки 55
3.1. Экспериментальная установка 55
3.2. Экспериментальное исследование получаемого профиля при радиально-сдвиговой протяжке проволоки 58
3.3. Расчёт величины крутящих моментов, прикладываемых к установке радиально-сдвиговой протяжки для получения круглой проволоки 61
3.4. Контактные условия радиально-сдвиговой протяжки 63
3.5. Расчёт числа оборотов валков и валковой обоймы при радиально-сдвиговой протяжке 66
3.6. Расчёт технологических и энергосиловых параметров радиально-сдвиговой протяжки 67
3.6.1. Расчёт скорости радиально-сдвиговой протяжки 67
3.6.2. Расчёт калибровки валков установки радиально-сдвиговой протяжки 68
3.7. Определение силовых условий, обеспечивающих равномерную по сечению проволоки деформацию, при радиально-сдвиговой протяжке 70
3.8. Экспериментальное исследование процесса радиально-сдвиговой протяжки проволоки 73
3.9. Оборудование для радиально-сдвиговой протяжки 78
3.10. Рекомендуемые области применения радиально-сдвиговой протяжки 80
3.11. Выводы по главе 82
Глава 4. Разработка эффективных маршрутов волочения проволоки 84
4.1. Расчёт маршрутов волочения в монолитных волоках при условии равномерной деформации 84
4.2. Режимы волочения круглой проволоки для совмещённых процессов 92
4.2.1. Процесс «Протяжка-волочение» 92
4.2.2. Процесс «РСП-волочение» 94
4.3. Сравнительный анализ процесса «РСП-волочение» и волочения в монолитной волоке. 96
4.4. Оценка технико-экономических показателей применения радиально-сдвиговой протяжки 98
4.5. Принципиальная схема выбора и расчёта эффективных маршрутов волочения проволоки 101
4.6. Выводы по главе 102
Заключение 105
Библиографический список 108
Приложения 117
- Анализ способа волочения круглой проволоки в монолитной волоке
- Разработка количественного показателя оценки степени неравномерности деформации
- Экспериментальное исследование получаемого профиля при радиально-сдвиговой протяжке проволоки
- Режимы волочения круглой проволоки для совмещённых процессов
Введение к работе
Проволока и изделия из неё (канаты, пружины, металлические сетки и т.п.) находят массовое применение практически во всех отраслях экономики и определяют эффективность работы многих сложных машин и конструкций.
В условиях рыночной экономики большое значение приобретает повышение конкурентоспособности выпускаемой продукции, определяемой рациональным соотношением «цена-качество». Особенно это относится к отечественной метизной промышленности, так как сегодня обостряется борьба не столько за выход на внешние рынки промышленно развитых стран, сколько защита собственных рынков от импортной продукции мощно развивающихся производителей метизной продукции, таких, например, как Китай.
Производить конкурентоспособную проволоку можно, только обладая современными технологическими процессами. Основой технологических процессов производства проволоки является способ обработки металла давлением. Как за рубежом, так и у нас в стране основным способом сегодня является волочение. Для него создано промышленное производство оборудования, инструмента, основных и вспомогательных материалов. В силу простоты изготовления и применения наибольшее распространение в качестве инструмента при волочении получила монолитная волока. К настоящему времени проведено большое количество исследований, направленных на повышение эффективности процесса волочения в монолитных волоках, что позволяет и сегодня оставаться этому способу конкурентоспособным. Однако технологические процессы производства проволоки, основанные на волочении в монолитных волоках, многоцикличны и ресурсозатраты. Связано это прежде всего с тем, что способ волочения в монолитных волоках в своём «цикле жизни» уже вышел на стадию насыщения и даже перешёл её. Это означает, что повышение его эффективности возможно только путём повышения прямых затрат. В монолитной волоке очень сложно управлять течением металла, а следовательно, и активно влиять на характер изменения свойств металла. Кроме того, однопоточное течение металла в монолитной волоке способствует интенсификации потери пластических
свойств проволоки. Этому же способствуют и неравномерность деформации по сечению проволоки в очаге деформации, а также локализация деформации, обусловленная трением и скоростью деформации. Причём эти факторы не учитываются в действующих на практике методиках расчётах маршрутов волочения и являются неуправляемыми и даже не контролируемыми в технологических процессах изготовления проволоки.
Таким образом, для повышения конкурентоспособности проволоки необходимо, идя наиболее эффективным путём эволюционных изменений, совершенствовать способ волочения, во-первых, путём повышения эффективности режимов деформации проволоки в монолитных волоках, во-вторых, внедрением в практику волочения новых эффективных видов инструмента.
