Введение к работе
Актуальность работы. Проволока из углеродистой стали является основным видом продукции метизного передела черной металлургии и массово применяется практически во всех отраслях экономики как в виде товарной продукции, так и в виде изделий из нее.
Для обеспечения эффективного применения, устойчивого экспорта и реального импортозамещения проволока должна иметь высокую конкурентоспособность, основными направлениями повышения которой являются внедрение передовых технологических процессов производства, снижение материало- и энергоемкости, разработка и изготовление перспективного оборудования для технологического перевооружения существующих и строительства новых предприятий.
Технологический процесс изготовления проволоки включает операции подготовки структуры (термообработка) и поверхности заготовки, нанесения покрытий, профилирования и т.д. готовой проволоки. Основной формо- и свойствообразующей операцией является волочение, для реализации которого используются волоки монолитные и роликовые различных конструкций. Процесс, пройдя многовековой путь применения, достиг в настоящее время больших успехов в развитии теории и практики использования. Он обеспечен промышленным оборудованием и другой инфраструктурой. Однако увеличение диаметра и прочности выпускаемой проволоки, а также необходимость постоянного повышения ее качества при одновременном снижении затрат на производство, требуют совершенствования технологических процессов, и прежде всего деформационных режимов волочения.
В связи с чем актуальным является выявление как в традиционном способе, так и развивающихся в настоящее время новых способах волочения, еще не реализованных резервов повышения качества проволоки и снижения затрат на ее производство. Актуальным является также создание методов проектирования модульных технологических процессов изготовления проволоки, построенных на принципе усиления преимуществ и уменьшения недостатков каждого способа волочения.
Степень разработанности.
На основе развития теории волочения, разработанной в трудах Губкина С.И., Перлина И.Л., Аркулиса Г.Э., Колмогорова Г.Л., Жилкина В.З., Зибеля Е., Бриджмена П.У., Бекофена В., Райта Р.Н. и др. предложены новые способы оценки напряженно-деформированного состояния в клиновидном очаге деформации и методики расчета ресурсосберегающих деформационных режимов, позволяющих повышать эффективность действующих и новых технологических процессов производства проволоки с применением волок различных конструкций.
Цель работы: повышение конкурентоспособности проволоки из углеродистой стали на основе совершенствования режимов деформации в монолитных и роликовых волоках.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Совершенствование модели расчета напряженного и деформированного состояния при волочении проволоки в коническом очаге деформации.
-
Исследование напряженно-деформированного состояния при волочении в монолитных и роликовых волоках на основе моделирования в программном комплексе Deform-3d.
-
Разработка методики анализа и расчета ресурсосберегающих маршрутов волочения круглой проволоки в монолитных и роликовых волоках.
4. Разработка рекомендаций по промышленному применению полученных разработок.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Получены зависимости изменения гидростатического напряжения и усилия волочения при различных значениях единичных обжатий и рабочих углов волок, позволяющие, при заданных свойствах металла, определить условия волочения с максимально благоприятной схемой напряженного состояния и минимально необходимым усилием волочения. Разработана методика расчета предельного гидростатического напряжения в клиновидном очаге деформации и установлено, что предельным значением гидростатического напряжения, исключающим появление схемы всестороннего растяжения для углеродистой стали, является ср 0,3В.
-
Установлено, что при волочении в монолитной волоке с увеличением диаметра проволоки растет интенсивность растягивающих напряжений на оси проволоки и сужается диапазон рационального отношения «обжатие - угол волоки». При волочении во вращающейся монолитной волоке накопленная степень деформации в поверхности проволоки растет с увеличением скорости вращения волоки, с уменьшением рабочего угла и значения прочности проволоки. Наибольшее снижение усилия волочения наблюдается при уменьшении рабочего угла и увеличении скорости вращения волоки.
-
При волочении в роликовых волоках накопленная степень деформации по периметру проволоки распределяется неравномерно, причем степень неравномерности растет с уменьшением числа роликов, образующих калибр. Для многороликовых калибров, в отличии от двухроликовых, накопленная степень деформации в центре ручья минимальная, а в местах разъемов калибра – максимальная.
-
Установлено, радиально-сдвиговая протяжка как и радиально-сдвиговая прокатка имеют «геликоидальный» характер течения и неравномерность напряженного состояния металла, при этом накопленная степень деформации равномерно распределяется по периметру и неравномерно по сечению проволоки и ее значение растет с уменьшением угла конической части деформирующих роликов; из-за изменения площади контакта заготовки с инструментом усилие волочения от обжатия изменяется по параболической зависимости, а его значение, по сравнению с волочением в монолитной волоке, значительно ниже.
