CC BY
108
необходимое на раздачу профильного перекрывателя а значит и существенно снизить время, затрачиваемое на ремонт.
УДК 621.771.011
ИЗУЧЕНИЕ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ МЕТАЛЛА ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ПРОВОЛОКИ РАЗЛИЧНЫМИ СПОСОБАМИ ОМД
Харитонов В.А., Таранин И.В.
ФГБОУВПО «Магнитогорский государственный техническийуниверситет им. Г.И. Носова»
Область применения того или иного способа обработки металлов давлением (ОМД) определяется его характеристиками, которые позволяют получать продукцию требуемого качества с минимально возможными затратами с учетом текущего уровня развития техники и технологий в целом. Применительно к технологическому процессу производства стальной проволоки наибольшее распространение, ввиду относительной простоты инструмента и оборудования, получил процесс волочения в монолитных волоках. К альтернативным способам ОМД, позволяющим получать длинномерные изделия холодной деформацией, относят протяжку (волочение в роликовых волоках), а также прокатку в двух- или многовалковых калибрах. Все эти способы относительно друг друга имеют преимущества и недостатки [1-3].
Одним из основных показателей эффективности и конкурентного преимущества того или иного способа ОМД является схема напряженного состояния, которая определяет технологическую деформируемость (разрушение) металла в процессе деформации или дальнейшей эксплуатации [3]. В настоящее время систематизированных исследований, направленных на изучение напряженного состояния металла при деформировании вышеперечисленными способами недостаточно. Процессы волочения и прокатки теоретически хорошо изучены, с точки зрения механики процесса и деформированного состояния металла. Оценка напряженного состояния металла при проектировании новых технологических процессов осуществляется с помощью аналитических формул [4, 5] и эмпирических коэффициентов. С развитием систем компьютерного моделирования, работающих на основе метода конечных элементов (программные комплексы DEFORM, ABAQUS, ANSYS, Q-FORM и др.), появились возможности для теоретического исследования всевозможных вариантов деформирования металла с минимальными трудозатратами. Оценить, как влияет способ подвода энергии в очаг деформации, форма инструмента и заготовки, структура очага деформации, контактные условия и другие факторы на напряженное состояние металла в процессе деформирования, можно с использованием прикладных программ, реализующих метод конечных элементов.
Целью данной работы является изучение напряженного состояния в очаге деформации и вероятности разрушения металла при производстве проволоки различными способами ОМД.
В качестве методики исследования использовался метод конечных элементов, реализованный в программном комплексе DEFORM-3D. При постановке моделируемых задач были приняты стандартные для DEFORM-3D допущения: рабочий инструмент рассматривался как абсолютно жесткое тело с постоянной температурой; прокатываемый материал считали однородным, изотропным; деформируемая среда - вязкопластическая; начальная температура заготовки - равномерная по сечению.
Моделировались задачи деформирования круглого профиля диаметром 16 мм за 2 прохода с суммарной вытяжкой 1,51-1,75. При этом рассматривались различные способы ОМД: волочение в монолитной волоке, протяжка в роликовых волоках, прокатка в двух- и
многовалковых калибрах в различных вариантах исполнения. Исходные условия моделирования рассматриваемых процессов представлены ниже:
Для всех задач
Диаметр исходного профиля 16 мм
Начальная температура заготовки 20 °С
Материал заготовки (аналог стали 70) АШ-1070 Скорость прокатки/протяжки (1-Й/2-Й проход) 1/1,2 м/с Волочение в монолитной волоке
Полуугол волоки 5°
Коэффициент трения (по закону Кулона) 0,05
Коэффициент вытяжки (1-Й/2-Й проход) 1,21/1,25 Протяжка вроликовой волоке (схема «круг-квадрат-круг»)
Диаметр роликов 370 мм
Коэффициент трения (по закону Кулона) 0,08
Коэффициент вытяжки (1-Й/2-Й проход) 1,34/1,33
Прокатка в 4-хвалковом калибре (схема «круг-квадрат-круг») Диаметр валков 370 мм
Коэффициент трения (по закону Кулона) 0,10
Коэффициент вытяжки (1-Й/2-Й проход) 1,32/1,23
Прокатка в 4-хвалковом калибре (схема «круг-треф-круг») Диаметр валков 370 мм
Коэффициент трения (по закону Кулона) 0,10
Коэффициент вытяжки (1-Й/2-Й проход) 1,33/1,35
Прокатка в 2-хвалковом калибре (схема «круг-плоский овал-круг») Диаметр валков 370 мм
Коэффициент трения (по закону Кулона) 0,10
Коэффициент вытяжки (1-Й/2-Й проход) 1,24/1,44
Прокатка в 2-хвалковом калибре (схема «круг-плоский овал, скошенный на 30°-круг») Диаметр валков 370 мм
Коэффициент трения (по закону Кулона) 0,10
Коэффициент вытяжки (1-Й/2-Й проход) 1,24/1,44
По результатам моделирования анализировалось напряженное состояние в очаге деформации и внеконтакных зонах, а именно, распределение линейных напряжений (ох), действующих в продольном направлении очага деформации. Также выявлены объемы металла, наиболее подверженные разрушению. Разрушение оценивалось по значению показателя критерия разрушения Кокрофта-Латама:
В = ,
где 61 - интенсивность деформаций по Мизесу; а* - максимальное главное напряжение; -интенсивность напряжений по Мизесу.