Роликовые волоки снижают контактное трение, степень разогрева проволоки в очаге деформации, обеспечивают повышение физико-механических свойств проволоки. Однако конструкция роликовых волок очень сложна, а применяемые системы калибровок роликов «круг - фасонное сечение - круг» не устраняют однопоточности течения металла в очаге деформации, и не обеспечивают возможности управления течением металла. При этом появляется не свойственная волочению в круглых монолитных волоках неравномерность деформации по периметру проволоки и вводится ограничение по устойчивости фасонной полосы в круглом калибре.
В 60-е годы прошлого века учёными Московского института стали и сплавов предложен и разработан способ радиально-сдвиговой прокатки, который обеспечивает знакопеременный характер течения и повышение свойств металла. Процесс обеспечивает прокатку круглой заготовки в круглое изделие. Однако применить этот способ в производстве проволоки практически не возможно. В связи с этим представляет большой теоретический и практический интерес проведение исследований по применению данного способа при производстве проволоки в виде радиально-сдвиговой протяжки.
Анализ способа волочения круглой проволоки в монолитной волоке
Волочение в монолитных волоках сегодня остается основным способом ОМД, применяемым при производстве проволоки. Для его реализации имеется промышленно изготавливаемое высокоскоростное оборудование, простой инструмент, смазочные материалы и т.п. Волочёные изделия отличаются большой точностью геометрических форм и высоким качеством поверхности. Закрытый очаг деформации при волочении способствует всестороннему сжатию и гидродинамической подаче смазки. Волочение проволоки осуществляется по схеме «круг - круг», что позволяет устранить неравномерность деформации от формы поперечного сечения.
Процесс волочения осуществляется путём приложения переднего тянущего усилия к заготовке через неподвижную волоку, рабочая часть, которой имеет форму конуса. На поверхности раздела «металл - волока» действуют контактные силы трения, направленные против движения металла. При волочении необходимая для деформации поперечная сила Q создается при помощи внешнего усилия волочения Р (рис. 1.2). Поперечная сила Q, в результате наклона деформирующей зоны волочильного инструмента, а также трения между поверхностями проволоки и волоки, действует в нормальном направлении поверхности рабочий зоны волоки под углом (ос+р). В соответствии с приведенным треугольником сил, создается следующее соотношение [5]: Р = Qsm{cc + р); Р = Nlg{a + р).
На основе эффекта клина, который на практике создается от угла волочения а = 5-10 и действующего угла трения р 3 (при достаточной смазке), соотношение силы волочения и нормальной силы меняется от 1:4 до 1:7, то есть нормальная сила равняется четырёх - семикратному усилию волочения [5].
Поэтому деформация при волочении преимущественно происходит в результате действия радиальных и тангенциальных сжимающих напряжений, возникающих в материале, благодаря действию нормальной силы, но при этом в очаге деформации постоянно действуют растягивающие напряжения, создаваемые усилием волочения Р [5].
Течение металла в зоне деформации при волочении изучалось, чаще всего, с помощью координатной сетки. Этим методом проведено много исследований (П. И. Минин [6], Э. Зибель [7], И.Л. Перлин [8] и др.), которые дали в основном одинаковые результаты. Схема изменения координатной сетки при волочении круглого профиля по И. Л. Перлину [8] представлена на рис. 1.3. Из рис. 1.3 видно, что ячейки, имеющие в исходном состоянии форму квадратов, в зоне деформации изменяют свою форму близкую к прямоугольникам на оси, а на периферии к параллелограммам. Превращение квадратных ячеек в параллелограммы свидетельствует о дополнительных сдвигах во всех слоях в осевом направлении; при этом сдвиги увеличиваются от оси к периферии. Величина дополнительных сдвигов растёт с увеличением угла конусности волоки, степени деформации и коэффициента трения [8].
В работе [9] приходят к выводу, что элементы центральных слоев испытывают в направлении истечения деформацию растяжения, а элементы поверхностных, кроме того, и деформацию «дополнительных сдвигов». Кроме указанных деформаций происходит также двойной поворот отдельных элементов, углы поворотов которых равны [9]. Угол поворота тем больше, чем дальше рассматриваемый слой от центрального, элементы которого не испытывают поворота.
