CC BY
22
Platonov Valeriy Ivanovich, candidate of technical sciences, docent, mpf-tulaarambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Bessmertnaya Yuliya Vyaceslavovna, candidate of technical sciences, assistant, mpf-tulaarambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Tregubov Victor Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.778.011
ПОИСК ЭФФЕКТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ВОЛОЧЕНИЯ ПРОВОЛОКИ ТРАПЕЦИЕВИДНОГО ПРОФИЛЯ НА ОСНОВЕ КОМПЛЕКСНОГО КРИТЕРИАЛЬНОГО ПОДХОДА
О.С. Железков, И.Ш. Мухаметзянов, С.А. Малаканов
Разработана методика поиска эффективного процесса волочением проволоки трапециевидного сечения, которая используется в качестве исходной заготовки для изготовления пружинных шайб методом навивки. В основу методики положен комплексный критериальный подход, согласно которому эффективность технологий оценивается по силовому критерию, критерию неравномерности деформации и критерию качества оформления углов профиля. Применение разработанной методики позволяет создавать технологии волочения, обеспечивающие экономию энергозатрат, повышение стойкости технологического инструмента и снижение затрат на проектирование и освоение новых видов проволоки и процессов волочения.
Ключевые слова: волочение, проволока трапециевидного профиля, метод конечных элементов, монолитная волока, роликовые волоки, силовой критерий, критерий неравномерности деформации, критерий качества оформления углов профиля.
Проволока трапециевидного сечения используется в качестве исходной заготовки для последующего изготовления пружинных шайб методом навивки. Пружинные шайбы широко используются в различных отраслях промышленности и, в частности, в конструкции верхнего строения железнодорожного пути для крепления рельсов к железобетонным шпалам. Рассматривался процесс волочения проволоки трапециевидного профиля № 10 по ГОСТ 11850-72 (рис. 1) со следующими регламентированными параметрами:
- временное сопротивление <тв = 580 ... 780 МПа;
- относительное удлинение S не менее 15%.
- размеры S =10,75 мм, Ъ =10 мм, радиус г скругления углов не должен превышать 1,5 мм.
Ь
Рис. 1. Поперечное сечение трапециевидной профиля
по ГОСТ 11850-72
На эффективность технологии и качество проволоки влияют такие факторы, как схема и режимы деформирования, механические свойства материала и их изменения в процессе деформации, диаметр исходной заготовки, условия трения, качество поверхности инструмента и заготовки и ДР- [1].
В настоящее время разработка технологий волочения проволоки, в основном, связана либо с использованием теоретических методов и методик, не всегда обладающих необходимой точностью и надежностью результатов и требующих значительных доработок в процессе освоения производства, либо с экспериментальными исследованиями, включающими в себя поиск рациональных схем и режимов обработки, при которых обеспечивается получение качественных изделия, что связано со значительными затратами времени и средств. Следует отметить, что отдельные результаты экспериментальных исследований процесса деформирования, например усилия волочения, не могут быть определяющим фактором при выборе технологии в современном производстве.
Поиск рациональной технологии волочения проволоки трапециевидного сечения осуществлялся с использованием комплексного критериального подхода [2, 3]. Суть подхода заключается в том, что рассматриваются несколько возможных вариантов технологии, для которых определяются важнейшие параметры. Для каждого параметра определяется свой критерий по формуле
где П; - параметр для /- го варианта технологии; Птах - параметр для варианта технологии, при которой он принимает самое большое значение.
26
Критерии суммируются и за основу принимается технология, для которой суммарный критерий имеет минимальное значение.
В настоящее время наиболее широкое распространение для изготовления проволоки трапециевидного сечения получили процессы волочения в монолитной волоке со сменной твердосплавной вставкой и волочение в четырехроликовой волоке, у которой оси вращения роликов расположены параллельно граням трапециевидного профиля проволоки [4].
На основе ранее проведенных исследований, разработано новое техническое решение, в заключающееся в том, что вначале исходную проволоку круглого сечения деформируют в двух гладких роликах (плющение), а затем калибруют в двухрликовой волоке, формируя требуемый трапециевидный профиль [5, 6]. Таким образом, применяемый волочильный инструмент состоит из двух двухроликовых волок.
Схемы процессов волочения по трем анализируемым технологиям показаны на рис. 2.