Теоретическая и практическая значимость работы:
-
Получены зависимости изменения коэффициента жесткости схемы Смир-нова-Аляева, показателя Лоде-Надаи, гидростатического напряжения, усилия волочения и накопленной деформации от структуры конического очага деформации при волочении углеродистой проволоки в монолитных и роликовых волоках. Разработана методика расчета ресурсосберегающих маршрутов волочения, основанная на оценке напряженного состояния, определении рациональных значений обжатий для рабочих углов волок и учете свойств материала, а также особенностях характера течения металла в монолитных, классических роликовых и волоках радиально-сдвиговой деформации.
-
Получены патенты на новые способы волочения проволоки (патент РФ №2498870 и патент РФ №2502573), зарегистрирована программа для ЭВМ «Расчет режимов волочения углеродистой проволоки» (№ 2017660119).
-
Полученные результаты диссертационного исследования использованы при совершенствовании маршрутов волочения, применяемых в АО «Белорецкий металлургический комбинат», ООО «Специальные технологии» и при выполнении НИОКТР с ОАО «ММК-МЕТИЗ» (Договор № МК204895 от 27 июля 2015 г.), а также применены
в учебном процессе на кафедре технологий обработки материалов ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» и на кафедре металлургии и стандартизации в филиале ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» в г. Белорецк при подготовке обучающихся по направлению «Металлургия».
Методология и методы исследования.
В работе применялись методы математического моделирования, экспериментальные исследования в лабораторных и промышленных условиях. Оценка напряженно-деформированного состояния выполнена с помощью моделирования в программном комплексе Deform-3d (лицензия: Machine 38808). Измерение микротвердости проводилось в условиях НИИ «Наносталей» при ФГБОУ ВО «МГТУ им. Г.И. Носова» на твердомере Buehler Micromet. Оценка микроструктуры выполнялась с помощью металлографического микроскопа Meiji Techno с применением системы компьютерного анализа изображений Thixomet Pro. Механические испытания проволоки проведены в центральной заводской лаборатории АО «Белорецкий металлургический комбинат».
Положения, выносимые на защиту:
-
Методики оценки напряженного состояния с помощью программного комплекса Deform-3d в коническом очаге деформации и расчета ресурсосберегающих маршрутов волочения проволоки в монолитных и роликовых волоках. Результаты оценки напряженно-деформированного состояния при волочении.
-
Особенности способа радиально-сдвиговой протяжки проволоки.
-
Направления совершенствования существующих и создания новых деформационных режимов волочения.
Степень достоверности.
Обоснованность результатов исследований, научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена анализом принятых в настоящее время положений теории и практики волочения проволоки, включая тенденции их развития, а также использованием современного испытательного и технологического оборудования, и стандартных методов обработки данных. Полученные результаты не противоречат основным положениям теории ОМД и хорошо согласуются с результатами других исследователей.
Апробация результатов. Основные положения и материалы работы доложены и обсуждены на следующих конференциях: Павловские чтения. ИМЕТ РАН (г. Москва, 2010 г.); X Международной научно-технической конференции молодых специалистов (г. Магнитогорск, 2010 г.); IV Всероссийской конференции по наноматериалам «НАНО 2011» (г. Москва, 2011 г.); «Проблемы и перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР». УрО РАН, (г. Екатеринбург, 2011 г.); «Инновационные технологии в металлургии и машиностроении» (г. Екатеринбург, 2012, 2014 гг.); «Современные проблемы горно-металлургического комплекса. Наука и производство» (г. Старый Оскол, 2015 г.); «Инновационные процессы обработки металлов давлением: фундаментальные связи науки и производства» (г. Магнитогорск, 2015, 2016 гг.); XI Международном конгрессе прокатчиков (г. Магнитогорск, 2017 г.); «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования» (г. Магнитогорск, 2010 - 2018 гг.).
Публикации. Результаты исследований отражены в 17 публикациях, в том числе 3 статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендуемых ВАК РФ и 1 статья в издании, входящем в наукометрические базы Web of Science и Scopus, одна монография, 2 патента РФ на изобретения и одно свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 181 наименования. Общий объем диссертации 167 страниц машинописного текста, в том числе 75 рисунков, 37 таблиц, 6 приложений.