CC BY
37
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
УДК 621.778
А.Г. Корчунов, К.Г. Пивоварова, В.Н. Лебедев, В.Е. Семенов, Е.А. Слабожанкин
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАЛЫХ ПЛАСТИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ ФОРМИРОВАНИЯ КАЧЕСТВА МЕТИЗНЫХ ИЗДЕЛИЙ*
В современном метизном производстве многие технологические процессы базируются на применении малых пластических деформаций. Малые пластические деформации в пределах от 2,0 до 15% используются как на операциях формоизменения , так и на этапах отделочной или упроч -няющей обработки с целью окончательного формирования необходимых механических свойств, точности геометрических размеров и качества поверхности изделий, изменения знака и величины остаточных напряжений от предшествующей об -работки, повышения релаксационной, цикличе-ской и коррозионной стойкости (см. рисунок).
Малые пластические деформации применяют в технологических процессах производства калиб-рованной стали простой и фасонной формы, арматурной проволоки периодического профиля для армирования железобетонных конструкций, пружинных клемм для железнодорожных рельсовых скреплений, пластически обжатых канатов, стабилизированной высокопрочной проволоки, крепежных и других видов изделий. Характерной особенностью при этом является холодная обработка малыми пластическими деформациями заготовки больших сечений с различным исходным структурным состоянием, сопровождающаяся значительным изменением основных механических свойств металла. Исходная заготовка может быть горячекатаной, холоднодеформированной, пред -варительно подвергнутой различным видам термического воздействия, а в ряде случаев и поверхностной механической обработке.
Комплексное изучение особенностей влияния малых пластических деформаций на формирование потребительских свойств метизных изделий и определение на этой основе эффективных управляющих воздействий на объект обработки, обеспечивающих получение требуемого качества продукции и стабильность технологических про-
* Работа выполнена при финансовой поддержке Министер-ства образования и науки РФ.
цессов, является одной из актуальных задач метизной отрасли.
В настоящей работе приводятся некоторые результаты исследований формирования качества метизных изделий малыми пластическими деформациями на примере технологических процессов производства калиброванной стали и железнодорожных пружинных клемм.
В технологических процессах производства калиброванной стали малые пластические деформации используются на операциях окончательного формоизменения при калибровании металла в бунтах, либо совместно с последующими отделочными операциями правки или правки - полирования при выпуске холоднотянутых прутков.
Калибрование представляет одну из разновид -ностей процесса однократного холодного волоче-ния исходного подката с небольшими обжатиями в коническом очаге деформации с целью придания высокой точности размеров и повышения качества поверхности профиля. Наряду с достижением этих двух важных показателей качества необходимо обеспечить при калибровании требуемый ком -плекс механических свойств продукции. Процесс характеризуется неравномерностью пластического течения поверхностных и центральных слоев ме-талла в очаге деформации, что определяет особенности распределения деформаций и напряжений по сечению обрабатываемых профилей [1]. При некотором сочетании технологических параметров это приводит к возникновению неблагоприятного напряженного состояния в очаге де-формации с преобладанием напряжений растяже-ния. Такое напряженное состояние в зависимости от механических свойств материала, его структуры, степени деформации при калибровании и па -раметров рабочего инструмента может привести к снижению сопротивления металла к разрушению, понижению твердости во внутренней области из -делия и явлению «разрыхления» [2]. Возникающая при этом схема распределения остаточных напря-жений по сечению изделия приводит к искривле-
нию профиля в продольном направлении и требу -ет для обеспечения прямолинейности калиброванной стали выполнения дополнительной отделоч-ной операции - правки. При калибровании волока испытывает большие распорные усилия и упруго деформируется, а диаметр получаемого металла становится отличным от диаметра волоки в нена-груженном состоянии. После снятия нагрузки это приводит к упругому последействию и некоторому увеличению размеров профиля в радиальном направлении. Совместное действие указанных факторов обусловливает отличие размера профиля после калибрования от размера калибрующей зоны волоки. Процесс калибрования обладает рядом положительных особенностей. Высокая жесткость и степень отделки поверхности рабочего инструмента, значительные давления на поверхности контакта, длительное время пребывания элементарного объема металла в очаге деформации, а также локализация деформации в периферийных слоях способствуют значительному формоизмене-нию исходного микрорельефа поверхности заготовки. Это приводит к тому, что при калибровании даже за одну протяжку достигается высокое качество поверхности.
Изучали вопросы формирования качества поверхности и точности размеров калиброванной стали при волочении в монолитной волоке в об -ласти пластических деформаций от 5 до 15%. Экс -перименты проводились в калибровочном цехе ОАО «ММК-МЕТИЗ» на промышленных партиях углеродистых и легированных сталей марок 10, 20, 35, 45, 20Г2Р, 40Х, 40С2А, АС14. Дга оценки качества поверхности калиброванной стали исполь -зовали высотный параметр шероховатости Ей.
