CC BY
89
Хван Александр Дмитриевич, д-р техн. наук, доц., tpm@vorstu.ru, Россия, Воронеж, Воронежский государственный технический университет
DETERMINATION OF TECHNOLOGICAL PARAMETERS FOR REALIZATION OF STAMPING PROCESS WITHKRUCHENIYES OF CYLINDRICAL PREPARATIONS
D.I. Khrapova, A.D. Khvan
The solution of a task on determination of the kinematic and power parameters which knowledge is necessary for calculation on durability of bearing part, basic elements of a press and its drive is considered. Ratios for calculation of linear and angular deformations, and also loadings deforming preparation are thus received.
Key words: deposit with torsion, angular and linear deformations, the inertia moment, linear and angular speeds, sliding friction coefficient, a flywheel, a screw gear, liquid pressure.
Khrapova Diana Igorevna, engineer, tpm@vorstu.ru, Russia, Voronezh, Voronezh State Technical University,
Khvan Aleksandr Dmitrievich, doctor of technical sciences, associate professor, tpm@vorstu.ru, Russia, Voronezh, Voronezh State Technical University
УДК 621.771
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМБИНИРОВАНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТОЙ СТРУКТУРЫ В УГЛЕРОДИСТОЙ ПРОВОЛОКЕ
М.А. Полякова, А.Е. Гулин
Рассмотрена возможность комбинирования различных схем пластической деформации для создания нового метода, позволяющего формировать ультрамелкозернистую структуру в углеродистой проволоке. Проведен количественный анализ равномерности напряженно-деформированного состояния проволоки при комбинировании. Экспериментально установлено, что наложение комбинированной деформационной обработки растяжением, сжатием, изгибом и кручением в углеродистой проволоке приводит к измельчению ее зеренной структуры.
Ключевые слова: комбинирование, пластическая деформация, углеродистая проволока, напряженно-деформированное состояние.
Одним из прогрессивных направлений развития технологий металлургического и метизного производств является создание комбинирован-
ных, или совмещенных процессов [1, 2]. Данный подход используется для разработки непрерывных методов интенсивной пластической деформации (ИПД), приводящих к формированию ультрамелкозернистой (УМЗ) структуры в металлах и сплавах. Так, комбинирование процессов равноканаль-ного углового прессования и прокатки привело к созданию таких способов, как способ непрерывного ограниченного полосового сдвига, способ отличающегося углового прессования, равноканально-угловая прокатка, Сопйгш-процесс и др. Однако данными методами можно получать либо полосовую сталь, либо заготовку квадратного сечения. С практической точки зрения целесообразно рассмотреть возможность создания непрерывных методов ИПД для обработки проволоки как одного из распространенных видов метизной продукции.
Анализируя развитие процесса волочения, можно утверждать, что на данный момент имеет место усложнение классического способа волочения путем комбинирования с другими воздействиями на металл [1] или расширения диапазонов технологических режимов волочения [3]. С другой стороны, при создании непрерывного метода ИПД на основе волочения целесообразно использовать уже обеспечиваемые данным методом деформации растяжения и сжатия [4]. Как известно, для обеспечения измельчения зеренной структуры метод ИПД должен обеспечивать достижение сдвиговых деформаций в обрабатываемом металле. Поэтому для разработки нового метода целесообразно рассмотреть возможность комбинирования уже имеющихся при волочении деформаций растяжения и сжатия с другими видами пластической деформации.
Для разработки нового комбинированного метода использовали волочение как основной метод формоизменения проволоки, и кручение, как вид деформации, обеспечивающий достижение деформаций сдвига. Были смоделированы 4 режима обработки заготовки: волочение с диаметра 3,00 мм на диаметр 2,85 мм с единичным обжатием 9,75 % без кручения переднего конца проволоки и с кручением в 50, 100 и 200 об/мин.
