CC BY
47
196
мм м г: готштиш
3 (67), 2012-
Investigation by numerical modeling of influence of the form of deforming zone of die at drawing of steel highcarbon wire on temperature and strained-deformed state in wire and die is carried out.
Ю. Л. БОБАРИКИН, М. Н. ВЕРЕщАГИН, М Ю. ЦЕЛуЕВ, ГГТу им. П. О. Сухого, А. В. ВЕДЕНЕЕВ, О. И. ИГНАТЕНКО, ОАО «БМЗ»
УДК 669.
исследование численным моделированием влияния формы деформирующей зоны волоки при волочении стальной высокоуглеродистой проволоки на температурное и напряженно-деформированное состояние в проволоке и волоке
Основная деформация проволоки при ее волочении осуществляется в рабочей или деформирующей зоне волоки, представляющей собой сужающийся канал по ходу движения проволоки. Форма продольного профиля деформирующей зоны волоки в значительной степени определяет качество получаемой проволоки, стойкость волок, энергосиловые параметры процесса волочения. Известны несколько видов форм деформирующей зоны волоки [1]: коническая, радиальная (выпуклая), вогнутая и сигмоидальная. В большинстве случаев оптимальную геометрию этой формы определяют на основе производственного опыта с учетом возможностей обработки и переработки канала волоки. В современном волочильном производстве наиболее распространена коническая форма как самая оптимальная для обработки шлифовкой. Основные геометрические параметры конической формы деформирующей зоны волоки определяют опытным путем. Реже применяется радиальная форма деформирующей зоны волоки.
Продолжаются изучение и анализ других форм деформирующих зон волок [2]. Это связано с высоким влиянием формы деформирующей зоны волоки практически на все основные показатели волочения. Также появляются новые современные возможности в области механической обработки канала волоки, что расширяет область практического изготовления более сложных форм каналов волок.
В исследованиях [1] приводятся достаточно противоречивые сведения о влиянии формы де-
формирующей зоны волоки на напряжение волочения проволоки. Проведен анализ результатов исследования конической, радиальной и сигмои-дальной форм деформирующих зон волок. Для радиальных и сигмоидальных зон приводятся доказательства как наличия преимуществ, так и их отсутствия относительно конических деформирующих зон. Выводы в этой работе построены на аналитических и экспериментальных исследованиях напряжения волочения и технической возможности обработки канала волоки.
В работе [2] приведены результаты экспериментальных исследований волочения стальной высокоуглеродистой проволоки через волоки с сиг-моидальной, вогнутой, выпуклой и конической формами деформирующей зоны волоки. Оценивались пластические свойства проволоки после волочения испытанием на кручение, определялась величина поверхностных остаточных напряжений на проволоке, качество поверхности проволоки, равномерность распределения микротвердости по поперечному сечению проволоки. Сделан вывод о преимуществе сигмоидальной и вогнутой форм деформирующей зоны волоки исходя из сравнения результатов исследований свойств проволоки после волочения.
Основной задачей этой работы являлось продолжение исследований в указанном выше направлении с помощью средств численного моделирования методом конечных элементов с целью определения преимуществ различных форм деформирующих зон волок. В качестве критериев
Рис. 1. Эскиз волоки с радиальной деформирующей зоной
оценки была принята максимальная температура в проволоке, максимальные значения интенсивности упругих деформаций в волоке, максимальные значения интенсивности напряжений в волоке. Принималось, что если форма рабочей зоны волоки обеспечивает минимальное значение максимальной температуры в проволоке, то она более предпочтительна относительно других форм, так как обеспечивает меньшее деформационное старение проволоки и лучшие пластические характеристики проволоки после волочения. Дополнительно принималось, что если форма рабочей зоны волоки обеспечивает минимальные значения максимальных величин интенсивности упругих деформаций и интенсивности упругих напряжений в волоке, обычно действующих в области контакта волоки с проволокой, то эта форма более предпочтительна относительно других форм, так как обеспечивает меньшую нагрузку на волоку и, как следствие, ее большую стойкость.
Для численных исследований использовали исходные данные, приведенные в [3], где изучалось волочение проволоки из стали 90 через твердосплавную волоку с конической рабочей зоной. Дополнительно для моделирования в исходных данных были приняты волоки с радиальной (рис. 1), сигмоидальной (рис. 2) формой рабочей зоны и волока. Волока с вогнутой формой рабочей зоны не рассматривалась, так как среди других форм она имеет склонность к самому значительному износу участка волоки на границе деформирующей и калибрующей зон волоки. Также моделировали волочение проволоки через волоку с радиально-конической деформирующей зоной (рис. 3), представляющей собой комбинацию радиального и конического участка деформирующей зоны волоки. Радиальный участок сопряжен с калибрующей зоной волоки. Такая форма дефор-
/лтттггн г: къштрт 1т
-3 (67), 2012 / ШчМИ
мирующей зоны может быть получена на традиционном оборудовании для обработки каналов волок.
Для получения сравнительной характеристики распределения ТП (температурных полей) и НДС (напряженно-деформированного состояния) в проволоке и волоке было проведено численное моделирование волочения проволоки через волоки с различной формой деформирующих зон.
В результате для разных форм деформирующих зон волок вычислены распределения ТП и НДС в волоке и проволоке. При определении максимальных значений интенсивности упругих деформаций в волоке е,, максимальных значений интенсивности напряжений в волоке а,, максимальных температур в проволоке Ттах получены следующие результаты для различных вариантов волок:
1) волока с радиальной деформирующей зоной при R = 5,5 мм, k = 0,4: Ттах = 308 °С (рис. 4); е, = 8,856 10-3 (рис. 5); аг = 6762 МПа (рис. 6);
Рис. 2. Эскиз волоки с сигмоидальной деформирующей зоной
2) волока с радиальной деформирующей зоной при R = 0,6 мм, k = 0,2: Ттах = 280 °С; е, = 9,969 10-3; аг = 7209 МПа;
3) волока с радиальной деформирующей зоной при R = 2,5 мм, k = 0,2: Ттах = 303,8 °С (рис. 7); е, = 7,78110-3 (рис. 8); аг = 6037 МПа (рис. 9);
Рис. 3. Эскиз волоки с радиально-конической деформирующей зоной
198/а.
пм г: ГОТШЖ1 гггт
(67), 2012-
Рис. 4. Температурное поле при волочении проволоки через волоку с радиальной деформирующей зоной (к = 0,4; R = 5,5 мм; / = 0,02)
шявавпвг
ййг ■■■■
[¡зам
«I
зиИИИ
1Н1
«■I
■■I ■■I
■5! !■■■■■
■I
Рис. 5. Поле интенсивности упругих деформаций ei при волочении проволоки через волоку с радиальной деформирующей зоной (k = 0,4; R = 5,5 мм; / = 0,02)
_____——
тяяяяш~-шг (
Рис. 6. Поле интенсивности напряжений ст7, МПа, при волочении проволоки через волоку с радиальной деформирующей зоной (к = 0,4; R = 5,5 мм; / = 0,02)
Рис. 7. Температурное поле при волочении проволоки через волоку с радиальной деформирующей зоной (к = 0,2; R = 2,5 мм; /= 0,02)
Рис. 8. Поле интенсивности упругих деформаций gi при волочении проволоки через волоку с радиальной деформирующей зоной (к = 0,2; R = 2,5 мм; / = 0,02)
Ат
в: ли
ЛШЯТ
яяяя
■■■■■■■■■■■■■■
Рис. 9. Поле интенсивности напряжений ст7, МПа, при волочении проволоки через волоку с радиальной деформирующей зоной (к = 0,2; R = 2,5 мм; / = 0,02)
лгтгтгг; г : ttmnrwwïiï /iqq
-3 (67), 2012/ IVV
КУваМ iliwjües
Il 'àtiidIHI il »■■■■■ II illÉHHi 1 »»ЧИИИЯ
Il ■■■■■■■■■■■■■■
il ШННННММН
Рис. 10. Температурное поле при волочении проволоки через волоку с сигмоидальной деформирующей зоной (к = 0,4; / = 0,02)
Рис. 11. Поле интенсивности упругих деформаций е , при волочении проволоки через волоку с сигмоидальной деформирующей зоной (к = 0,4; / = 0,02)