Измерения параметра шероховатости Ra в продольном и поперечном направлениях выполняли на образщх калиброванной стали по методике ГОСТ 2789 на профилометре PGN-1(Mahr GmbH, Германия). При исследовании формирования точ-ности размеров профиля величину упругого последействия определяли как разницу между диаметром калибрующей зоны волоки, размер которой после отделки контролировали шаблонами с точностью до 0,01 мм, и диаметром получаемой калиброванной стали, который измеряли микрометром МК 0-25 по ГОСТ 6507.
Дга обработки результатов экспериментов использовали пакет программ «Statistica» и «Mathcad Professional».
В результате получили статистические модели, описывающие изменение высотного параметра шероховатости Ra калиброванной стали в зависимости от технологических факторов процесса ка -либрования и параметров исходной заготовки:
в продольном направлении
d0
d1
Ra,v = 1,63 -1,27 d° + 0,28
Ra
0np
-0,01a- 0,23
(1)
в поперечном направлении
= 4,11 - 2,41 <d° + 0,23
RC0non
-0,058a- 0,98
d
d
(2)
Малые пластические деформации в метизном производстве
Операции Отделочные Упрочняющие
формоизменения операции операции
5-15%
2-5%
3-7%
2-5%
Калибрование профилей простой и фасонной формы Нанесение периодического профиля на арматуру Обкатка сортовой стали Правка — полирование холоднотянутых прутков Механоцик- лическая обработка проволоки Дробе- струйная обработка Вытяжка канатов Осадка пружин- ных клемм
Степень холодной пластической деформации
Процессы с использованием малых пластических деформаций в метизном производстве
где Ей„р/Ей0пр и Еапоп/Ей0поп - критерии, характеризующие изменение параметра Яа в продоль-ном и поперечном направлениях соответственно; 40/4 - критерий, характеризующий степень деформации при калибровании; ав/ав0 - критерий, характеризующий упрочнение стали при калибро-вании; а - критерий, характеризующий угол рабочего каналаволоки; 1гп/4х - критерий, характеризующий форму калибрующей зоны волоки.
Анализ зависимостей (1) и (2) показал, что при калибровании изменение параметра шероховатости поверхности стали Яа в поперечном направлении происходит в меньшей степени, чем в продольном. Угол рабочего канала волоки и сте-пень деформации оказывают большее влияние на поперечный микропрофиль поверхности стали, чем на продольный. Упрочнение металла в процессе деформации одинаково воздействует на изменение высотного параметра шероховатости поверхности калиброванной стали как в продольном , так и в поперечном направлениях. Анизотропия шероховатости поверхности калиброванной стали Еапр/Еапоп < 1, т.е. характерна направленность микрорельефа преимущественно вдоль оси калибрования.
Зависимость диаметра калибрующей зоны волоки от номинального диаметра и содержания углерода в стали с учетом величины упругого последействия и предельного отклонения размеров профиля по квалитету И11 по ГОСТ 7417 выглядит следующим образом:
4вол = 0,9962 • 41 + 0,0483 • С - 0,097, (3)
где 4 - номинальный диаметр калиброванной стали; С - содержание углерода в стали, %.
На базе зависимости (3) разработана таблица для экспресс-определения диаметра калибрующей зоны волок по заданному диаметру калиб-рованной стали, изготавливаемого из углеродистых марок сталей.
Статистические модели (1)-(3) служат основой для определения результативных режимов процесса калибрования, обеспечивающих достижение требуемого уровня качества поверхности и точности размеров профиля.
Другим направлением исследований явилось изучение возможностей расширения роли малых пластических деформаций в формировании каче -ства пружинных клемм ОП105 из кремнистой стали 40С2. Пружинная клемма спроектирована с не -большим запасом прочности, и проблема повыше -ния ресурса ее работоспособности без изменения
конструкции и перехода на дорогостоящие марки стали особенно актуальна. В настоящее время малые пластические деформации в производстве клемм используются при окончательном контроле их качества при сдаточных испытаниях. Процесс осуществляется путем холодной осадки петли клеммы регламентированным усилием на стенде специальной конструкции. В результате упроч-няющего эффекта [3] стабилизируются геометрические размеры клемм, выявляется брак по термообработке , повышается несущая способность изде-лий. Особенность эксплуатации пружинных клемм заключаются в том, что наиболее нагруженными являются их поверхностные слои. Напряжения кручения и изгиба, действующие в поверхностных слоях и принимающие наибольшие значения в местах технологических перегибов клемм, могут при неудовлетворительном качестве поверхности приводить к их излому и выходу из строя.
