CC BY
57
5. Ставничук П.А. Разработка энергосберегающей технологии производства пластически деформированных арматурных канатов прокаткой: дис. ... канд. техн. наук. Магнитогорск, 2003.
6. Харитонов В.А., Лаптева Т.А. Исследование изменений физико-механических свойств канатной проволоки и прядей при пластическом обжатии // Образование. Наука. Производство: Сб. науч. тр. Вып. 6. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2011. С. 114-117.
7. Малиновский В.А. Пластическое обжатие и калибровка прядей // Стальные канаты: Ч. 1. Одесса: Астропринт, 2001. С. 40-50.
УДК 621.771
М.А. Полякова, Э.М. Голубчик, А.Е. Гулин
ФГБОУВПО «МГТУ»
РАЗРАБОТКА НЕПРЕРЫВНОГО МЕТОДА ДЕФОРМАЦИОННОГО НАНОСТРУКТУРИРОВАНИЯ ПРОВОЛОКИ
Традиционные технологии повышения уровня механических свойств стальной проволоки не имеют существенного резерва по таким технико-экономическим показателям, как рентабельность, энергоемкость, ограниченная возможность оперативного изменения как всего технологического процесса, так и отдельных его параметров. Одним из перспективных направлений является разработка технологий производства проволоки из наноструктурных и ультрамелкозернистых (УМЗ) сталей. В последние годы происходит активное развитие уже традиционных способов получения УМЗ и наноструктур. Существующие методы обладают рядом недостатков, вызывающих необходимость разработки модернизированной схемы наноструктурирования, максимально приближенной к промышленным условиям и представляющей научно-практический интерес, с точки зрения массового производства.
Для формирования УМЗ структуры в объемных образцах необходимым условием является использование специальных механических схем деформирования, позволяющих достичь больших пластических деформаций материалов при относительно низких температурах. Как известно, основной операцией при производстве проволоки является волочение. При этом данная операция имеет хорошую техническую и технологическую оснащенность. Для получения УМЗ структуры проволоки целесообразно рассмотреть возможность создания такого метода деформационного наноструктурирования, который основывается на опе-
рации волочения, что позволит легко его встраивать в существующие технологические процессы метизного производства.
Напряженное состояние в очаге деформации при волочении проволоки определяется характером деформации. На рис. 1 показана схема главных напряжений и деформаций при волочении.
На каждый элементарный объем в очаге деформации действуют: растягивающее напряжение в продольном направлении о1 и сжимающие в радиальном ог и окружном од направлениях. Ввиду симметричности напряженного состояния при волочении окружное и радиальные напряжения равны.
Поскольку для формирования УМЗ структуры металлов и сплавов необходимо создать сложное напряженно-деформированное состояние (НДС) в очаге деформации, то рассматривается возможность получения сложной схемы НДС за счет комбинирования его с процессом кручения, как с процессом, который совместим с промышленными скоростями волочения проволоки и реализован технически в технологиях получения канатной продукции.
а а
Рис. 1. Схема главных напряжений (а) и главных деформаций (б) при волочении
Под действием внешнего скручивающего момента, приложенного на правом конце вала (рис. 2), левый конец которого жестко закреплен, стержень будет закручиваться. При этом любое сечение стержня, оставаясь плоским, будет поворачиваться на некоторый угол, называемый углом закручивания. Этот угол изменяется по длине вала от нуля в заделке до максимального на правом конце вала. При этом образующая внешней цилиндрической поверхности вала повернется на угол у, называемый углом сдвига. Этот угол изменяется вдоль радиуса сечения от нуля на оси вала до - утса на внешней поверхности. Опыт показывает, что после закручивания бруса круглого сечения поперечные линии, нанесенные на
его поверхности, остаются плоскими, а диаметры сечений и расстояния между ними не изменяются. При этом прямоугольная сетка превратится в сетку, состоящую из параллелограммов, что свидетельствует о наличии касательных напряжений в поперечных сечениях бруса, а по закону парности касательных напряжений - и в продольных его сечениях, то есть напряженное состояние в точках скручиваемого стержня представляет собой чистый сдвиг.
Рис. 2. Схема скручивания стержня Угол сдвига изменяется по радиусу вала по линейному закону:
р
Гр=Гшах~. н г
Касательные напряжения в сечении вала изменяются по радиусу по линейному закону:
_ р
^р ~ ^шах . (2)
н Г
Эпюры распределения касательных напряжений по радиусу для сплошного и полого валов показаны на рис. 3.