Линейные размеры ячеек после их выхода из деформационной зоны уменьшаются практически одинаково в радиальном направлении независимо от своего положения относительно оси канала, то есть поперечные сечения всех слоев круглого профиля получают почти одинаковые относительные деформации. Это не наблюдается только на самом конце заготовки, на котором образуется лунка. Хотя толщины периферийных и центральных слоев уменьшаются практически на одну и ту же величину, происходит это под нагрузками разных видов. Периферийные слои значительно утончаются в радиальном направлении под действием радиальных сжимающих напряжений, а центральные слои под действием осевых растягивающих напряжений [8].
При волочении структура зерна в продольном направлении получается вытянутой, а поверхность, сильно наклепанной, то есть имеет место неравномер ная деформация по сечению проволоки, которая приводит к понижению пластичности проволоки. Уменьшение пластичности приводит к возможности разрушения, особенно при наличии растягивающих напряжений [10].
Вероятность разрушений тем больше, чем резче выражена неравномерность деформации, меньше площадь сечения слабо обжимаемых частей и меньше пластичность деформируемого тела [10]. Ряд исследователей [11-18] связывают появление внутренних разрывов проволоки с неравномерностью деформаций материала в очаге деформации. Потеря пластичности и увеличение неравномерности деформации при волочении растёт с увеличением диаметра обрабатываемой проволоки. Это явление получило в литературе название масштабного фактора или масштабного эффекта [19-25]. Одним из признаков потери пластических свойств проволоки является её склонность к расслоению при испытании на скручивание. Авторы работ [26-28] связывают пониженную пластичность проволоки больших диаметров с повышенной неравномерностью деформации металла по сечению.
Пластическая деформация сопровождается исчерпанием ресурса пластичности, причём условия деформирования, схема напряжённого состояния, равномерность деформации, скорость деформации и дробность деформации, определяют интенсивность расходования ресурса пластичности [29]. Согласно феноменологической теории разрушения В .Л. Колмогорова и А. А. Богатова [30-33], обрыв при волочении наступит тогда, когда полностью исчерпается ресурс пластичности металла.
В результате неравномерности деформации, протянутый металл обладает неравномерными структурой и механическими свойствами. Исследования неравномерности деформации механических свойств по поперечному сечению протянутого круглого профиля провели П.И. Минин [6], Г.И. Погодин [34], И.М. Ройтман и Я.П. Фридман [35]. Эти материалы показывают, что твёрдость по сечению подвергнутого волочению профиля неравномерна: она несколько возрастает от центра к периферии и заметно снижается у самой поверхности, а в работе [35] показывают резкое понижение вязкости центральных слоев.
Разработка количественного показателя оценки степени неравномерности деформации
Для количественной оценки степени проникновения деформации сжатия по сечению проволоки в коническом очаге деформации используем приближённую модель распределения деформаций, предложенную СИ. Губкиным [9] (рис.2.3). Данная модель использовалась автором для определения минимально допустимой степени деформации за проход, при которой происходит только поверхностная деформация. гом, что говорит об адекватности полученной модели по определению деформации сжатия по сечению проволоки при условии равномерной деформации. Для оценки влияния коэффициента трения на неравномерность деформации по сечению рассчитаем, как изменяются значения относительных полууглов волок в зависимости от коэффициента трения. Для чего значение относительного полу угола волоки рассчитываем по формуле [82]: ц/ — относительный полуугол волоки, град; a - полуугол волоки, град; f- коэффициент трения. Результат расчёта представлен на рис.2.5. Так, например, если волочение проволоки проходит в волоке с полууглом в 4град, при коэффициенте трения 0,05, то относительный полуугол равен 7град, а если коэффициент трения по какой либо причине резко повысится до значения 0,10, то относительный полуугол станет, приблизительно, 1 Оград (рис.2.5). В этом случае неравномерность деформации при повышении трения резко повысится, что приведёт к непроработке сердцевины проволоки. Резкое повышение трения наблюдается, например, во время пуска волочильной машины, особенно на больших диаметрах проволоки. Подставив формулу 2.5 в 2.4, получим показатель оценки деформации сжатия h с учётом коэффициента трения f: неравномерности деформации в зависимости от трения, рассчитаем показатель h для случая волочения заготовки диаметром 12,0 мм, с обжатием е=24,45% в волоке с полууглом а = 4град (рис.2.6).