По результатам моделирования установлено, что для всех рассмотренных процессов характерно неравномерное напряженное состояние и наличие продольных растягивающих напряжений, действующих в очаге деформации, во внеконтакных зонах и за пределами геометрического очага деформации (рис. 1).
Для процесса волочения в монолитной волоке характерно действие растягивающих напряжений в осевой части заготовки в очаге деформации (см. рис. 1, а, зона II), а также в поверхностном слое на входе и выходе из волоки (см. рис. 1, зоны I, III). Кроме того, растя-
гивающему воздействию полностью подвержен передний конец заготовки, к которому приложено тянущее усилие
Протяжка и прокатка в 4-хвалковых калибрах характеризуется наличием растягивающих напряжений в осевой зоне металла (см. рис. 1, б, зона I), во внеконтактных зонах по разъемам калибра (см. рис. 1, б, зона II) , а также по всей поверхности металла сразу после выхода из очага деформации (см. рис. 1, б, зона III).
При прокатке в двухвалковых калибрах характер напряженного состояния различен для неравноосного и равноосного калибров. Для равноосоного калибра характерно действие растягивающих напряжений в осевой зоне, на боковой поверхности проката в разъемах калибра, а также за пределами геометрического очага деформации на входе и выходе. При прокатке в неравноосном калибре полностью отсутствуют растягивающие напряжения в осевой части прокатываемой заготовки. Отсутствие растягивающих напряжений в осевой зоне металла -отличительная особенность двухвалковой прокатки в неравноосном калибре.
Прокатка в двухвалковых калибрах, выполненных с углом скоса, позволяет интенсифицировать сдвиговое пластическое течение металла, тем самым получив более мелкозернистую структуру в металле. Более подробно характер деформированного состояния металла, прокатываемого в скошенных калибрах, представлен в работе [6]. Характер распределения напряжений в металле при прокатке по данному способу имеет схожий характер с традици-онной двухвалковой прокаткой.
Действие растягивающих напряжений в тех или иных объемах прокатываемого металла определяется различными технологическими факторами и особенностями течения металла. Во многом это зависит от площади и формы контактной поверхности прокатываемой заготовки и валка. Так, действие внеконтакных продольных растягивающих напряжений на вхо-де и выходе из очага деформации можно объяснить влиянием внешнего трения со стороны инструмента и наличием зон отставания и опережения в очаге деформации. Развитие растягивающих напряжений во внеконтакных областях на боковой поверхности раската является общеизвестным фактом, при этом величина данных напряжений зависит от степени «охвата» металла валками. Действие растягивающих напряжений в осевой зоне при прокатке в калибрах - известный, но при этом малоизученный факт.
Объемы металла, в которых действуют высокие растягивающие напряжения, наиболее подвержены разрушению. Максимальные рассчитанные значения критерия разрушения D в объемах деформируемых заготовок совпадают с зонами максимальных растягивающих напряжений (разъем калибра и центр заготовки) и в десятки раз превышают рассчитанные значения в остальном объеме металла.
Обобщенные данные о результатах моделирования, напряженном состоянии и рассчитанном значении критерия разрушения D для рассмотренных способов представлены в табл. 1.
Рис. 1. Характер напряженного состояния металла при волочении (а) и прокатке (б)
Таблица 1
Обобщенные данные о напряженном состоянии и вероятности разрушения металла
Способ ОМД № прохода Вытяжка И Продольные i Ш спряжения а, Па Критерий разрушения D (накопленный) *
Центр Поверхность Центр т. 1 т. 2
Волочение 1 1,21 520 850 0,13 0,03 0,03
2 1,25 500 800 0,26 0,08 0,08
Протяжка (круг-квадрат) 1 1,34 270 780 0,08 0,24 0,05
2 1,33 340 840 0,15 0,24 0,24
Прокатка (круг-квадрат-круг) 1 1,32 316 650 0,06 0,23 0,01
2 1,23 400 530 0,14 0,26 0,13
Прокатка (круг-треф-круг) 1 1,33 350 680 0,08 0,23 0,02
2 1,35 380 440 0,16 0,26 0,16
Прокатка (круг-пл. овал-круг) 1 1,24 50 840 0,02 0,22 0,03
2 1,44 260 670 0,06 0,28 0,25
Прокатка (круг-пл. овал 30°-круг) 1 1,23 0 830 0,03 0,22 0,03
2 1,23 220 690 0,07 0,30 0,25
* - т. 1 соответствует разъему калибра при первом проходе, при втором проходе - контактной поверхности; т. 2 - контактной поверхности при первом проходе, разъему - при втором.
Сравнительный анализ напряженного состояния и критерия разрушения представлен на рис. 2.
Как видно из полученных результатов, при деформировании металла по всем рассмотренным схемам наиболее высокие по величине растягивающие напряжения, действуют в поверхностных слоях. Для волочения и протяжки растягивающие напряжения максимальны сразу на выходе из очага деформации, для прокатки - во внеконтакной области разъема калибра. Напряжения на выходе из калибра при прокатке также довольно высоки.
Волочение характеризуется наиболее высокими растягивающими напряжениями в осевой зоне (520 и 500 МПа для первого и второго прохода соотвественно), при этом величина критерия разрушения D составляет в центральной части сечения 0,13 и 0,26 после первого и второго прохода, соотвественно. В поверхностном слое несмотря на высокие растягивающие напряжения (850 и 800 МПа) D не превышает 0,08 после двух проходов. Логично предположить, что с каждым дальнешим проходом вероятность разрушения в центральной части заготовки будет возрастать, что может привести к зарождению трещин и разрушению металла, однако практика волочения показывает, что обрывы наиболее часто случаются по сечению металла на выходе из волоки - в местах действия наиболее высоких напряжений.
Рис. 2. Сравнительный анализ полученных результатов
116
Протяжка в роликовых волоках по схеме «круг-квадрат-круг», как уже отмечалось, характеризуется очень высокими напряжениями на выходе из роликов, а также в разъемах калибров (780 и 840 МПа для 1 и 2 прохода). Напряжения в осевой части на 30-50 % ниже, чем при волочении и составляют 270 и 340 МПа. Соотвественно вероятность разрушения в осевой зоне почти в 2 раза ниже - О = 0,15. Зато существенно снижается «запас пластичности» в ребровой зоне, которая соотвествует разъему калибра, О достигает значения 0,24 за один проход. Благодаря тому, что протяжка осуществляется с кантовкой полосы между проходами, объемы металла, которые соответствовали разъему квадратного калибра на первом проходе, на втором контактируют с роликами, поэтому в данной зоне после 2-го прохода значение О практически не изменяется. В объемах металла, которые соотвествуют разъему круглого калибра на 2-м проходе, О достигает значения 0,24. Таким образом благодаря постоянному обновлению от прохода к проходу внеконтакных поверхностей металла, запас пластичности равномерно снижается по всей поверхности заготовки. Зарождение трещин и разрушение металла при протяжке наиболее вероятно в поверхностных слоях. Тем не менее, максимальный критерий разрушения при волочении в роликовой волоке - 0,24, накопленный за два прохода, несколько меньше, значения О в осевой зоне металла при волочении (0,26).
Для прокатки, в отличие от волочения, характерен прямой подвод энергии в очаг деформации за счет активных сил трения со стороны инструмента, что определяет особенности течения металла. Уровень растягивающих внеконтакных напряжений несколько ниже по сравнению с протяжкой и волочением. Особенно следует отметить прокатку трефового профиля с вогнутыми гранями в круглом калибре. Величина напряжений в разъеме калибра в данном случае минимальна среди всех рассмотренных схем и составляет 440 МПа. Характерной особенностью многовалковой прокатки является наличие довольно высоких растягивающих напряжений, действующих в осевой зоне проката (316-400 МПа), причем по величине данные напряжения превышают аналогичные, действующие при протяжке. Наличие осевых растягивающих напряжений в металле при прокатке обусловлено неравномерным деформированным состоянием на начальном этапе деформирования. В данных сечениях заготовки деформация локализована в приконтактных слоях металла, а центр заготовки «отстает», в результате приконтакные слои «гянут» центральные. В случае протяжки тянущее воздействие, приложенное к переднему концу заготовки, позволяет несколько выровнять градиент скоростей по сечении проката, тем самым снизить неравномерность деформации по сечению проката. Вероятность разрушения осевой части металла по показателю О при многовалковой прокатке и протяжке сопоставима. Следует отметить относительно низкую вероятность разрушения в объемах металла, соответствующих внеконтакной зоне при прокатке квадратного и трефового профиля в круглом калибре (О = 0,13 и 0,16, соответственно). Прокатка по схемам «квадрат-круг» и «треф-круг» отличается наиболее благоприятным напряженным состоянием из всех рассмотренных способов.
Отличительной особенностью двухвалковой прокатки, как уже отмечалось, является отсутствие осевых растягивающих напряжений при прокатке в неравноосном калибре, что можно объяснить равномерным деформированным состоянием по высоте полосы и наличием свободного уширения. При прокатке в равноосном калибре осевые напряжения присутствуют вследствие высокой неравномерности деформации по высоте полосы, однако их величина существенно ниже по сравнению с многовалковой прокаткой. Соответственно центральная часть заготовки при прокатке в двухвалковых системах имеет наибольший запас пластичности среди всех рассмотренных схем (О достигает 0,06 за 2 прохода). Недостатком напряженного состояния двухвалковых систем являются высокие растягивающие напряжения во внеконтакных областях разъемов калибров, особенно при прокатке в неравноосном калибре. Растягивающие напряжения в данных объемах достигают 840 МПа. Кроме того, при двухвалковой прокатке растягивающие напряжения действуют в поверхностном слое металла на входе в равноосный калибр. Эти объемы металла после кантовки на втором проходе совпадают с теми, в которых действовали наиболее высокие растягивающие напряжения
(бывшая область разъема), соответственно запас пластичности в данных зонах наименьший из всех рассмотренных схем и способов ОМД (Б достигает 0,28-0,30).
Напряженное состояние при прокатке в двухвалковых скошенных калибрах имеет схожий характер в сравнении с традиционной схемой. Каких-либо преимуществ в отношении напряженного состояния данный способ не дает.
По результатам проведенного анализа, а также результатов, полученных в других работах, составлена сравнительная рейтинговая таблица (табл. 2), обобщающая преимущества и недостатки рассмотренных способов ОМД.
Таблица 2
Сравнительная (рейтинговая) таблица способов ОМД
Способ ОМД Вытяжная способ-соб-ность Деформированное состояние Напряженное состояние Запас пластичности Сложность оборудования Производитель-ность
Проработка Равномерность Центр Поверхность Центр Поверхность Общая
Волочение + + + + + + +++ ++ +++ +
Протяжка (круг-квадрат) ++ ++ ++ ++ + ++ + ++ ++ +
Прокатка (круг-квадрат- круг ++ ++ +++ ++ ++ ++ + ++ + ++
Прокатка (круг-треф- круг) +++ ++ ++ ++ ++ ++ + ++ + +++
Прокатка (круг-пл. овал-круг) ++ ++ ++ +++ + +++ + + ++ ++
Прокатка (круг-пл. овал 30°-круг) ++ +++ ++ +++ + +++ + + + ++
Примечание - «+» плохой показатель; «++» средний показатель; «+++» хороший показатель
Подводя итоги проведенных исследований, можно сделать следующие выводы:
1. Способ ОМД определяет напряжённое состояние металла в очаге деформации. Важными параметрами являются: способ подвода энергии в очаг деформации, характеристики очага деформации, контактные условия, наличие «свободных» (внеконтакных) зон, параметры формы инструмента и заготовки.
2. Все рассмотренные способы имеют преимущества и недостатки с точки зрения обеспечения благоприятного напряженного состояния металла.
3. Процесс волочения обеспечивает получение проволоки с высоким запасом пластичности в поверхностном слое и низким в центральном. Однако резкое повышение растягивающих напряжений на выходе из очага существенно повышает вероятность обрывов при нестабильности процесса.
4. Протяжка в роликовых волоках позволяет существенно снизить напряжения в осевой части проката, но при этом возникают неблагоприятные условия во внеконтакных зонах разъемов калибров. Запас пластичности поверхностных слоев существенно ниже, чем центр альных.
5. Прокатка в многовалковых калибрах позволяет несколько снизить «повреждаемость» поверхностных слоев во внеконтакных зонах за счет способа подвода энергии и «степени
118
охвата» заготовки валками. При этом растягивающие напряжения в осевой зоне выше, чем при протяжке.
6. Прокатка в двухвалковых калибрах обеспечивает наиболее благоприятные условия для деформации центральных слоев металла, но при этом существенно снижается запас пластичности поверхностных слоев за счет высоких внеконтакных растягивающих напряжений.
7. При проектировании технологических схем ОМД оптимальным может быть комбинированный способ, сочетающий в себе достоинства и минимизирующий недостатки известных способов ОМД.
Выводы
На основе конечно-элементного моделирования проведено сравнительное исследование напряженного состояния и вероятности разрушения металла при производстве проволоки известными способами ОМД.
Выявлены преимущества и недостатки каждого способа, с точки зрения формирования в очаге деформации благоприятной схемы распределения напряжений.
Показано, что для проектирования более эффективных технологических процессов необходимо использовать комбинированные способы ОМД, сочетающие в себе достоинства и минимизирующие недостатки известных способов (например, прокатка-волочение, протяжка-волочение и т.д.).
Список литературы
1. Поляков М.Г., Никифоров Б.А., Гун Г.С. М. Деформация металла в многовалковых калибрах // Металлургия. 1979. 240 с.
2. Прокатка малопластичных металлов с многосторонним обжатием: Учебное пособие для вузов / Л.А. Барков, В.Н. Выдрин, В.В. Пастухов, В.Н. Чернышев. Челябинск: Металлургия, Челябинское отделение. 1988. 304 с.
3. Харитонов В.А. Классификация способов ОМД по технологическим признакам при производстве проволоки // Моделирование и развитие процессов обработки металлов давлением: междунар. сб. науч. тр. / под ред. В.М. Салганика. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-на им. Г.И. Носова, 2012. С. 49-57.
4. Смирнов В.К., Шилов В.А., Инатович Ю.В. Калибровка прокатных валков: Учебное пособие для вузов. М.: Теплотехник. 2008. 490 с.
5. Корчунов А.Г. Разработка режимов деформации и термоупрочнения арматуры для железобетонных шпал // Сталь. 2009. № 1. С. 70-73.
6. Харитонов В.А., Таранин И.В. Моделирование продольной прокатки в калибрах методом конечных элементов // Заготовительные производства в машиностроении. 2013. № 7. С. 36-38.
References
1. Metal deformation in multi-rolled grooves / Polyakov M.G., Nikiforov B.A., Gun G.S. M.: Metallurgy. 1979. 240 p.
2. Rolling of low-plastic metals with multifeature drafting: Study letter for HPE / Barov L.A., Vyldtin V.N., Pastuhov V.V., Chernyjshev V.N. Chelyabinsk: Metallurgy, Chelyabinsk department. 1988. 304 p.
3. Haritonov V.A. Classification of methods of pressure metal treatment based on technological criterion in case of a wire production // Modeling and development of pressure metal treatment processes: international collection of scientific works / under edit. V.M. Salganik. Magnitogorsk: Publishing house of Magnitogorsk state technical university named after G.I. Nosov, 2012. P. 4957.
4. Smirnov V.K., Shilov V.A., Inatovich Yu.V. Calibration of mill rolls: Study letter for HPE. M.: Heat engineer. 2008. 490 p.
5. Korchunov A.G. Development of deformation modes and thermohardening of armature for ferroconcrete ties // Steel. № 1. 2009. P. 70-73.
6. Haritonov V.A., Taranin I.V. Modeling of lengthwise rolling in grooves by the finite-elements method // Blank productions in mechanical engineering. 2013. № 7. P. 36-38.