а
£
41^
□
б
и
в
Рис. 2. Схемы технологических процессов волочения проволоки: а - в монолитной волоке; б - в четырехроликовой волоке; в - в двух двухроликовых волоках
27
Процессы волочения проволоки по трем вышеотмеченным вариантам моделировали с использование программного комплекса «DEFORM -3D», в основу которого положен метод конечных элементов [7,8,9], а математическая задача сводится к решению известных уравнений механики сплошной среды, теории пластичности, обработки металлов давлением и теплопроводности при заданных начальных и граничных условиях в напряжениях, перемещениях или смешанного типа. При этом используются следующие основополагающие зависимости и соотношения: дифференциальные уравнения равновесия; дифференциальные зависимости Коши связи компонент тензора деформации и вектора перемещений; условие пластичности Губера-Мизеса; законы трения либо по Кулону-Амонтону, либо по Зибелю; уравнение теплового баланса деформируемой среды. При решении упругопластических задач для зон, находящихся в упругом состоянии связь между деформациями и напряжениями выражается в виде обобщенного закона Гука. Аппроксимацию сопротивления деформации в зависимости от термомеханических параметров осуществляют на основе экспериментальных данных, представленных в виде таблиц. Используется вариационный принцип Лагранжа, согласно которому истинное состояние системы отличается от всех возможных тем, что сообщает полной энергии деформации минимальное значение. При решении систем уравнений используются численные итерационные методы, в частности, метод Ньюто-на-Рафсона. В результате определяются перемещения U, деформации e, скорости деформации X, напряжения s, компоненты тензоров деформации и напряжений, интенсивность деформаций, интенсивность напряжений, силы нормального давления, силы трения на поверхности контакта металла с инструментом, распределение температуру по объему деформируемой среды (температурные поля) и другие параметры.
Моделировались процессы:
- волочения в монолитной волоке (вариант 1, см. рис.2, а);
- волочение в четырехроликовой волоке (вариант 2, см. рис. 2, б);
- волочение в двух двухроликовых волоках (вариант 3, см. рис.2, в).
В качестве материала заготовки использовалась сталь марки 65Г.
Диаметр исходной заготовки D круглого сечения варьировался в диапазоне 013 .„14 мм с шагом 0,2 мм. Скорость волочения через монолитную волоку 0,2 м/с, а через роликовые волоки 1 м/с.
По результатам выполненных расчетов для варианта 3 (волочение в двух двухроликовых волоках) определяли общее усилие волочения в зависимости от высоты Н предварительно плющеной в первой паре роликов проволоки и диаметра D исходной заготовки. Результаты расчетов представлены на рис. 3. Для технологий волочения трапециевидной проволоки с использованием монолитной (вариант 1) и четырехроликовой (вариант 2) волок определяли усилия деформирования в зависимости от диаметра d0 исходной заготовки. Результаты представлены на рис. 4.
Также было получено распределение степени интенсивности деформации e (рис.5) по объему сечения проволоки в очаге деформации.
Рис. 3. Усилия волочения при использовании технологии 3 в зависимости от высоты Н предварительно плющеной проволоки и диаметра Б0 исходной заготовки
Рис. 4. Зависимость усилия деформирования от диаметра Б исходной заготовки: 1 - волочение в монолитной волоке; 2 - волочение в четырехроликовой волоке; 3а - волочение в двух двухроликовых волоках при Н = 10,4 мм; 3б - волочение в двух двухроликовых волоках
при Н = 10,0мм 29
в
Рис. 5. Поля распределения интенсивности деформаций по объему в очаге деформации при волочении заготовки диаметром Б =14 мм: а-в монолитной волоке; б-в четырехроликовой волоке; в-в двух двухроликовых волоках при высоте Н плющения 10,0 мм
Используя результаты конечно-элементного моделирования, для каждого варианта технологии рассчитывали силовой критерий КР, критерий неравномерности деформации К0, критерий качества оформления углов профиля Кг.
Силовой критерий
КР = /Ч (2)
Гтах
где максимальное усилие волочения для /- го варианта технологии, Н; Ртах~ максимальное усилие волочения для варианта технологии, при которой ^ принимает самое большое значение, Н.
Результаты расчетов силовых критериев представлены в табл.1.