В качестве показателя, описывающего напряженное состояние в очаге деформации, использовали показатель напряженного состояния [5]
к = 0, (1) Т
где о = 1 (о1 + о2 + о3) - среднее напряжение (гидростатическое давление); Т = - о2)2 + (о2 - о3)2 + (о3 - о1 )2 - интенсивность касательных
л/б
напряжений.
Показатель к характеризует соотношение среднего уровня нормальных и касательных напряжений: при к > 0 преобладают растягивающие напряжения, а при к < 0 - сжимающие. При положительных значениях
коэффициента к схему напряженного состояния следует считать жесткой и тем более жесткой, чем больше величина к. Наоборот, при отрицательных значениях коэффициента к схему напряженного состояния следует считать мягкой и тем более мягкой, чем больше абсолютное значение отрицательной величины к.
Для количественной оценки степени равномерности напряженного состояния при обработке был предложен комплекс [6]
ю
11 £ (к - к, )2
П
(2)
где к и к1 - значения критерия (1): среднее по сечению проволоки и в текущей точке поперечного сечения соответственно; п - количество точек измерений по результатам моделирования в программном комплексе Бе-&гш-3Б.
Чем выше значение комплекса ю, тем выше равномерность напряженно-деформированного состояния (НДС).
Расчет значения комплекса был выполнен в продольном сечении проволоки в геометрическом очаге деформации, для чего были выбраны 12 точек: на поверхности обрабатываемой заготовки: на входе в геометрический очаг деформации; на входе и выходе из калибрующего пояска; в середине калибрующего пояска; на оси волочения.
В результате проведения расчета были получены значения комплекса равномерности НДС по всему очагу деформации, которые представлены в таблице.
Величины показателя равномерности НДС ю при волочении с кручением проволоки
Значение показателя равномерности НДС
Режим обработки Волочение (0 об/мин) Волочение + кручение 50 об/мин Волочение + кручение 100 об/мин Волочение + кручение 200 об/мин
Равномерность напряженного 0,323 0,320 0,053 0,050
состояния
Равномерность деформированного 0,446 0,452 0,284 0,307
состояния
Снижение коэффициента равномерности как для деформированного состояния, так и для напряженного состояния наблюдается при добавлении кручения к процессу волочения. Уменьшение показателя равномерности с увеличением скорости кручения проволоки свидетельствует об увеличении
амплитуды между максимальными и минимальными значениями напряжений и деформаций по всему сечению очага деформации, а также подтверждает появление дополнительных касательных напряжений. Из полученных данных можно сделать вывод, что режим комбинирования волочения с кручением в 100...200 об/мин является более предпочтительным, так как позволяет изменить НДС при волочении.
С другой стороны, показатель равномерности НДС для всего очага деформации является комплексным и не позволяет судить в какой области проволоки происходит изменение равномерности. Для этой цели был рассчитан показатель равномерности напряженного и деформированного состояний для четырех поперечных сечений проволоки (рис. 1).
Из полученных данных следует, что при использовании комбинированного воздействия волочением с кручением может быть найден такой режим, который будет иметь такой же показатель равномерности, как и процесс волочения без кручения. В свою очередь, однородность напряженного состояния по сечению будет способствовать однородности механических свойств проволоки как по длине, так и по сечению. Данный факт можно объяснить тем, что при приложении крутящего момента к проволоке возникают дополнительные касательные напряжения, которые приводят к перераспределению растягивающих и сжимающих напряжений, и схема напряженно-деформированного состояния становится менее жесткой по сравнению с НДС традиционной схемы волочения.
а б
Рис. 1. Значения показателя равномерности напряженного (а) и деформированного (б) состояний в поперечных сечениях проволоки при различных режимах обработки
Для осуществления кручения проволоки при волочении было предложено образовать петлю, к которой будет прилагаться крутящий момент.
Технически это может быть осуществлено с помощью роликов, вращающихся вокруг оси волочения. При такой схеме на проволоку наряду с волочением и кручением будет дополнительно накладываться деформация изгиба. Схема моделируемого процесса представлена на рис. 2.