Рис. 3. Эпюры распределения касательных напряжений
Технологической операцией, реализующей скручивание проволоки при производстве канатов, является операция преформации. Во время преформации свиваемый элемент подвергают изгибу и определенному скручиванию с приложением нагрузки (рис. 4), удельная величина которой превышает предел упругости материала.
а б в
Рис. 4. Схема главных напряжений кручения (а), сжатия (б) и растяжения (в)
Для осуществления преформации проволоку пропускают, как правило, через трехроликовые дисковые изгибающие устройства - префор-маторы, принципиальная схема действия которых показана на рис. 5. Прядь, огибая ролики, перемещается поступательно и одновременно вращается вокруг центральной оси каната, в результате чего она приобретает форму винтовой линии [1].
/К ovv
V 1 \ ' W \\ 1 1
(—\ 1 / (
1
Рис. 5. Схема преформации пряди
Степень необходимой деформации F/Dp при этом регулируют либо смещением t среднего диска относительно крайних, либо осевым перемещением крайних дисков [2].
Таким образом, совмещение двух схем деформации является перспективным, с точки зрения формирования сложной схемы НДС в очаге деформации, которая должна привести к формированию в проволоке УМЗ структуры. После анализа изучения факторов, влияющих на измельчение зерна, на кафедре ММТ ФГБОУ ВПО «МГТУ» был разработан экспериментальный метод получения УМЗ структуры проволоки, повышающий ее эксплуатационные свойства. Значительным преимуществом данного метода является возможность включения его в линию производства проволоки.
В качестве модельного материала применяли проволоку диаметром 3...3,5 мм из высокоуглеродистых конструкционных марок стали промышленных плавок (рис. 6).
Рис. 6. Структура стали с содержанием углерода 60... 75 % после отжига и волочения с обжатием 22 %
Процесс реализовывали на лабораторной установке, позволяющей совмещать процесс волочения и кручения. При этом имеется возможность регулировки как суммарной величины относительного обжатия при волочении, так и величины угла скручивания проволоки. На рис. 7 представлена микроструктура проволоки после волочения (суммарное обжатие 20 %) и кручения.
в
Рис. 7. Микроструктура проволоки после комбинированной обработки волочением и кручением: а - х1000; б - х3000;в - х5000
Из рис. 7 видно, что после обработки структура проволоки однородная во всем объеме, без несплошностей, пор и внутренних трещин. В объеме образца появляются зерна с явными следами деформации после кручения. При большем увеличении видно, что начинается процесс дробления цементитных пластин. Происходит образование полос сброса, деформация и разрушение цементитных пластин (см. рис. 7, б).
В результате проведения испытаний на растяжение установлено, что проволока с полученной в ходе реализации совмещенного процесса
УМЗ структурой, обладает повышенным значением временного сопротивления разрыву на 10% по сравнению с исходным крупнозернистым состоянием с одновременным увеличением значения относительного сужения на 5%.
Таким образом, совмещение различных схем деформации позволяет получать сложную схему НДС, что приводит к измельчению исходного зерна, получению УМЗ структуры в проволоке и, как следствие, повышение комплекса механических свойств. На разработанный метод подана заявка на изобретение, получена приоритетная справка.
Работа проведена в рамках реализации комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства, выполняемого с участием российского высшего учебного заведения (договор 13.G25.31.0061), АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2013 годы)» (проект 2.1.2/9277).
Библиографический список
1. Королев В.Д. Канатное производство. М.: Металлургия, 1980.
256 с.
2. Мольнар В.Г, Владимиров Ю.В. Технологические основы производства стальных канатов. М.: Металлургия, 1975. 200 с.
УДК 621.778 Г.Н. Гурьянов
ООО «ФЕНИКС +», г. Белорецк
ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ ВДОЛЬ РАБОЧЕГО КАНАЛА ВОЛОКИ НАПРЯЖЁННОГО СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛА ПРОВОЛОЧНОЙ ЗАГОТОВКИ
При расчёте напряжённого состояния в рабочем конусе волоки используется усреднённая величина предела текучести, как средняя арифметическая величина его значений на входе Cs0 и выходе Csk очага пластической деформации. В этом случае обрабатываемый металл рассматривается как жёстко-пластическое тело с пределом текучести
<s = (asQ +Gsfr)/2 во всём объёме пластической деформации [1].
Если применяется инженерный метод расчёта напряжений волочения, то только для одного поперечного сечения в очаге деформации действительное значение предела текучести совпадает с усреднённым пределом