Таблица 1
Силовые критерии КР волочения проволоки
Диаметр заготовки D, мм Варианты технологии волочения
В монолитной волоке (вариант 1) В четырехро-ликовой волоке (вариант 2) В двух двухроликовых волоках
Н= 10,0 мм (вариант За) Н= 10,4 мм (вариант 36)
13,2 1 0,71 0,61 0,78
13,6 1 0,76 0,63 0,79
14,0 1 0,83 0,62 0,79
В работах [10, 11] предложено эффективности процессов пластического формоизменения оценивать по критерию минимальной неравномерности деформации J, который для случая объемного деформирования определяется по формуле
J ~ V" I/ ' v /
где £Ср — среднее арифметическое значение степени деформации по сече-
■з
нию проволоки; eik, Vk - степень деформации и объем к-ого элемента, мм ; п - количество элементов, на которые разбивается деформируемая среда.
Используя полученные на основании конечно-элементного моделирования поля распределения степени деформации £t по сечению проволоки в очаге деформации (см. рис. 3), определяли показатели неравномерности деформации J для каждого варианта технологии. При этом выделяли зоны с одинаковой степенью деформации ^5 определяли объем ^ элементов с одинаковой степенью деформации и, используя зависимость (3), находили показатель неравномерности деформации J для каждого варианта технологии волочения проволоки. Затем определяли критерий неравномерности деформации
Kj = уЧ (4)
J max
где J\ - показатель неравномерности реформации для /- го варианта технологии; Jmax - показатель неравномерности реформации для технологии, при которой J принимает максимальное значение.
Результаты расчетов критерия неравномерности деформации представлены для исследуемых технологий в табл. 2.
Одним из важнейших параметров качества профиля является точность геометрических размеров и, в частности, радиусов г скругления углов профиля. Для оценки качества геометрических параметров профиля с
помощью инструмента в «БеГогт-ЗБ» под названием «Отслеживание точек» замеряли радиусы г скругления углов и для каждой технологии определяли критерий качества оформления углов профиля
Кг = -^Ч (5)
' тах
где Г1 - радиус скругления для /- го варианта технологии, мм; гтах - радиус скругления для технологии, при которой г принимает максимальное значение, мм.
Таблица 2
Критерии Кг неравномерности деформаций
Диаметр заготовки D, мм Варианты технологии волочения
В монолитной волоке (вариант 1) В четырех-роликовой волоке (вариант 2) В двух двухроликовых волоках
Н= 10,0 мм (вариант За) Н= 10,4 мм (вариант 36)
13,2 0,768 0,701 0,764 1
13,6 0,926 0,794 0,608 1
14,0 0,728 0,59 0,588 1
Результаты расчетов критерия качества оформления углов профиля представлены в табл. 3.
Таблица 3
Критерии кг качества оформления углов профиля
Диаметр заготовки D, мм Варианты технологии волочения
В монолитной волоке (вариант 1) В четырехроликовой волоке (вариант 2) В двух двухроликовых волоках (вариант 3)
13,2 1 0,75 0,678
13,6 1 0,89 0,815
14,0 0,928 1 1
Суммарные критерии К^ = КР -Ь Ку + Кг по рассматриваемым технологиям представлены в табл. 4.
Таблица 4
Суммарные критерии К^ оценки эффективности технологии волочения трапециевидного профиля по всем технологиям
Диаметр заготовки А мм Варианты технологии волочения
В монолитной волоке (вариант 1) В четырехро-ликовой волоке (вариант 2) В двух двухроликовых волоках
Н= 10,0 мм (вариант За) Н= 10,4 мм (вариант 36)
13,2 2,768 2,161 2,052 2,458
13,6 2,926 2,444 2,053 2,605
14,0 2,656 2,42 2,208 2,79
Анализ полученных результатов исследования показал, что наиболее рациональной является технология, включающая волочение в двух двухроликовых волоках при высоте плющеной в первой волоке проволоки Н= (0,94-0,97) где £ - ширина большего основания окончательно сформированного трапециевидного профиля, мм.
Выводы
1. Разработана методика поиска рационального процесса волочения проволоки трапециевидного профиля, в основу которой положен комплексный критериальный подход. Эффективность технологий оценивалась по силовому критерию, критерию неравномерности деформации и критерию качества оформления углов профиля. Применение разработанной методики позволяет создавать технологии волочения, обеспечивающие экономию энергозатрат, повышение стойкости технологического инструмента и снижение затрат на проектирование и освоение новых видов проволоки и процессов волочения.
