Оптимизация технологии производства биметалических проволочных и прутковых изделий Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621. 774. 37: 539. 319

ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА БИМЕТАЛИЧЕСКИХ ПРОВОЛОЧНЫХ И ПРУТКОВЫХ ИЗДЕЛИЙ

Г. Л. Колмогоров, М.В. Снигирева, Е.М. Аверьянова

В статье предложена методика определения оптимальных параметров волочильного процесса при производстве биметаллических прутковых и проволочных изделий. Методика позволяет обеспечить минимальные значения напряжения волочения и минимальные энергетические затраты при производстве биметаллических изделий.

Ключевые слова: Волочение, биметалл, угол волочения, оптимизация.

В технике широкое применение находят длинномерные биметаллические изделия, получаемые волочением. В частности, к таким изделиям относятся низкотемпературные сверхпроводники, включающие центральную часть из сверхпроводникового материала (сплавов МЬ - Ті или МЬ) и оболочку из чистой меди (рис. 1) [1].

В настоящее время в России создано широкомасштабное производство низкотемпературных сверхпроводящих материалов для магнитных систем. Это производство является обязательством России по участию в строительстве международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР) [2].

Рис. 1. Расчетная схема биметаллической заготовки:

1 - сердечник; 2 - оболочка; Я - радиус проводника;

Яс - радиус сердечника

Технология получения сверхпроводящих материалов - это многоступенчатый процесс. Одной из важнейших операций, определяющих качество сверхпроводника, является процесс многократного волочения с промежуточными термообработками [3]. При этом актуальной задачей является использование технологического инструмента оптимальной геомет-

рии [4], обеспечивающего минимальное усилие волочения. Усилие волочения определяет величину деформации за проход и общее количество переходов многократного волочения.

Напряжение волочения для биметаллической заготовки складывается из напряжения, соответствующего пластической деформации оболочки, и напряжения, соответствующего пластической деформации сердечника

о = оо6 + ос = об +——, (1)

^вол ^вол ^вол р р

роб рс

где Роб - доля усилия на деформацию оболочки, Р— - доля усилия на деформацию сердечника, Гоб и ¥— - площадь сечения оболочки и сердечника на выходе соответственно.

Рис. 2. Схема волочения биметаллической сверхпроводниковой заготовки: 1 - волока, 2 - оболочка, 3 - сердечник

Пластическая деформация при волочении характеризуется коэффициентом вытяжки

1 = —, (2)

где *0 и *1 - площади сечения биметаллической заготовки на входе в инструмент и выходе из него соответственно.

При волочении биметаллической заготовки полагаем, что коэффициент вытяжки для центральной части (сердечника) и наружной (оболочки) один и тот же.

Оптимизация технологического инструмента заключается в определении оптимального угла ав (рис. 2), обеспечивающего минимальный

расход энергии при волочении, что позволяет увеличить единичные обжатия (вытяжку) за счет снижения вероятности обрыва переднего конца заго-

291

товки и повысить стойкость технологического инструмента.

В настоящее время из существующих формул для определения напряжения волочения проволоки и прутков наиболее применимой является формула И. Л. Перлина [5]

овол =ln 40s + f • ctg an (os - sq )J+ sq , (3)

где оs - среднее по зоне деформации сопротивление деформации протягиваемой заготовки, f - коэффициент внешнего трения между инструментом и заготовкой в зоне деформации, a n - приведенный угол конусности

волочильного инструмента, oq - напряжение противонатяжения.

Ч

Формула (3) широко используется в инженерной практике. Однако её недостатком является то, что она не дает возможности определения оптимального значения угла конусности волочильного инструмента. Данное обстоятельство связано с тем, что множитель lnl в формуле (3), характеризующий степень деформации при волочении, не учитывает дополнительные сдвиговые деформации на входе в технологический инструмент и выходе из него.

