CC BY
73
Список литературы
1. Приказ Министерства образования и науки РФ от 21 апреля 2014 г. № 359 «Об утверждении федерального государственного образовательного стандарта среднего профессионального образования по специальности 22.02.05 Обработка металлов давлением». ГАРАНТ, 2014. www.garant.ru/products/ipo/prime/doc/70587428/ (дата обращения: 07.10.2015).
2. Применение современных систем автоматизированного проектирования для решения задач моделирования технологических процессов обработки металлов давлением / Д.В. Валько, В.И. Москвина // Актуальные проблемы современной науки: взгляд молодых: сборник трудов III Всерос. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. Челябинск: Полиграф-Мастер, 2014. 300 с. С. 86-89.
3. Валько Д.В. Проблема реализации профессиональных исследовательских компетенций в условиях стандартов нового поколения для среднего профессионального образования технического профиля / Проблемное обучение с применением информационных технологий в условиях перехода на федеральные государственные образовательные стандарты / Под ред. O.P. Шефер: Сб. материалов регион. науч.-практич. семинара. 30 марта 2013 г. ЧОУ ВПО «Южно-Уральский институт управления и экономики» г. Челябинск. Челябинск: Полиграф-Мастер, 2013. 267 с. С. 100-105.
4. Яковлева К.Ю. Использование системы варьируемых коэффициентов при расчете калибровки технологического инструмента станов холодной прокатки труб // Вестник Южно-Уральского государственного университета. СерияМеталлургия. 2012. № 39. С. 160-162.
5. Коновалов A.B. Концепция управления процессом проектирования в САПР технологических процессов ковки // Программные продукты и системы. 2014. № 3. С. 126-131.
6. Исаев A.A., Бурдо Г.Б., Семенов H.A. Интеллектуальные процедуры проектирования технологических процессов в интегрированных САПР // Программные продукты и системы. 2014. № 1. С. 60-64.
7. Солод B.C., Бенецкий А.Г., Мамаев А.Н. Программный комплекс для проектирования и анализа технологии сортовой прокатки /. http://yurii.ru/ref10/particle-394880.html (дата обращения: 07.07.2015).
8. Моделирование и проектирование технологических процессов прокатки / Ф.С. Ду-бинский, A.B. Выдрин, П.А. Мальцев, М.А. Соседкова // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия Металлургия. 2007. № 13. С. 24-27.
9. Дубинский Ф.С., Соседкова М.А., Мальцев П.А. Учебно-исследовательский тренажер-имитатор процессов сортовой прокатки / // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия Металлургия. 2015. № 2. С. 120-125.
10. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2015618937 от 20 августа 2015 г. «Программа для расчета калибровочных систем по ходу прокатки» / Валько Д.В., Москвина В.И.
УДК 621.778
РЕАЛИЗАЦИЯ ДЕФОРМАЦИИ КРУЧЕНИЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ ПРОВОЛОКИ С УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТОЙ СТРУКТУРОЙ*
Харитонов В.А., Усанов М.Ю.
ФГБОУВПО «Магнитогорский государственный техническийуниверситет им. Г.И. Носова», г. Магнитогорск, Россия
Проволока находит самое широкое применение во всех отраслях промышленности. Она применяется в виде, как готовых изделий, так и полуфабрикатов для производства целого ряда метизов: стальные канаты, сварные и тканые сетки, гвозди, шурупы, детали машин, проволочно-кабельные изделия и др.
* Работа проведена в рамках реализации госзадания по теме «Разработка технологии получения высокопрочных длинномерных профилей из материалов с ультрамелкозернистой структурой в условиях комбинирования процессов интенсивного пластического деформирования» (Задание № 11.1525.2014К от 18.07.2014).
Получение равномерной по сечению проволоки с ультрамелкозернистой (УМЗ) структурой является одним из эффективных способов повышения ее конкурентоспособности.
В ОМД для получения УМЗ структур получили распространение методы интенсивной пластической деформации, основными из которых являются равноканальное угловое прессование (РКУП), кручение под давлением (КД) и свободная ковка.
В последние 10 лет активно развиваются новые виды комбинированной пластической деформации с использованием сдвига (кручения) для получения нано- и субмикрокристаллических материалов с высоким уровнем прочностных и пластических характеристик [1].
При кручении работа внешних сил, необходимая для деформации до разрушения различных материалов и отнесенная к единице массы деформируемого материала, в 3-5 раз выше, чем при растяжении. Возможность диссипировать больше энергии при кручении, чем при растяжении, объясняется двумя факторами: первый состоит в том, что при кручении реализуется схема деформации по типу простого сдвига, для которой характерно изменение угла между постоянным направлением действия максимальных касательных напряжений и направлением наибольшего удлинения; второй фактор заключается в том, что диссипация энергии деформации при кручении идет по пути генерации, перераспределения, накопления и аннигиляции дефектов кристаллического строения материала [1].
Поэтому для получения накопленной степени деформации е = 17-18 процессом РКУП требуется 16 проходов, а кручением под давлением достаточно 0,5-1 оборота [2].
Основным способом ОМД, применяемым сегодня при производстве проволоки является волочение в монолитных волоках. Способ хорошо изучен теоретически, обеспечен инфраструктурой (оборудование, инструмент, вспомогательные материалы и т.д.) [3]. В последние годы волочение прошло существенную модернизацию: коренным образом изменено оборудование, что дало возможность значительно повысить скорости волочения; большое внимание уделяется совершенствованию режимов деформации, повышению качества инструмента, технологических смазок и т.д. Это, в сочетании с простотой применяемого инструмента (монолитной волоки), повысило конкурентоспособность этого процесса. Однако, из-за монотонного характера течения металла сложно получить высокую накопленную степень деформации. Чтобы получить степень деформации е = 17-18 волочением, необходимо вытянуть образец в 10 млн. раз [2], что неизбежно приведет к разрушению металла.
С нашей точки зрения, для получения УМЗ структуры в проволоке необходимо использовать методы непрерывной интенсивной деформации проволоки, основанные на кручении. При этом для успешной промышленной реализации необходимо оставить всю действующую инфраструктуру волочения практически неизменной.
В производстве проволоки деформация кручением получила применение при управлении напряженным состоянием проволоки, путем установки дополнительных устройств вращения переднего и заднего конца проволоки, вращения волоки с целью снижения усилия волочения [4-8].
Нами было проведено исследование влияния кручения переднего и заднего концов проволоки на изменение структуры проволоки [9]. Было показано, что кручение значительного влияние на деформированное состояние проволоки не оказывает, а изменяет напряженное состояние и способствует снижению усилия волочения. Тем самым теоретически была подтверждена правильность предшествующих эмпирических исследований.
Известны работы о применении комбинированных процессов деформации, включая кручение, для непрерывного наноструктурирования проволоки [10]. Было показано, что эти процессы позволяют получать требуемую структуру. Однако, оценки влияния деформации кручения при этом не производилось, а для реализации этих процессов в промышленных условиях требуется достаточно сложное дополнительное оборудование.
В связи с тем, что вращающиеся волоки получили достаточно широкое распространение на современном волочильном оборудовании, представляет интерес изучение деформированного состояния при вращении волок. Нами было проведено исследование в программном комплексе Deform-3d волочения во вращающейся монолитной волоке.
Исследовалась одна протяжка с диаметра 5,50 мм на диаметр 4,86 мм (обжатие 22 %). В качестве материала была принята сталь марки Л181-1070 из базы БеГогш-Эё. Исследуемая заготовка - упругопластическая, длина - 50 мм. Геометрия волоки - по ГОСТ 945Э-75. Скорость волочения - 2 м/с. Коэффициент трения по Кулону - 0,05.
В расчете меняли скорость вращения волоки. Линейную скорость вращения волоки находили по формуле
о = ю- Я (1)
где и - линейная скорость волоки; (О - угловая скорость волоки; Я - радиус (в нашем случае принимался радиус в середине очага деформации и составлял 2,59 мм).
Варианты соотношения линейных скоростей проволоки и волоки приведены в табл. 1.
Таблица 1
Варианты соотношения скоростей
№ варианта Линейная скорость заготовки, м/с Угловая скорость волоки, об/мин Угловая скорость волоки, рад/с Линейная скорость волоки, м/с Соотношение скоростей, %
1-й 2 10 1,047 0,0027 0
2-й 2 921 96,447 0,2499 12,5
3-й 2 1843 192,998 0,4999 25
4-й 2 3686 385,997 0,9997 50
5-й 2 7372 771,993 1,9995 100
После моделирования в продольном сечении заготовки была нанесена координатная сетка с размером ячеек 1x1 мм.
Результаты моделирования приведены в табл. 2.
Анализ полученных данных показывает, что при вращении волоки со скоростью 10 об/мин не происходит видимых изменений. Во втором варианте при соотношении скоростей 12,5 % происходит скручивание заготовки со стороны выхода, и угол скручивания составляет 1 град. С повышением числа оборотов вращения волоки увеличивается угол скручивания заготовки до угла 2,6 град в четвёртом варианте. При одинаковом соотношении скоростей (5-й вариант) происходит разрушение заготовки сразу после выхода из волоки.
Вращение волоки приводит к изменению структуры, однако, для этого необходимо вращать волоку с большими скоростями. Таким образом, данный способ имеет невысокую эффективность и применять при его измельчении структуры при волочении нецелесообразно.
В работах [11, 12] проведено исследование по применению волочения со сдвигом. Устройство состоит из волоки со специальной геометрией, с возможностью вращения вокруг оси волочения. Деформация, сопровождающаяся изменением физико-механических свойств металла и формированием УМЗ структуры, обеспечивается за счет того, что устройство снабжено второй неподвижной волокой, а внутренние каналы первой и второй волок выполнены в виде смещенных конусов, причем выходное сечение второй волоки эксцентрично относительно входного сечения первой волоки.
Данный способ не меняет сути волочения, но имеет инструмент с достаточно сложной геометрией и находится на стадии лабораторного исследования.
Результаты моделирования
Таблица 2
№ варианта
Результат моделирования
Без видимых изменений
0
В практике волочения проволоки различного назначения широкое распространение получило распространение волочение (протяжка) в роликовых волоках. По сути заменяется только инструмент, причем на современных волочильных машинах делается это очень просто. При этом улучшаются температурные и контактные условия волочения, повышается равномерность деформации по сечению проволоки. Это способствует повышению качества проволоки и снижению затрат на ее производство. Для изготовления круглой проволоки получили распространение двух-, трех- и четырех роликовые сдвоенные волоки, промышленно изготавливаемые многими машиностроительными фирмами.
В МГТУ им. Г.И. Носова с 2001 г. проводятся исследования по применению радиально-сдвиговой деформации для производства проволоки. Используя волочение в качестве основного способа обработки проволоки и заменив монолитную волоку на роликовую, был разработан способ, получивший название - радиально-сдвиговая протяжка (РСПр). РСПр является аналогом радиально-сдвиговой прокатки, как роликовое волочение является аналогом продольной прокатки.
Процесс радиально-сдвиговой протяжки был смоделирован в программном комплексе БеГогш-Зё [13-15]. С помощью координатной сетки определены траектории течения металла [16]. Металл течет по геликоидальной траектории, которую характеризует угол подъема винтовой линии у (рис. 1).
Угол подъема винтовой линии зависит от угла конической части ролика и от вытяжки. С увеличением вытяжки и обжатия угол скручивания уменьшается, т.е. подобно виткам пружины плотность навивки становится больше. Меняя эти параметры, можно управлять характером течения металла, что недостижимо при волочении в монолитных волоках.
Г90° >
\
г у \
\
4 У
.
а б
Рис. 1. Траектории течения металла а - при волочении; б - при радиально-сдвиговой протяжке
Так как траектории течения металла становятся больше, то это приводит к немонотонной деформации и, соответственно, к повышению степени деформации. Что, в свою очередь, приводит к измельчению структуры металла. Зная угол подъема винтовой линии, можно определить накопленную степень деформации по формуле
е = 21п
Ы л
V а у
+ 1п
90
кГу
(2)
где а0 и а - начальный и конечный диаметры проволоки, соответственно.
Также, зная межпластиночное расстояние до деформации 50 и диаметр ё0, можно определить межпластиночное расстояние после деформации 5 на диаметре ё [17]
5 = (3)
30 а0
Смоделировали маршрут волочения РСПр с монолитной волокой [16]. Показано, что, меняя направление вращения волоки РСПр и комбинируя ее по проходам с монолитной волокой, можно в широких пределах управлять течением металла при волочении.
Разработаны модульные конструкции РСПр и монолитной волоки, что позволяет сократить кратность волочения [3].
На способ получения проволоки из высокоуглеродистой стали с наноструктурой, включающий деформацию заготовки путем приложения тянущего усилия с одновременным приложением дополнительной деформации сдвига вращением, получен патент РФ [18].
При совмещении двух роликовых волок, вращающихся в разные стороны, был разработан способ изготовления высокопрочной проволочной арматуры периодического профиля для создания на поверхности проволоки-заготовки мелкодисперсной, равновесной феррито-цементитной структуры. Причем толщина этого слоя зависит от глубины проникновения сдвиговой деформации, которая, в свою очередь, пропорциональна значению вытяжки [19].
Таким образом, применение волок РСПр позволяет, не меняя сути процесса волочения и используя действующую инфраструктуру, используя высокоэффективную деформацию кручения, начать промышленные исследования по освоению производства проволоки различного назначения с УМЗ и наноструктурами. Дополнительные возможности дает совмещение устройств радиально-сдвиговой протяжки и монолитных волок в едином вращающемся модуле.
Список литературы
1. Пашинская Е.Г. Физико-механические основы измельчения структуры при комбинированной пластической деформации. Донецк: Изд-во «Вебер» (Донецкое отделение), 2009. 352 с.
2. Утяшев Ф.З. Связь между деформированным и структурным состояниями металла при интенсивной пластической деформации // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением. 2011. № 5. С. 33-39.
3. Совершенствование режимов деформации и инструмента при волочении круглой проволоки: монография / В.А. Харитонов, А.Ю. Манякин, М.В. Чукин, Ю.А. Дремин, М.А. Тикеев, М.Ю. Усанов. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2011.174 с.
4. A.c. СССР 372002 МПКВ21С3/14. Опубл. БИ№13 01.03.1973.
5. A.c. СССР 539630 МПКВ21С1/00. Опубл. БИ№47 25.12.1976.
6. A.c. СССР 663462 МПКВ21С3/14. Опубл. БИ№19 25.05.1979.
7. A.c. СССР 1243860 МПК В21С1/00. Опубл. БИ №26 15.07.1986.
8. A.c. СССР 2043799 МПКВ21С1/00. Опубл. БИ 20.09.1995.
9. Харитонов В.А., Усанов М.Ю. Влияние кручения при волочении круглой проволоки в монолитной волоке // Моделирование и развитие процессов обработки металлов давлением: междунар. сб. науч. тр. / под ред. В.М. Салганика. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2015. Вып. 21. С. 82-88.
10. Харитонов В.А., Усанов М.Ю. Анализ способов непрерывного наноструктурирова-ния проволоки // Обработка сплошных и слоистых материалов. 2015. № 1 (42). С. 50-61.
11. Рааб А.Г., Чукин М.В. Разработка нового метода интенсивной пластической деформации - волочение со сдвигом // Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов: материалы XXI Уральской школы металловедов-термистов. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова. 2012. С. 20-21.
12. Патент РФ №2347632 МПК В21С 1/00. Опубл. БИ 27.02.2009.
13. Харитонов В.А., Усанов М.Ю. Моделирование процесса радиально-сдвиговой протяжки // Материалы 68-й межрегион. науч.-техн. конф. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та им. Г.И.Носова, 2010. Т. 1. С. 46-48.
14. Усанов М.Ю. Моделирование в программном комплексе Deform 3d процессов волочения и радиально-сдвиговой протяжки проволоки // Моделирование и развитие процессов обработки металлов давлением: междунар. сб. науч. тр. / под ред. В.М. Салганика. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та им. Г.И.Носова, 2012. С. 80-85.
15. Харитонов В.А., Усанов М.Ю. Модель формирования наноструктуры в высокоуглеродистой проволоке в процессе радиально-сдвиговой протяжки // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов: межвуз. сб. науч. тр. / под общ. ред. В.М.Самсонова, Н.Ю. Сдобнякова. Тверь: Твер. гос. ун-т, 2012. Вып. 4. С. 309-313.
16. Харитонов В.А., Усанов М.Ю. Состояние и направления развития непрерывных способов наноструктурирования круглой проволоки // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2013. № 3. С. 69-73.
17. Харитонов В.А., Усанов М.Ю. Исследование радиально-сдвиговой протяжки проволоки на основе моделирования // Металлург. 2013. № 11. С.83-87.
18. Патент РФ №2498870 МПК B21C1/00. Опубл. БИ. 20.11.2013.
19. Патент РФ №2502573 МПК B21C1/00. Опубл. БИ. 27.12.2013.