Так если при коэффициенте трения равным 0,05, величина h составит 4,5мм по поперечному сечению проволоки, а при f=0,10, величина 1і=6,5мм (рис.2.6). В данном случае величина h показывает диаметр действия растягивающих напряжений в центре проволоки, находящейся в коническом очаге волоки. Результаты расчётов, приведённых на рис.2.5-2.6, показывают, что трение сильно увеличивает неравномерность деформации по сечению проволоки и его действие надо учитывать при расчётах режимов волочения, не только как фактор, сильно влияющий на усилие волочения, но и на свойства проволоки. Проверим предложенную нами модель процесса волочения. Для этого используем, приведённые в работе П.И. Минина [6] результаты исследования изменения твёрдости по сечению прутков, и оценим распределение деформации сжатия в коническом очаге.
Результаты работы [6] представлены на графиках (рис.2.7 и 2.8). Если в очаге деформации преимущественно действует деформация растяжения, то твёрдость изменяется, примерно, на одинаковую величину относительно твёрдости заготовки, то есть линия твёрдости деформированной заготовки будет приблизительно параллельна линии твёрдости недеформированной заготовки. Если основной является деформация сжатия в коническом очаге волоки, то линия твёрдости становится не параллельной, что объясняется другим характером изменение относительно деформации растяжения. Так как в работе [6] не указано значение коэффициента трения, то его условно возьмём равным 0,05 и проведём расчёт по формуле (2.6), результаты которых представлены в таблице 2.2 (соответствует рис.2.7) и в таблице 2.3 (соответствует рис.2.8). Анализ результатов, представленных в таблице 2.2, показывает, что в образцах большая часть площади деформирована за счёт деформации растяжения, увеличивающейся при уменьшении обжатия, а деформация сжатия в очаге волоки проникла лишь на небольшую глубину проволоки. Величина h в этом случае показывает зону распределения деформации растяжения в очаге волоки. Резкое падение твёрдости на поверхности можно объяснить разогреву поверхностного слоя проволоки, благодаря действию трения. Из графика приведённого на рис. 2.7, видно, что линии № 2, 3 и 4 начинают изменяться (увеличивается твёрдость) относительно линии №1 на расстояние от 10 до 14мм от центра прутка к его поверхности, что хорошо согласуется с расчётными данными.
Экспериментальное исследование получаемого профиля при радиально-сдвиговой протяжке проволоки
На первом этапе исследований в качестве заготовки использовали алюминиевую проволоку с большой овальностью. При её протяжке невращающихся валковой обойме и рабочих валках получалась проволока фасонного сечения. В месте соприкосновения валков с проволокой образовался след от валков на всей длине проволоки (рис.3.6).
При вращении валков вместе с валковой обоймой проволока получалась по профилю в виде сверла (рис.3.7).
Последующий эксперимент проводили с вращением заднего конца заготовки. При этом валковая обойма не вращалась. Рабочие валки вращались за счёт силы трения между валками и заготовкой. Благодаря вращению заднего конца заготовки и расположению валков под определённым углом подачи, заготовка начинает сама подаваться через калибр, образуемый валками. Профиль проволоки при этом получался круглым по всему сечению с небольшим винтовым гребнем (зубом) (рис.3.8). Между зубьями на проволоке образуется параллельная оси волочения винтовая поверхность, которая соответствует длине калибрующего пояска валка. Так как вращение проволоки в производственных условиях не желательно, то был проверен вариант протяжки проволоки с принудительным вращением валковой обоймы. Для чего установили валковую обойму с валками в патрон токарного станка. При этом передний конец проволоки прикрепляли к резцедержателю и передвигали его в ручном или в автоматическом режиме и одновременно приводили во вращение валковую обойму. Была составлена схема видов получаемого профиля при радиально-сдвиговой протяжке круглой проволоки и сформулированы условия протекания процесса. Условие стабильности протекания процесса радиально-сдвиговой деформации (рис.3.15) запишется в виде: где Ml - момент кручения, создаваемый при кручении валковой обоймы; М2 - момент сопротивления, создаваемый при волочении проволоки на участке тянущий волочильный блок - валки; МЗ - момент сопротивления скручиванию проволоки, создаваемый при волочении заготовки неограниченной длины, то есть из бунта проволоки на уча стке бунт - РСП. Максимальные касательные напряжения, создаваемые в сечении заготовки при кручении определяются по выражению [97]: где Ми, - момент кручения заготовки, Нмм; Полярный момент сопротивления для круглого сечения: Wp = :—, мм где d - диаметр заготовки, мм Угол закручивания при кручении [97] рассматриваемого цилиндра при кручении, мм; G - модуль упругости при кручении G = 0,4Е. Чтобы осуществить протяжку проволоки неограниченной длины необходимо выполнение неравенства: М1 М2+МЗ. Процесс радиально-сдвиговой протяжки будет проходить устойчиво, если не будет осуществляться закручивание заготовки. Если радиально-сдвиговую деформацию осуществлять таким образом, чтобы создавать вращающийся момент на валковой обойме, и при этом применить переднее и заднее натяжение, то получим полностью гладкую цилиндрическую проволоку, при этом вращение проволоки исключится. Переднее тянущее усилие при этом определяет величину шага винтового зуба.