Уточнение степени деформации при деформировании в коническом технологическом инструменте выполнено в работе [6], в соответствии с которым средняя по сечению степень деформации определяется как

4

еср =ln 1 + 3/3tg ав ’ (4)

где ав - угол наклона образующей рабочего конуса волоки к оси волочения.

С учетом сдвиговых деформаций (4) формула (3) принимает вид

г 4 л

343

®вол

ln1 + ^^tgав [as + f ctgan[as -GqJJ + sa. (5)

a-

Учет дополнительных сдвиговых деформаций позволяет определить оптимальные углы конусности волочильного технологического инструмента из условий минимума напряжения волочения

= 0. (6)

Э ав

Другим недостатком формулы (3) является наличие приведенного угла волоки ап, который рекомендуется принимать равным из условия:

ап = 0,651ё ав .

На самом деле tg ап может изменяться в широком диапазоне в зависимости от длины калибрующего пояска волоки. Из геометрических соотношений рис. 2 следует

tg а

tg а

в

п

1 +1

(7)

к

I

к

где ¡к = — - относительная длина калибрующего пояска, - длина ка-

1Р

либрующего пояска; ¡р - протяженность очага деформации.

Формула (5) с учетом соотношения (7) применена в отдельности для наружной части (оболочки) и внутренней части (сердечника) биметаллической заготовки.

Таким образом, напряжение волочения для оболочки составляет

о

об

вол

ґ 4 Л

1п 1+-----------¡= tg ав

V Зл/З & в,

°об , г 1 +1к (°об о

°5 + -------О -о

tg «в

Я

+ о

Я '

(8)

об

где о5 - среднее сопротивление деформации материала оболочки.

Напряжению волочения оболочки (8) соответствует затраченное на пластическую деформацию оболочки усилие

/ Л . 7 \

. (9)

об

>5

1 + 1к г^об ^ ч . ^

------(о5 -оЯ) + °Я

tg ав 5 Я Я

Для сердечника, учитывая отсутствие проскальзывания сердечника относительно оболочки, полагаем в формуле (5) / = 0

_с =

о вол =

1п 1 +

4

Л

Зл/З

tg а

в

у

(10)

где о - сопротивление пластической деформации материала сердечника.

5

Напряжению волочения (10) соответствует затраченное на пластическую деформацию сердечника усилие

V 4 л

1п 1+--¡= tg а,

ЗлІЗ

"в

° 5 +° Я

(11)

V У

Общее усилие, затраченное на пластическую деформацию биметаллической заготовки, составит

г 4 Л а б

р =

1п 1 +

V

Зл/З

у

об

¥е °5 + ¥об ° 5 + /

1 + 1к (°об

о.

°Я I¥об

(12)

+ °Я (^с + ¥об)

<8 ав

Данному усилию соответствует усредненное по сечению биметаллической заготовки напряжение волочения

293

а

вол

( 4 ^

ln х+3Г8 ав J

роб а°б + Fcs<s + f

1+1

tg а

- К б

sq )Fo6

(13)

+ sq (fc + Fоб)

где Fo6 =

—- относительная площадь оболочки, Г = — - относитель-р с р ная площадь сердечника, р - общая площадь сечения биметаллической заготовки.

Формула (13) позволяет определить оптимальные углы конусности волочильного инструмента из условия минимума напряжения волочения (6).

Продифференцировав выражение (13) согласно условию (6), после преобразований и упрощений получим оптимальное значение угла конусности инструмента

- F„

авопт = arctg

1,14^

f ln l(l + 1

k

ss sq JFo6

^об FT

ss Fоб

+ s s Fc

(14)

При отсутствии противонатяжения (о^ = 0), что характерно для

большинства случаев, оптимальный угол не зависит от сопротивления деформации материалов сердечника и оболочки, и определяется соотношением:

\Кб роб їй ^(і+ік)Л

а

опт

arctg

1,14

-об^

}s роб

а: F^ + осF

s c

(15)

На рис.3 приведены расчетные значения оптимальных углов волочильного инструмента биметаллической заготовки. Из рис.3 следует, что с увеличением длины калибрующего пояска оптимальные углы возрастают. Увеличение вытяжки 1 также приводит к увеличению оптимальных углов конусности технологического инструмента.

Г еометрия волочильного инструмента, как правило, стандартизирована, поэтому для стандартных углов могут быть рекомендованы оптимальные значения коэффициента вытяжки, обеспечивающие минимальное напряжение волочения. Разрешая соотношение (15) относительно 1, получим выражение для оптимальной вытяжки биметаллической заготовки

, 2 опт ( об ^

tg ав К ,

exp 0,77---;-------у— -------------------------------^- . (16)

я

опт

(1+1

к

об | Т7 as °q JFоб

в

в

О 2 4 6 8 10

Рис. 3. Зависимости оптимальных углов волочения от 1^;

1 - 1 =1,1; 2 - 1 =1,15; 3 - 1 =1,2; 4 - 1 =1,25.

Выводы.

1. В работе предложена методика определения оптимальных углов волочильного инструмента для двухкомпонентной заготовки, учитывающая наличие калибрующего пояска волоки и обеспечивающая минимальное значение напряжения волочения.

2. Показано влияние технологических параметров на величину оптимальных углов конусности технологического инструмента.

3. Для стандартных волок с фиксированным углом конусности предложена формула для определения оптимальной вытяжки, обеспечивающей минимальные значения напряжения волочения.

Список литературы

1. Мнеян М.Г. Сверхпроводники в современном мире. М.: Просвещение, 1991. 159с.

2. Сверхпроводимость: опыт создания высокотехнологичного производства в ОАО «Чепецкий механический завод». Нанотехнологии, экология производства. 2009. №1. С.80-83.

3. Колмогоров Г.Л., Трофимов В.Н., Штуца М.Г., Чернова Т.В. Механика пластического деформирования трансверсально-изотропных композиционных сверхпроводниковых материалов. Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2011. 217 с.

4. Трофимов В.Н., Кузнецова Т.В., Мельникова Т.Е. О профилировании канала волочильного инструмента // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2012. № 7. С. 42-45.

5. Перлин И. Л., Ерманок М.З. Теория волочения. М.: Металлургия,

1971. 448 с.

6. Г.Л.Колмогоров, Гидродинамическая смазка при обработке металлов давлением. М.:Металлургия, 1986. 168 с.

Колмогоров Герман Леонидович, д-р техн. наук, проф., dpm@pstu.ru, Россия, Пермь, Пермский национальный исследовательский политехнический университет,

Снигирева Марина Викторовна, ст. преп., mvsnigireva@yandex. ru, Россия, Пермь, Пермский национальный исследовательский политехнический университет,

Аверьянова Елена Михайловна, магистрант, lenv92@mail.ru, Россия, Пермь, Пермский национальный исследовательский политехнический университет

OPTIMIZATION OF THE PRODUCTION TECHNOLOGY BIMETALLIC WIRE

AND ROD PRODUCTS

G. L Kolmogorov, M. V. Snigireva, E.M. Averyanova

In the article the proposed method of determining the optimum parameters of drawing process in the production of bimetallic rod and wire products. The method allows to provide the minimum stress drawing and minimum energy consumption in the production of bimetallic products.

Key words: drawing; bimetal, corner of drawing, optimization.

Kolmogorov German Leonidovich, the Doctor of Technics, professor, dpm@pstu.ru, Russia, Perm, State National Research Politechnical University of Perm,

Snigireva Marina Viktorovna, the assistant professor, mvsnigireva@yandex. ru, Russia, Perm, State National Research Politechnical University of Perm,

Averyanova Elena Mihaylovna, undergraduate, lenv92@mail. ru, Perm, State National Research Politechnical University of Perm