CC BY
48
УДК 621.778
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ РАВНОКАНАЛЬНОЙ УГЛОВОЙ ПРОТЯЖКИ
ПРОВОЛОКИ
М.В. Чукин, Д.Г. Емалеева
Выполнено проектирование инструмента для непрерывного метода деформационного наноструктурирования проволоки - равноканальной угловой протяжки. На основе критериальной оценки эффективности способа равноканальной угловой свободной протяжки определена рациональная конструкция технологического инструмента, обеспечивающая максимальную технологическую стабильность и достижение необходимой интенсивности и равномерности напряженно-деформированного состояния обрабатываемой проволоки, что приводит к формированию в ней ультрамелкозернистой структуры и повышению уровня механических свойств.
Ключевые слова: равноканальная угловая протяжка, инструмент, планирование эксперимента, критериальная оценка, ультрамелкозернистая структура.
Равноканальная угловая протяжка является одним из непрерывных методов, в результате которого в углеродистой проволоке формируется ультрамелкозернистая (УМЗ) структура [1, 2]. Одним из преимуществ данного метода является то, что скорости обработки проволоки совместимы со скоростями, используемыми на промышленном оборудовании [3]. Однако эффективность формирования УМЗ-структуры во многом зависит от конструкции используемого инструмента. Для выбора конструктивных параметров используемого инструмента (рис. 1) необходимо провести комплексное исследование степени и однородности напряженно-деформированного состояния (НДС) обрабатываемой проволоки.
Данная схема характеризуется следующими основными параметрами, определяющими эффективность процесса деформации и/или габаритные размеры конструкции (см. рис. 1): диаметром горизонтального (входного) канала инструмента Б1, мм; углом наклона оси наклонного канала к горизонтальной плоскости а, град; диаметром наклонного (выходного) канала инструмента Б2, мм; радиусом пластин, образующих инструмент Яп, мм; высота поперечного сечения выходного канала (эллипс)
Н = —, мм; толщиной пластины, образующей горизонтальный канал ео8(а)
Ьвх, мм; толщиной пластины, образующей выходной (наклонный) канал Ьвых, мм; радиусами скруглений кромок каналов г, мм.
Поперечное сечение горизонтального канала инструмента - окружность диаметром Б1. Поперечное сечение наклонного канала - эллипс, малая ось которого соответствует диаметру сверла, используемого при из-
готовлении инструмента. Размер большой оси эллипса Н = В2!со$(а) определяется углом наклона оси выходного канала инструмента к горизонтальной плоскости.
г
а б
Рис. 1. Принципиальная схема инструмента для равноканальной угловой протяжки: а - горизонтальный канал; б - наклонный канал
В зависимости от соотношения диаметров каналов и их взаимного расположения возможны следующие варианты конструкции инструмента деформационного наноструктурирования (рис. 2):
1. диаметр выходного (наклонного) канала инструмента В2 изменяется в зависимости от диаметра входного отверстия В1 (рис. 2, а);
2. диаметры входного и выходного каналов равны между собой. Пересечение каналов и образование очага деформации достигается смещением осей их симметрии друг относительно друга на некоторую величину (рис. 2, б);
3. диаметры входного и выходного каналов инструмента равны между собой. Пересечение каналов и образование очага деформации достигается совмещением осей их симметрии друг с другом (рис. 2, в).
Если анализировать представленные модели с точки зрения возможных энергосиловых затрат и стабильности протекания процесса обработки, то сопряжение каналов третьей конструкции обеспечивает минимальное изменение геометрических линейных размеров заготовки при ее прохождении через плоскость пересечения каналов и, следовательно, наиболее благоприятные условия процесса деформирования.
Di
а б в
Рис. 2. Возможный вид сопряжения каналов, пересекающихся под углом 120° (заштрихованная область - поперечное сечение обрабатываемой проволоки): а - конструкция 1 (D2 = D1 хcos а, Н = D1); б - конструкция 2 (D2 = D1 , Н = D^os а, d = 0,5 х(Н - D1)); в - конструкция 3 (D2 = D1, Н = D1 / соs а)
По результатам моделирования была проведена оценка эффективности разрабатываемого процесса деформационного наноструктурирова-ния с точки зрения двух критериев (рис. 3):
1) технологической стабильности процесса, обеспечиваемой выполнением условия безобрывности;
2) Достижение наиболее благоприятного НДС обрабатываемой проволоки, обеспечиваемого одновременным выполнением следующих условий:
- условия пластичности Губера-Мизеса и силового условия фрагментации;
- максимальной равномерностью распределения интенсивности напряжений по сечению заготовки;
- стремлением уровня интенсивности деформаций сдвига по сечению заготовки к максимальной величине.
Комплексное исследование НДС обрабатываемого материала проводили в программном комплексе ББЕОКМ-ЗБ методом полного факторного эксперимента в зависимости от следующих факторов: степени заполнения инструмента протягиваемой заготовкой, угла пересечения каналов, толщины пластин, радиуса скруглений кромок каналов. Таким образом, проведены 16 численных опытов. (далее по тексту порядковый номер анализируемой конструкции инструмента соответствует номеру и условиям эксперимента матрицы планирования).
Результаты анализа всех конструкций с точки зрения выполнения условия (1) сведены в табл. 2. Как видно из приведенных в табл. 2 данных, при использовании конструкций № 6, 7, 8, 12, 13 принятое условие не выполняется. В производственных условиях использование таких конструк-
ций невозможно, и на последующих этапах исследования анализировались только те из них, в которых условие безобрывности выполняется.