2. На основании проведенных исследований и расчетов установлено, что для формирования трапециевидного профиля наиболее рациональной является технология, включающая волочение в двух двухроликовых волоках при высоте плющеной в первой волоке проволоки Н= (0,94-0,97) S, где S - ширина большего основания окончательно сформированной трапеции.
Список литературы
1. Перлин И.Л., Ерманок М.З. Теория волочения. М.: Металлургия, 1971.447 с.
2. Железков О.С., Малаканов С.А., Железков С.О. Поиск рационального формоизменения в многопереходных процессах пластической деформации на основе комплексного критериального подхода // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2015. № 4. С. 8-12.
3. Поиск рационального формоизменения при штамповке головок болтов на основе критериального подхода / О.С. Железков [и др.] // Моделирование и развитие процессов обработки металлов давлением: международ. сб. науч. тр.; под ред. В.М. Салганика. Изд-во Магнитогорск. гос. тех. ун-та им. Г.И.Носова, 2014. С. 134-139.
4. Моделирование процессов волочения трапециевидной проволоки в монолитной и роликовой волоках / О.С. Железков [и др.] // Моделирование и развитие процессов обработки металлов давлением: междунар. сб. науч. тр.; под ред. В.М. Салганика. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос.тех. ун-та им. Г.И. Носова, 2012. С. 44-46.
5. Kobayashi, S.; Oh, S.-I.; Altan, T. Metal Forming and the Finite Element Method. 1st ed. Vol. 1. (Series Eds.: Crookall, J.R., Shaw, M.C.) 1989. Oxford University Press, Oxford. 377 р.
6. Патент РФ № 147933 на полезную модель. Устройство для волочения проволоки трапециевидного профиля / О.С. Железков, И.Ш. Муха-метзянов, Л.З. Жуковский и др. Заяв. № 2014129217/02 от 15.07.2014. Опубл. 20.11.2014. Бюл. № 32.
7. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир.1975,
541 с.
8. Галлагер Р. Метод конечных элементов: пер. с англ. М.: Мир, 1984. 428 с.
9. Wang, Karen L. and Vasilis Argyropoulos. Design and Analysis of Direct Cold Drawing of Section Rods through a Single Die // Journal of Materials Processing Technology. 2005. P. 345 - 358.
10. Резников Ю.Н., Калинин Г.Г. Оптимизация заготовительных ручьев для поковок, изготавливаемых объемной штамповкой // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 1998. № 10. С. 8 - 10.
11. Оценка эффективности процессов пластического формоизменения по критерию минимальной неравномерности деформации / О. С. Железков [и др.] // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2009. № 5. С. 31 - 34.
Железков Олег Сергеевич, д-р техн. наук, проф., ildarik- J J Jamail. ru, Россия, Магнитогорск, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова,
Мухаметзянов Ильдар Шамилевич, асп., Искичк-777 а таИ.ги, Россия, Магнитогорск, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова,
Малаканов Сергей Александрович, канд. техн. наук, доц., ildarik-777@mail.ru, Россия, Магнитогорск, Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова
THE SEARCH FOR EFFECTIVE TECHNOLOGY DRAWING WIRE TRAPEZOIDAL PROFILE BASED ON INTEGRATED CRITERIA-BASED APPROACH
O.S. Zheleskov, I.Sh. Mukhametzyanov, S.A. Malakanov
We devised the technique of searching the efficient process with trapezoidal wire drawing which is used as a starting workpiece for the manufacture of spring washers with winding method. The methodology is based on combined criteria approach, according to which the technology performance is evaluated on a power criterion, the criterion of uneven deformation and the criterion of the quality of profile angles. Application of the developed method allows to create drawing technology, providing energy savings, increasing the resistance of technological tools and the reduction of costs for the design and development of new kinds of wire and wire drawing processes.
Key words. Drawing, wire trapezoidal profile , finite element method, monolithic portage, roller dies, the power criterion, the criterion of non-uniformity of deformation, the criterion of quality of design ofprofile angles.
Zhelezkov Oleg Sergeevich, doctor of technical sciences, professor, ildarik-777@mail.ru, Russia, Magnitogorsk, Magnitogorsk State Technical University,
Mukhametzyanov Ildar Shamilovich, postgraduate, ildarik- 777@,mail. ru, Russia, Magnitogorsk, Magnitogorsk State Technical University,
Malakhanov Sergey Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, ildarik-777@mail.ru, Russia, Magnitogorsk, Magnitogorsk State Technical University