Рис. 2. Схема моделируемой комбинированной обработки
проволоки
Опустив математические преобразования, получили следующую формулу расчета накопленной деформации, которая учитывает изменение диаметра проволоки при волочении, кручении и знакопеременном изгибе:
4+П 12 +(^'/2)2 +11п +1п ¿к
¿1 10 I=1 Д ¿п+з
где ё0 и ё1 - диаметр проволоки до и после процесса, соответственно, мм; Б - диаметр ролика, мм; п - количество роликов; 10 - расстояние от волоки до скручивающего блока; ф - угол закручивания проволоки.
Делая допущение, что при кручении и знакопеременном изгибе на роликах одинакового диаметра диаметр проволоки не меняется, выражение для расчета суммарной деформации упрощается до следующего вида:
е = 1п-0- +1п——1—— + п ■ 1п-1 + 1п—^ . (4)
¿12 1о Д ¿22
Таким образом, накопленная деформация для моделируемого процесса составляет е = 0,1026 + 0,4398 + 4 • 0,1247 + 0,0714 = 1,1126 (соответствующие численные значения были взяты со спроектированной лабораторной установки). Утяшев Ф.З. в своих работах [7 - 9] отмечает, что процесс измельчения зерен (фрагментация) при холодной деформации начинается в металлах при степенях деформации е > 0,2...0,3. При е ~ 0,6...0,7 достигается высокая плотность дислокаций, что приводит к формированию фрагментированной структуры.
В результате проведенных металлографических исследований уста-
е
новлено, что при комбинированном воздействии на проволоку из стали марки Ст3 происходит уменьшение величины зерна на 9,48 % при обработке со скоростью кручения 70 об/мин и на 12,65 % при 180 об/мин относительно исходного состояния. Те же режимы обработки проволоки из стали марки 50 приводят к уменьшению величины зерна на 2,73 % и 13,66 % соответственно (рис. 3).
I . -
Исходное 70 об/мин 180 об/мин
состояние
Ст3 ■ Сталь 50 ■ Сталь 70
Рис. 3. Изменение размера зерна в проволоке после комбинированной деформационной обработки
Таким образом, на основании анализа напряженно-деформированного состояния при волочении, изгибе и скручивании показана возможность обеспечения деформаций сдвига в обрабатываемом металле при комбинировании деформаций растяжения, кручения и изгиба. На основе данного комбинирования был разработан способ получения ультрамелкозернистых полуфабрикатов волочением с кручением (патент № 2467816 RU. Способ получения ультрамелкозернистых полуфабрикатов волочением с кручением). Для реализации данного метода разработано устройство (патент на полезную модель № 130525 RU. Устройство для изготовления проволоки с ультрамелкозернистой структурой).
Работа выполнена в соответствии с госзаданием Министерства образования и науки Российской Федерации Магнитогорскому государственному техническому университету им. Г.И. Носова по теме «Разработка технологии получения высокопрочных длинномерных профилей из материалов с ультрамелкозернистой структурой в условиях комбинирования процессов интенсивного пластического деформирования».
Список литературы
1. Сидельников С.Б., Довженко Н.Н., Загиров Н.Н. Комбинированные и совмещенные методы обработки цветных металлов и сплавов. М.: МАКС Пресс, 2005. 344 с.
60
* 50
:>
пТ 40
х
о. 30
01
(О а 20
(1) 10
р
т
го О. 0
2. Недовизий И.Н., Петрухин С.И., Колмогоров А.Г. Совмещение процессов производства проволоки. М. : Металлургия, 1979. 224 с.
3. Конструирование совмещенных процессов в метизном производстве / Ю.Ф. Бахматов [и др.]. Магнитогорск, 1994. 92 с.
4. Полякова М.А., Гулин А.Е. Создание непрерывного метода деформационного наноструктурирования на основе совмещения операций // Журнал Сибирского федерального университета. Серия «Техника и технологии». Т. 5. № 6. 2012. С. 624 - 630.