Рис. 3. Критериальная оценка эффективности процесса равноканальной угловой протяжки
На втором этапе анализ НДС материала производился с точки зрения выполнения условия пластичности при объемном напряженном состоянии. В качестве критерия однородности напряженного состояния по сечению заготовки при ее прохождении через очаг деформации приняли минимальный градиент значений интенсивности напряжений, действующих одновременно на поверхности и в центре заготовки
Д = (оп°-ацентр) ®М1К , С1)
где Л - градиент значений интенсивности напряжений, МПа; оП^3, оцЦентр-
интенсивность напряжений, действующих на поверхности и в центре заготовки соответственно, МПа.
Анализ показал, что наиболее равномерное распределение напряжений по сечению проволоки получено для конструкций № 2, 14, 15 и 16.
Таблица 2
Результаты анализа конструкций с точки зрения выполнения условия безобрывности при выходе проволоки из инструмента
Номер Интенсивность Выполнение условия
конструкции напряжений ои, МПа безобрывности
1 Стремится к нулю Выполняется
2 Стремится к нулю Выполняется
3 Стремится к нулю Выполняется
4 Стремится к нулю Выполняется
5 Стремится к нулю Выполняется
6 498 Не выполняется
7 543 Не выполняется
8 568 Не выполняется
9 Стремится к нулю Выполняется
10 Стремится к нулю Выполняется
11 Стремится к нулю Выполняется
12 504 Не выполняется
13 555 Не выполняется
14 Стремится к нулю Выполняется
15 Стремится к нулю Выполняется
16 Стремится к нулю Выполняется
Исходя из современных представлений об условиях формирования УМЗ-структуры в металлах и сплавах, приняли критерий, в соответствии с которым в процессе РКУ-протяжки наибольшей эффективностью обладает конструкция инструмента, использование которой обеспечивает достижение максимального уровня интенсивности деформаций сдвига Г по сечению заготовки
Г ®МЛХ , (2)
компоненты тензора деформаций.
Сравнительный анализ результатов опытов с использованием конструкций инструмента № 2, 5, 14, 15 и 16 показал, что с точки зрения выполнения условия (2) наибольшей эффективностью обладает конструкция №2 (рис. 4). Оценка проводилась по сечению проволоки в направлении от одного края к другому с шагом К = 0,25 х Бп (где Бп - диаметр обрабатываемой проволоки, мм). Для анализа принимались значения интенсивности деформаций сдвига, накопленной в материале в плоскости выхода проволоки из инструмента.
Как следует из рис. 4, в процессе одного цикла деформации по периметру заготовки материал испытывает деформацию сдвига различной величины. При этом наиболее интенсивно деформируется та часть прово-
локи, поверхность которой, изгибаясь, контактирует с инструментом в плоскости пересечения каналов. На практике равномерность «проработки» структуры материала по всему объему может быть достигнута посредством многократной отработки и поворота заготовки вокруг своей продольной оси на угол 90° в одном направлении.
Вп
Рис. 4. Распределение интенсивности деформаций сдвига по сечению стальной проволоки приравноканальной угловой протяжке (конструкция инструмента №2)
Таким образом, с учетом результатов критериальной оценки эффективности обработки проволоки в сборной волоке специального профиля для промышленной апробации принята конструкция, соотношение основных геометрических параметров которой аналогично конструкции инструмента №2.
Список литературы
1. Непрерывный деформационный способ формирования ультра-мелко-зернистой структуры стальной проволоки / М.В. Чукин [и др.] // Сталь. 2010. № 6. С. 96-98.
2. Патент РФ 2446027. МПК8 В21С 1/00, В211 5/06, С21Б 7/00. Способ получения длинномерных заготовок круглого поперечного сечения с ультрамелкозернистой структурой / М.В. Чукин, Д.Г. Емалеева, М.П. Барышников, М.А. Полякова. Опубл. 27.03.2012. Бюл. №9.
3. Применение метода деформационного нано-структурирования в технологических процессах производства проволоки / М.В. Чукин [и др.] // Технология машиностроения. 2013. № 4. С. 5 - 9.
Чукин Михаил Витальевич, д-р техн. наук, проф., первый проректор - проректор по научной и инновационной работе, m. chakin a mail. ru, Россия, Магнитогорск, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова,
Емалеева Динара Гумаровна, канд. техн. наук, ст. преп., emaleevadgamail. ru, Россия, Магнитогорск, Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова
DESIGNING THE TOOL FOR EQUAL CHANNEL ANGULAR DRA WING
M.V. Chukin, D.G. Emaleyeva
Designing the tool for continuous deformation method of wire nanostructuring -equal channel angular drawing - is carried out. On the basis of the criteria estimation of equal channel angular drawing process efficiency rational design process tool is defined. It provides maximum process stability and the achievement of the required intensity and uniformity of the stress-strain state of the treated wire. It leads to the forming the ultra-fine grain structure and enlarging wire mechanical properties.
Key words: equal channel angular drawing, tool, experiment planning, criteria estimation, ultra-fine grain structure.
Chukin Mikhail Vitalyevich, doctor of technical sciences, professor, the first vice-rector - vice-rector for scientific and innovative activity, m. chiikin a mail. ru, Russia, Magnitogorsk, Magnitogorsk Nosov State Technical University,
Emaleyeva Dinara Gumarovna, candidate of technical sciences, assistant professor, emaleevadga mail.ru, Russia, Magnitogorsk, Magnitogorsk Nosov State Technical University