'ЧИРИР——■
I ишын
Рис. 12. Поле интенсивности напряжений а1 в МПа при волочении проволоки через волоку с сигмоидальной деформирующей зоной (к = 0,4; / = 0,02)
Рис. 13. Температурное поле при волочении проволоки через волоку с конической деформирующей зоной (к = 0,2;
аопт = 11,2 / = 0,02)
4) волока с радиальной деформирующей зоной при R = 2,5 мм, k = 0,4: Tmax = 321 °С; s, = 7,8710-3; а, = 6104 МПа;
5) волока с сигмоидальной деформирующей зоной (см. рис. 2): Tmax = 294 °С (рис. 10); s, = 9,737 10-3 (рис. 11); а, = 7243 МПа (рис. 12);
6) волока с радиально-конической деформирующей зоной (см. рис. 3) при R = 1 мм; a = 11°; k = 0,2: Tmax = 275,1 °С; s, = 9,053 10-3; а, = 6888 МПа;
7) волока с конической деформирующей зоной с параметрами a = 11°, k = 0,2: Tmax = 269 °С (рис. 13), s, = 1,050 10-2 (рис. 14), а, = 7,680 103 МПа (рис. 15).
Анализ полученных данных показывает, что исследованные волоки вариантов 1-6 с неконическими деформирующими зонами существенно не изменяют максимальную температуру в проволо-
ке по сравнению с волокой варианта 7, имеющей коническую деформирующую зону. Однако волоки вариантов 1-6 позволяют значительно снизить максимальные нагрузки в волоке. Например, при моделировании волочения проволоки через волоку с радиальной деформирующей зоной варианта 3 максимальная величина а, составила 6037 МПа, а максимальная величина е, - 7,78110-3 . При волочении через волоку варианта 7 с конической деформирующей зоной эти величины соответственно равны 7680 МПа и 1,050 10-2. Снижение упругого напряженно-деформированного состояния волоки наблюдается во всех волоках с неконическими элементами в форме деформирующих зон волок.
На основании проведенного численного моделирования температурных полей и напряженно-
200/
дитмиг^шити
3 (67), 2012-
Рис. 14. Поле интенсивности упругих деформаций при волочении проволоки через волоку с конической деформирующей зоной (к = 0,2; аопт = 11,2 °; /= 0,02)
деформированного состояния в проволоке и волоке при волочении стальной высокоуглеродистой проволоки через волоки с различной формой деформирующих зон можно сделать вывод о том, что волочение проволоки в волоках с радиальными элементами деформирующих зон существенно
Рис. 15. Поле интенсивности напряжений при волочении проволоки через волоку с конической деформирующей зоной (к = 0,2; аопт = 11,2 °; / = 0,02)
не изменяет температуру в проволоке, но разгружает волоки и этим повышает их стойкость. В качестве рекомендации может быть предложено практическое испытание волок с геометрией, аналогичной волоке (см. рис. 3) с радиально-коничес-кой деформирующей зоной.
Литература
1. П е р л и н И. Л., Е р м а н о к И. З. Теория волочения. М.: Металлургия, 1971.
2. B a г t l o m I e j P I k o s, J a n W. P I l a r c z y k, B o g d a n G o l I s, R a f a l W l u d z I k and J a n K r n a c Z e l e -z a г n y. Effect of drawing in sigmoidal, concave, convex and conical dies on mechanical properties of high carbon steel wires. Conference Proceedings of The Wire Association. International, Inc. Sponsored by Niehoff. International Wire & Cable Conference, Bologna, Italy, November 2007. P. 216-227.
3. В е р е щ а г и н М. Н., Б о б а р и к и н Ю. Л., Ц е л у е в М. Ю., В е д е н е е в А. В., И г н а т е н к о О. И. Численное моделирование и исследование влияния контактного трения на распределение температурных полей и напряженно-деформированное состояние в стальной проволоке при высокоскоростном волочении // Литье и металлургия. 2009. № 4. С. 126-129.