5. Колмогоров В.Л. Механика обработки металлов давлением. Екатеринбург: Изд-во Уральского государственного технического университета, 2001. 836 с.
6. Особенности деформационной обработки высокопрочной арматуры для железобетонных шпал нового поколения /А.Г. Корчунов [и др.] // Вестник ЮУрГУ. № 36. 2011. С. 76 - 80.
7. Утяшев Ф.З. Связь между деформированным и структурным состоянием металла при интенсивной пластической деформации // Кузнечно-штамповочное производство. № 5. 2011. С. 33-39.
8. Утяшев Ф.З. Связь между деформированным и структурным состоянием металла при интенсивной пластической деформации (продолжение) // Кузнечно-штамповочное производство. № 6. 2011. С. 25-32.
9. Утяшев Ф.З. Связь между деформированным и структурным состоянием металла при интенсивной пластической деформации (окончание) // Кузнечно-штамповочное производство. № 7. 2011. С. 31-36.
Полякова Марина Андреевна, канд. техн. наук, доц., m.polyakova-64@mail.ru, Россия, Магнитогорск, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова,
Гулин Александр Евгеньевич, асп., waiter chel@mail.ru, Россия, Магнитогорск, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова
USING COMBINED PROCESSES OF PLASTIC DEFORMATION FOR OBTAINING THE ULTRA-FINE GRAINED STRUCTURE IN CARBON WIRE
M.A. Polyakova, A.E. Gulin
It is analyzed the possibility of combining different types of plastic deformation for designing the new method which permits to obtain the ultra-fine grained structure in carbon wire. The quantity analysis of stress-strain state uniformity was conducted. It was experimentally proved that using combined deformational processing by tension, compression, bending and twisting resulted in carbon wire structure refinement.
Key words: combined processes, plastic deformation, carbon wire, stress-strain
Polyakova Marina Andreevna, сandidate of technical sciences, docent, m.polyakova-64@mail.ru, Russia, Magnitogorsk, Magnitogorsk Nosov State Technical University,
Gulin Alexandr Evgenyevich, postgraduate, walter chel@mail.ru, Russia, Magnitogorsk, Magnitogorsk Nosov State Technical University
УДК 621.73.06-52
ОЦЕНКА СТЕПЕНИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЗАПАСА ПЛАСТИЧНОСТИ ТРУБНОЙ ЗАГОТОВКИ В ПРОЦЕССАХ ГИБКИ ПРОТАЛКИВАНИЕМ НА ТРУБОГИБОЧНОМ СТАНКЕ
В.Е. Харсеев
В программном комплексе ((¥огш 7 проведено математическое моделирование процессов гибки трубной заготовки на трубогибочном станке методом проталкивания по четырем различным схемам. На основании полученных результатов выполнен сравнительный анализ рассматриваемых схем с позиций накопления поврежденности при помощи линейного критерия В.Л. Колмогорова и нелинейного критерия В.А. Огородникова.
Ключевые слова: гибка, трубная заготовка, математическое моделирование, разрушение, степень использования запаса пластичности.
При создании современной ракетно-космической и авиационной техники к деталям трубопроводов за частую предъявляются повышенные физико-механические требования, вызванные особенностями их условий работы, в связи с чем, при их изготовлении все большее применение находят высоколегированные труднодеформируемые металлы. В случае применения данных металлов, вследствие пониженной пластичности, при проектировании процессов гибки труб необходимо основываться не только на прогнозировании потери устойчивости, но и на возможности разрушения в результате исчерпания ресурса пластичности.
Целью работы является исследование влияния траектории перемещения гибочного ролика на этапе подгиба на использование ресурса пластичности материала заготовки в процессах гибки труб по схеме проталкиванием на трубогибочном станке по средствам математического моделирования.
Расчет степени использования запаса пластичности проводился по методике изложенной в работе [6] и сводящейся к следующему алгоритму:
