CC BY
16О.С.Железков, С.Б.Лизов, Б.С.Адамчук
ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И.Носова»
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВОЛОЧЕНИЯ ПРОВОЛОКИ ТРАПЕЦИЕВИДНОГО ПРОФИЛЯ В МОНОЛИТНОЙ ВОЛОКЕ
Аннотация. Выполнены теоретические и экспериментальные исследования процессса волочения в монолитной волоке проволоки трапециевидного профиля из заготовки круглого сечения. Рассматривался процесс формирования трапециевидного профиля №10 по ГОСТ 11850-72 из стали марки 40С2А из исходной заготовки диаметром 11+13 мм. При компьютерном моделировании процесса волочения использовался метод конечных элементов на базе программного комплекса «Deform-3D». Определены параметры напряженно-деформированного состояния и энергосиловые параметры. Построены графики зависимости усилия волочения от перемещения тянущего зажима. Проведена серия экспериментов, в которых использовались монолитная твердосплавная волока и универсальная испытательная машина модели ЭДЦ-20. Определялись максимальные усилия на установившемся этапе процесса волочения. Расхождение между теоретическими результатами и экспериментальными данными менее 10 %. Установлено, что при использовании исходной заготовки диаметром 11 мм и менее радиус скругления углов трапециевидного профиля превышает значения, регламентированное стандартом.
Ключевые слова: пружинные шайбы, проволока трапециевидного профиля, волочение, монолитная волока, метод конечных элементов, усилие волочения, радиус скругления углов профиля.
Проволока трапециевидного сечения используется в качестве исходной заготовки для последующего изготовления пружинных шайб методом навивки. Пружинные шайбы применяются для предотвращения самоотвинчивания резьбовых соединений в процессе эксплуатации. В частности, в конструкции верхнего строения железнодорожного пути для крепления рельсов к железобетонным шпалам используются двухвитковые пружинные шайбы.
Основные требования к проволоке трапециевидного профиля регламентированы ГОСТ 11850-72 «Проволока стальная для пружинных шайб». Форма и размеры поперечного сечения представлены на рис.1.
Ь
Рис. 1. Поперечное сечение трапециевидной профиля по ГОСТ 11850-72
Для изготовления проволоки трапециевидного профиля, в основном, применяются две технологии [1]:
- волочением в монолитной волоке (рис.2а);
- волочение в четырехроликовой волоке (рис. 2б).
Рис. 2. Схемы процессов волочения проволоки трапецеидального профиля: а - в монолитной волоке; б - в четырехроликовой волоке
Проволока трапециевидного сечения в условиях ОАО «ММК-МЕТИЗ» изготавливается на однократных волочильных станах барабанного типа с использованием четырех -роликовых волок. Недостаток технологии: сложность конструкции и настройки волок, а также сравнительно низкое качество получаемой проволоки по точности геометрических параметров сечения и качеству поверхности. Устранить вышеотмеченные недостатки позволяет применение операции волочения в монолитной волоке. Однако при волочении в монолитной волоке возрастают усилия волочения, которые существенно зависят от механических свойств и диаметра исходной заготовки, условий трения и т.п.
Цель работы - теоретические и экспериментальные исследования процесса волочения в монолитной волоке трапециевидного профиля из заготовки круглого сечения.
Рассматривался процесс волочения проволоки трапециевидного профиля №10 по
ГОСТ 11850-72 из стали 40С2А в монолитной волоке. Размеры профиля: Ь = 10_о 12 мм ,
^ = 10, 75_0'02 мм, И = 9-0' 02 мм, радиус скругления углов профиля Г не более
1,50 мм (см. рис.1). При этом варьировался диаметр исходной круглой заготовки в диапазоне 11^13 мм и оценивалось качество проволоки по радиусу Г скругления углов.
При компьютерном моделировании процесса волочение проволоки трапециевидого профиля использовали метод конечных элементов [2] на базе программного комплекса «ВЕБОКМ-ЗВ». Приняты следующие допущения: материал заготовки изотропный, пластический; процесс является изотермическим; заготовка не имеет внутренних и внешних дефектов; условие пластичности по Губеру-Мизесу; силы внешнего трения учитываются применением закона трения Амонтона-Кулона; эволюция микроструктуры не учитывается; все объекты, кроме заготовки, абсолютно жесткие. Реологические свойства стали марки 40С2А задавались по данным, изложенным в работе [3].
На основании смоделированных процессов волочения получена информация об энергосиловых параметрах и напряженно-деформированном состоянии в очаге деформации. В частности, на рис. 3 показаны поля интенсивности напряжений в очаге деформации при волочении в монолитной волоке.
По результатам выполненных расчетов получены графики зависимости усилия Р волочения от перемещения И тянущего зажима при формировании профиля №10 по ГОСТ 11850-72 из заготовок круглого сечения диаметром 12 мм и 13 мм (рис. 4). Процесс волочения включает два этапа. Первый этап характеризуется ростом усилия волочения при заполнении рабочего канала волоки металлом заготовки. На втором этапе - усилия волочения практически не изменяются (установившийся процесс). Особо следует отметить, что при
б
а
использовании исходной заготовки диаметром 11 мм радиус Г скругления углов превышает значения 1,50 мм, регламентированное стандартом (ГОСТ 11850-72).
Рис. 3. Поля интенсивности напряжений в очаге деформации
Рис. 4. Зависимость усилия волочения Р трапециевидного профиля №10 по ГОСТ 11850-72 из круглой заготовки диаметром d от перемещения тянущего зажима И
Для проверки адекватности результатов моделирования проведена серия экспериментов, в которых использовались монолитная твердосплавная волока конструкции фирмы ООО «ТехноВАК» (г. Череповец) и универсальная испытательная машина модели ЭДЦ-20 («Завод испытательных машин», г. Лейпциг, Германия). Исходные заготовки (сталь 40С2А) круглого поперечного сечения (диаметр 11, 12 и 13 мм) с заостренным концом пропускалась через волоку, установленную на верхнюю подвижную траверсу испытательной машины, и жестко закреплялись в зажимах нижней неподвижной траверсы. Подвижной траверсе сообщалось движение вверх, и осуществлялся процесс волочения. В ходе экспериментов осуществлялось калибрование 5-ти образцов каждого исходного диаметра. При этом фиксировались максимальные значения усилий на установившемся этапе процесса волочения. Результаты теоретических и экспериментальных исследований по определению максимальных усилий формирования трапециевидного профиля волочением в монолитной волке при использовании исходной заготовки диаметром 11, 12 и 13 мм представлены в таблице.
Анализ результатов компьютерного моделирования и данных, полученных при проведении эксперимента, показал, что расхождение между усилием волочения, полученным при испытаниях и при моделировании составило менее 10%, что позволяет сделать вывод о достоверности теоретических результатов.
Таблица
Усилия волочения трапециевидного профиля №10 по ГОСТ 11850-72
Диаметр заготовки, мм Усилие волочения, кН Погрешность, %
Расчетное Экспериментальное
11 38,8 41,2 6,18
12 43,5 47,1 8,27
13 61,5 65,4 6,34
Выводы
1. Используя метод конечных элементов на базе программного комплекса «DEFORM-3D», выполнены расчеты процесса волочения трапециевидного профиля в монолитной волоке. Определены основные параметры напряженно-деформированного состояния и энергосиловые параметры. По результатам расчетов построены графики изменения усилий волочения в процессе деформирования круглых заготовок из стали 40С2А.
2. Используя монолитную твердосплавную волоку и универсальную испытательную машину модели ЭДЦ-20, проведены эксперименты по волочению трапециевидного профиля. Сопоставление экспериментальных данных с результатами теоретических исследований показало хорошее совпадение (погрешность менее 10%).
3. Установлено, что при использовании исходной заготовки диаметром 11,0 мм и менее радиус скругления углов сформированного трапециевидного профиля превышает значения, регламентированные стандартом.
Библиографический список
1. Перлин И.Л., Ерманок М.З. Теория волочения. М.: Металлургия, 1971. 447 с.
2. Г.Стренг, Дж.Фикс. Теория метода конечных элементов / Пер. с англ. под общ. ред. Г.И.Марчука. М.: Мир, 1977. 342 с.
3. Третьяков А.В., Зюзин В.И. Механические свойства металлов и сплавов при обработке давлением. Справочник. М.: Металлургия, 1973. 122 с.
•- INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH -•
O.S.Zhelezkov, S.B.Lizov, B.S.Adamchuk
Nosov Magnitogorsk State Technical University
RESEARCH OF THE DRAWING PROCESS IN A MONOLITHIC WIRE OF A TRAPEZOIDAL PROFILE
Abstract. Theoretical and experimental research of the drawing process in a monolithic wire of a trapezoidal profile from a round-section billet were performed. The process offorming a trapezoidal profile №10 according to GOST11850-72from steel of the 40C2A brandfrom the initial billet with a diameter of 11-13 mm was considered. The computer simulation of the drawing process used the finite element method based on the software package «Deform-3D». The parameters of the stress-strain state and energy-power parameters are determined. Graphs of the dependence of the drawing force on the movement of the pulling clamp are constructed. A series of experiments were carried out using a monolithic solid-alloy lug and a universal testing machine of the EDC-20 model. The maximum effort was determined at the established stage of the drawing process. The discrepancy between theoretical results and experimental data is less than 10%. It was found that when using the initial blank with a diameter of 11 mm or less, the radius of rounding the corners of the trapezoid profile exceeds the values regulated by the standard.
Keywords: spring washers, trapezoidal wire, drawing, monolithic drawing, finite element method, drawing force, radius of rounding of profile corners.
