CC BY
17
г: къшжпъ
4 (53). 2009-
#" ЁТАЛЛУРГИЯ
The appraisal of character of the temperature fields distribution in dies at their interactions in the processes of wire drawing in dependence on contact friction in conditions of the system wire-die is given.
Jk
М. Н. ВЕРЕЩАГИН, Ю. Л. БОБАРИКИН, М. Ю. ЦЕЛУЕВ, УО «ГГТУ им. П. О. Сухого», А. В. ВЕДЕНЕЕВ, О. И. ИГНАТЕНКО, РУП «БМЗ»
УДК 669.
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
И ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОНТАКТНОГО ТРЕНИЯ НА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ И НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ В СТАЛЬНОЙ ПРОВОЛОКЕ ПРИ ВЫСОКОСКОРОСТНОМ ВОЛОЧЕНИИ
Одним из важных факторов, определяющих условия волочения, является значение контактного трения между поверхностью проволоки и волочильного инструмента. Особенно это становится актуальным при производстве продукции на повышенных скоростях волочения. В [1] сделан вывод о необходимости снижения контактного трения для повышения скорости волочения стальной высокоуглеродистой проволоки без потери ее качества. Этот результат получен численным методом построения температурных полей в проволоке при ее волочении.
Цель данной работы - оценка характера распределения температурных полей в проволоке и волоке при их взаимодействии в процессе волочения в зависимости от контактного трения в условиях системы проволока - волока. Кроме того, интерес представляет определение нагрузки на волоку под влиянием изменения контактного трения. Поставленная задача решалась численным методом с использованием метода конечных элементов (МКЭ) на основе математического аппарата механики деформируемого твердого тела и теории пластичности. Исходными данными для расчета служили параметры, приведенные в [1] с дополнением:
• твердосплавный материал волоки считаем упругой средой с плотностью р = 15150 кг/м3, модулем Юнга Е = 647 ГПа, коэффициентом Пуассона ц = 0,2;
• теплофизические характеристики материала волоки: коэффициент теплопроводности X = 50,2 Вт/(м °С), теплоемкость с = 382 Дж/(кг-°С);
• угол конуса волоки а = 12°, коэффициент длины калибрующей зоны волоки к - 0,4.
Для анализа условий волочения рассматривали проволоку диаметром 0,412 мм из стали марки 90К, получаемой из проволочной заготовки 2,45 мм на скорости 8 м/с, что на 37% выше технологической скорости. По результатам предварительного расчета, для вычислений была принята самая нагруженная волока в действующем маршруте волочения на 27 переходов волочения - волока № 23, которой соответствовал входной диаметр проволоки 0,494 мм, диаметр калибрующей зоны волоки 0,467 мм, скорость проволоки на выходе из этой волоки 6,227 м/с. В качестве смазки использовали водоэмульсионную смазочно-охлаж-дающую жидкость У8У77 с концентрацией 10%. Получены распределения ТП (температурного поля) и НДС (напряженно-деформированного состояния) (рис. 1-6) в сечении проволоки и волоке действующего маршрута волочения. Распределения получены в момент движения проволоки, после ее продвижения на 1,7 мм с постоянной скоростью после стабилизации скорости волочения. В этот момент ТП в проволоке и НДС в системе проволока - волока стабилизированы. Не стабильно остается только ТП в волоке. ТП в волоке оказывает воздействие на нагрев проволоки, но в силу кратковременного контакта новых участков проволоки с волокой это воздействие принимается не существенным.
Сравнительный анализ ТП на рис. 1, 4 показывает, что уменьшение коэффициента контактного
КЪШЛГГГ.Р. 1197
-4 (53). 2009 / 141
Рис.1. Температурное поле, °С, при волочении проволоки Рис. 2. Поле интенсивности упругих деформаций е,- при во-через волоку с конической деформирующей зоной = 0,4; лочении проволоки через волоку с конической деформиру-
а = 12°;/= 0,05)
Еф|1уа|«М Уев М1««« 5Шп
ШШИяйЙ «Ш1 II.....1НИПГ
«*я*1нтт шщнгаам
~'*£&5&255&5355;:
■■■■■■ямааяйнннаяванивмн (■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■«¿г^аая
ющей зоной (к = 0,4; а = 12°;/= 0,05)
IV« -
Рис. 3. Поле интенсивности напряжений а„ Па, при волочении проволоки через волоку с конической деформирующей зоной (к = 0,4; а = 12°;/= 0,05)
Рис. 4. Температурное поле, °С, при волочении проволоки через волоку с конической деформирующей зоной (к = 0,4: а = 12°;/= 0,02)
1*иКя>кМ Ум Ми*« £>»«88
Рис. 5. Поле интенсивности упругих деформаций г/ при волочении проволоки через волоку с конической деформирующей зоной (к = 0,4; а = 12°;/= 0,02)
Рис. 6. Поле интенсивности напряжений а„ Па, при волочении проволоки через волоку с конической деформирующей зоной (к = 0,4; а = 12°;/= 0,02)
128/
ЛГГТТгП гг КтГАТРГКК
4 (53), 2009
Рис 7 Принципиальная схема экспериментальной волочильной установки: 1 - проволока; 2 - катушка размоточная; 3 -волокодержатель; 4 - плита качающаяся; 5 - датчик усилия; б - тяговый барабан; 7 - клиноременная передача привода намоточной катушки; 5 - муфты соединительные; 9 - электродвигатель постоянного тока; 10 - катушка намоточная; 11 -пирометр- 72-датчик скорости вращения; 13 - контрольный блок (ЭВМ); 14 - винтовая пара; 15 - гайка зажимная; 16-прижим; 17 - нажимной диск; 18 - коробка передач; 19 - блок преобразования сигналов (контроллер); 20 - система управления электроприводом; 21 - контроллер оборотов; 22 - усилитель тензометрическии
трения с величины 0,05, соответствующей имеющемуся уровню трения, до величины 0,02, которую можно получить специальными мероприятиями (например, улучшением качества латунного покрытия, сокращением доли Р-фазы и т. д.), снижает максимальный диапазон температур в проволоке 344-394 °С (рис. 1) до диапазона 249270 °С (рис. 4). Это подтверждает факт значительного влияния контактного трения на температуру проволоки и соответственно волоки в процессе волочения. Концентрация повышенных температур соответствует приконтактным зонам волоки и проволоки в области перехода от деформирующей к калибрующей зоне волоки и в области окончания калибрующей зоны волоки.
Анализ распределения интенсивностей упругих деформаций при коэффициенте трения / = 0,05 (рис. 2) показывает на наличие в волоке нагруженной зоны с диапазоном значений от 8,357-Ю"3 до 1,045-Ю"2 в области контакта рабочей и калибрующей зон волоки. На практике этой зоне соответствует зона интенсивного износа и разрушения канала волоки. При деформации в аналогичной волоке, но с уменьшенным трением при /= 0,02 этой зоне соответствует диапазон значений г, от 9,091-Ю-3 до 1,136-Ю"2 (рис. 5).
Если анализировать максимальные значения интенсивностей напряжений а/9 возникающих
в волоке (рис. 3, 6), то можно определить, что при коэффициенте трения / = 0,05 эта величина равна 7,697-Ю9 Па, а при / = 0,02 - 8.292-Ю9 Па. Место расположения максимальных значений аг соответствует месту расположения максимальных значений гг.
Из сопоставления значений е,- и аг для разных коэффициентов контактного трения можно сделать вывод об отсутствии существенного влияния контактного трения на нагрузку в волоке. Значительно его влияние на тепловыделение в проволоке и соответственно влияние на деформационное старение самой проволоки. В этом случае получаемый после снижения трения температурный диапазон в проволоке может быть приемлем для практического использования, однако он остается на рубеже максимально допустимых температур нагрева проволоки (до 250 °С) по сечению, с точки зрения максимальных температур, исключающих интенсивное деформационное старение.
На основании этого анализа можно предположить, что при условии наличия мероприятий по снижению коэффициента контактного трения до величины/ = 0,02 скорость волочения можно увеличивать до 8 м/с (что на 37% выше технологической), при этом геометрия волок не изменяется, и соответствует требованиям НД, что особенно важно при производстве.
Для частичного подтверждения адекватности полученных результатов численного расчета был проведен проверочный эксперимент с помощью экспериментальной волочильной установки (рис. 7).
Эксперимент заключался в волочении проволоки с условиями, соответствующими условиям вычислительного эксперимента. В результате измерения усилия волочения, зафиксированного датчиком 5 (рис. 7), получено значение 87 Н, а на основе распределения интенсивности напряжений в проволоке на выходе из калибрующей зоны волоки (см. рис. 6) получено теоретическое значе-
/ТГГГГгП гг ГЛ^ГПАЛггТГГТгТ /100
-а (53). 2009 I шЕЛ
ние усилия волочения 98 Н. Таким образом, теоретический результат отклонился от экспериментального на 12,6%. Это вызвано принятыми упрощениями в математической модели, а также ошибками экспериментальных измерений ввиду действия случайных фактов эксперимента, обязательного наличия погрешностей измерения. Поэтому полученное отклонение можно принять допустимым, что обычно принимается в инженерных расчетах. В связи с этим вычисления распределений напряжений можно считать корректными.
Литература
1. Верещагин М. Н., Бобарикин Ю. Л., Савенок А. Н. и др. Влияние скорости волочения на температуру и напряженно-деформированное состояние в проволоке из высокоуглеродистой стали // Литье и металлургия, 2008. № 1. С. 40-48.