В технологии производства пружинных клемм качество их поверхности формируется в результате взаимодействия различных методов термического, механического и деформационного воздействия на металл. Наиболее значительно поверхность видоизменяется на операции резцо-вой обточки, цель которой заключается в удалении дефектов поверхности исходного подката металлургического происхождения и обезугле-роженного слоя после структурного отжига. Последующие операции формоизменения предусматривают холодную пластическую деформацию обточенной прутковой заготовки путем из -гиба при малых значениях относ ительных радиу-сов гибки. При этом наружные слои прутка получают значительную пластическую деформацию растяжения. В этих условиях образовавшиеся в процессе резания микронеровности являются неблагоприятными концентраторами напря-жений и могут инициировать развитие дефектов поверхности, которые усугубляются на стадии выполнения закалочных операций и выявляются только при контрольных испытаниях или в про -цессе эксплуатации клемм.
Решение этой проблемы возможно за счет обработки поверхности обточенной стали малыми пластическими деформациями путем продольной обкатки. Выполненные исследования [4] показали, что обкатка обточенной стали позволяет существенно повысить качество ее поверхности. Применительно к действующей в ОАО «ММК-МЕТИЗ» технологии производства пружинных клемм наиболее рациональным вариантом реализации этого способа является совмещение операций обкатки и правки обточенной стали на вспомогательном оборудовании холодногибочного автомата. В раз-
витии этого направления необходимо провести исследования по определению параметров калиб -ровок правильно-задающих валков и степени их отделки, а также деформационных режимов обра-ботки, обеспечивающих повышение качества по -верхности обточенной стали перед выполнением операций холодной гибки.
Важным фактором повышения качества пружинных клемм после выполнения термоупроч-
няющих операций может стать финишная дробе-струйная обработка. Такая обработка приводит к уничтожению упругих деформаций растяжения термического происхождения в поверхностных слоях клемм и формированию в последних благоприятных сжимающих остаточных напряже-ний. Это позволит повысить циклическую и кор -розионную стойкость клемм, продлить срок их эксплуатации.
Библиографический список
1. Перлин И.Л., Ерманок М.З. Теория волочения М.: Металлургия, 1971.
2. Аркулис Г.Э., Копыловский Х.И. Влияние условий волочения на образование трещин в проволоке // Сталь. 1970. № 3.
3. Шалин В.Н. Расчет упрочнения изделий при их пластическойдеформации. М.: Машиностроение. 1971.
4. Влияние способа обработки на состояние поверхности калиброванного металла / Корчунов А.Г., Чукин В.В., Пивоварова К.Г. и др. // Вестник МГТУ. 2003. № 3.
УДК 621.771
В.Н. Дерманский, Н.В. Хмелевцов, Г.А.Куницын, Р.В. Файзулина, О.Н.Молева, ДВ.Соханчук
ВНЕДРЕНИЕ И ОСВОЕНИЕ ПРИБОРОВ ИЗМЕРЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОГО ОБЖАТИЯ ПОЛОСЫ НА ДРЕССИРОВОЧНЫХ СТАНАХ 1200 ЛПЦ-3 ОАО «ММК»
На дрессировочных станах листопрокатного цеха № 3 ОАО «ММК» внедрена система автоматического измерения вытяжки полосы (СА-ИВП «Вытяжка»). Определение вытяжки (относительного удлинения) основано на частотном методе измерения скорости прокатываемой полосы до и после обжатия. Метод состоит в том, что разница в пройденном полосой пути за одинаковый интервал времени до и после обжатия равна величине удлинения полосы и прямо пропорциональна разности частот вращения роликов, стоящих перед первой и после второй кле -тей стана. Частота вращения роликов снимается датчиками световых импульсов. Полученные датчиками импульсы обрабатываются на специально разработанном аппаратно-программном комплексе решений. Величина удлинения полосы в процессе дрессировки рассчитывается через разницу в частоте вращения роликов.
Согласно структурной схеме (рис. 1) датчики импульсов установлены в машинном зале на нижних выходных и верхних входных S-образных роликах.
При вращении роликов импульсы, создаваемые датчиками, поступают на пульт системы. Внутри пульта расположены три модуля ADAM, соединенные между собой по схеме, указанной на рис. 2.
Импульсы поступают в модуль ADAM 4080D, имеющий два канала. Значения импульсов считы-ваются коммуникационным модулем ADAM 4500 с интервалом в одну секунду, совместимым с персональным компьютером. Модуль обрабатывает полученные значения по заложенному алгоритму.
2-клетевой дрессировочный стан
Моталка
Разматыватель
сцг
Пульт
САИВП
Датчик импульсов ДИФ5М
Пульт вальцовщика 2-й клети
Маш. зал
Датчик импульсов ДИФ5М
Рис. 1. Структурная схема расположения датчиков импульсов ДИФ5М