Режимы волочения круглой проволоки для совмещённых процессов
Для осуществления совмещённой деформации с условием hi 0 и 1і2 0 можно предложить процесс роликового волочения в закрытом круглом калибре, совместно с волочением в монолитной волоке. В первом проходе роликовым волочением наносится шероховатость на проволоку для лучшего захвата смазки при волочении в монолитной волоке. Роликовое волочение обеспечивает условия выполнения hi 0, так как можно уменьшать рабочий полуугол конуса деформации за счёт увеличения диаметра ролика, а волочение в монолитной волоке при этом вести с условием 1і2 0. Для процесса ПРОТЯЖКА-ВОЛОЧЕНИЕ необходимо выбрать диаметр ролика. Обычно процесс протяжки через неприводные ролики проводится в следующих режимах: диаметр роликов от 70 до 250мм и обжатие от 25 до 35%. После расчёта диаметра ролика по величине h выявили, что рациональные диаметры роликов находятся в пределах от 200 до 250мм. Графики зависимости величины h от единичного обжатия, диаметра заготовки и диаметра ролика представлены на рис.4.6. При диаметре ролика в 200мм для заготовки 5,5мм двойная деформация в 50% от готового диаметра будет происходить при единичном обжатии в 20%, а для заготовки 12,0мм более 25% (рис.4.6).
Для случая волочения в монолитной волоке с полууглом в 4град была построена номограмма определения величины h при обжатии от 15 до 24% и при различных диаметрах заготовок (рис.4.7).
Номограммы помогают приблизительно оценить требуемое обжатие для обеспечения равномерной деформации при совмещённом процессе протяжка-волочение. Протяжка в закрытом круглом калибре будет проходить с обжатием от 15-5-25% при величине Ь=от 0 (-3)мм, а волочение в монолитной волоке будет проходить при полуугле 4 и единичном обжатие от 15 до 24% при величине 1і=от 0-КЗ мм.
Итак, при роликовом волочении необходимо применять диаметры роликов от 200 до 250мм для заготовок от 5,5 до 12,0мм. Двойную равномерную деформацию при роликовом волочении с условием hi=-d получить очень сложно. Также сложно получить двойную неравномерную деформацию (50% от диаметра готовой проволоки) за один проход на заготовке более 6,5мм.
Совмещённый процесс повысит ресурс пластичности проволоки за счёт изменения углов, улучшения напряжённо-деформированного состояния в проволоке и лучшего захвата смазки в монолитной волоке. Однако процесс «протяжка-волочение» не устраняет однопоточное течение металла в поперечном сечении проволоки.
Как говорилось ранее, во второй главе, режим волочения №2 с неравномерной деформацией должен проходить по следующему режиму: для h 0 и h = -d необходимо применять полуугол волоки = 2 с единичным обжатием от 14 до 25%, а для h=0 и h 0 необходимо применять полуугол волоки = 4 с единичным обжатием от 15 до 25%. Для осуществления этого режима волочения применим совмещённый процесс «РСП-волочение». Для процесса волочения в монолитной волоке принимаем деформацию с величиной h=0 и h 0, а для радиально-сдвиговой протяжки принимаем деформацию с величиной h 0, максимум до двойной равномерной деформации (h=-di). При полуугле волоки, равным 4 градусам, при h 0 и при обжатии 15% неравномерная деформация будет занимать приблизительно половину от диаметра заготовки.
Для значений полууглов волок равных, 4 и 2град, рассчитаем усилие волочения для стали марки 70 по формуле Перлина. Результаты расчёта приведены в приложении 5 и показаны на рис.4.8. Для удобства расчёта маршрута волочения, совмещенного процесса «РСП-волочение», построим номограммы изменения величины h от диаметра заготовки (от 5,5 до 12,0мм) и от единичного обжатия (от 15 до 24%) (рис.4.9-4.10).
