Снижение обрывности высокопрочной проволоки при свивке из нее металлокорда на машинах двойного кручения Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

78/

м

агтт^ г: гшшгг ггггг

2 (65), 2012-

Influence of technological parameters of deformation on solidity losses at the example of super-strength wire with diameter 0,20 mm is considered. Difference of influence of separate types of deformation from influence of summation influence on solidity losses is shown.

б. а. бирюков, ю. в. Феоктистов, а. в. веденеев, оао «бмз»

УДК 669.

снижение обрывности высокопрочной проволоки при свивке из нее металлокорда на машинах двойного кручения

Процесс изготовления металлокорда, как правило, производимого на высокоскоростных сви-вочных машинах, зачастую сопровождается обрывами тонких проволок, которые ухудшают качество металлокорда, сдерживают производительность оборудования и приводят к перерасходу исходного материала. На Белорусском металлургическом заводе, производящим высокопрочный металлокорд, давно изучаются причины обрывности тончайшей стальной латунированной проволоки при свивке из нее прядей и металлокорда. В данной статье сделана попытка описать основные причины ее обрывов при свивке изделий на машинах двойного кручения.

Свивка высокопрочной проволоки в металло-корд должна обеспечивать малые потери прочности и низкую обрывность. Снижение потерь прочности возможно в относительно простых (3-7 ниточных) или же в многослойных и компактных конструкциях металлокорда. При этом минимальная обрывность и снижение потерь прочности обеспечиваются при выборе рациональных схем деформации при свивке. К недостаткам метода двойного кручения относится прежде всего повышенное требование к качеству перерабатываемой проволоки по чистоте стали (неметаллические включения, повышенное содержание цветных металлов, азота и др.), дефектам метизного передела (низкий запас пластичности, склонность к расслоению и др.). Такая чувствительность технологии при изготовлении канатов методом двойного кручения связана со спецификой деформирования проволоки при свивке, где основное деформирующее воздействие на проволоку «кручение+растяжение» и на порядок меньше изгиб [1-4].

Основными причинами обрывов проволоки (табл. 1) являются дефекты металлургического и

проволочного переделов, а также неотлаженностъ оборудования на участке свивки. На различном свивочном оборудовании дефекты такого характера проявляются по-разному. Так, наибольшее количество обрывов (88,6%) приходится на свивоч-ные машины мод. ТД 2/401 (49% от общего числа свивочных машин фирмы <^ашеП» (Италия)), на которых свивают пряди, сердечники и металло-корд простейших конструкций. В том числе 55,2% обрывов происходит из-за дефектов металлургического передела, в частности, вследствие наличия неметаллических включений в стали. Это связано со спецификой деформирования проволоки в торсионном узле свивальных машин, где витые изделия подвергаются преимущественно знакопеременному кручению с напряжениями выше предела текучести стали, а также изгибу в устройстве двух-плоскостной рихтовки, применяемой с целью снятия свивочных напряжений.

Дефекты проволочного передела (в основном электроэрозия, риски, несплошности покрытия) проявляются в большей степени на свивальных машинах одинарного кручения СД 2/6 + 1 и СД 2/2 + 1. Основной вид механической нагрузки на проволоку в них - изгиб, особенно на трех опорных пре-форматорах и в рихтовальных устройствах, в меньшей степени оказывает влияние на кручение при свивке. Кроме того, имеет значение и состояние самих свивочных машин.

Все указанные факторы не влияют на обрывность на свивальных машинах мод. Я и ШЯ фирмы «Barmag» (Германия), которые отличаются более благоприятными условиями размотки и деформирований проволоки при свивке.

Путем сравнения случаев обрывности на оборудовании различных типов установлено, что основное число обрывов приходится на свивочные

гг г^шгггптг1 /70

-2 (65), 2012 / IV

Т а б л и ц а 1. Влияние различных факторов на обрывность проволоки при свивке [1]

Модель свивочной машины Число обрывов на 1 т годного металлокорда (количество обрывов от их общего числа) Всего обрывов на 1 т металлокорда

от дефектов металлургического от дефектов проволочного передела из-за неотлаженности свивочных машин Доля обрывов, %

передела

ТД 2/401 0,9 (99,34) 0,562 (81,45) 0,168 (68,85) 1,63 88,59

СД 2/6 + 1 0,006 (0,66) 0,094 (13,62) 0,076 (31,15) 0,176 9,56

СД 2/2 + 1

Ri и RiR - 0,034 (4,93) - 0,034 1,85

Итого 0,906 (100) 0,69 (100) 0,244 (100) 1,84 100

машины мод. ТД 2/401. Данные по обрывности проволоки при свивке металлокорда в виде прядей различных конструкций на свивочных машинах мод. ТД 2/401 приведены в табл. 2.

Таким образом, при свивке металлокорда в виде пряди конструкций 4х0,18 и 3х0,15 преобладающими являются частичные обрывы (69,46 и 74,1%) по сравнению с полными обрывами изделия (30,54 и 25,9% соответственно). Это вызывает существенные потери производительности свивальных машин на 16,0 и 17,46% соответственно. Единичные обрывы наблюдаются в основном после торсионного узла свивальной машины, поэтому распознать, на какой катушке находится дефектный металл, не представляется возможным.

Исследованы также силовые условия свивки проволок в пряди и металлокорд различных конструкций на машинах мод. ТД 2/401. При этом перед их вытяжным шкивом измеряли статическое (при остановленной крутильной части) и динамическое натяжения при размотке проволоки. Резуль-

таты замеров усилия разрыва свиваемого элемента натяжения проволоки (пряди) при размотке непосредственно с питающей катушки приведены в табл. 3.

Установлено, что статическое натяжение перед вытяжным шкивом почти в 2 раза превышает усилие натяжения -Рвых при размотке проволоки с отдающей катушки и составляет 12,2-23,09 % от разрывного усилия проволоки [1]. На рис.1 показана схема движения проволоки по проводковой системе машины мод. ТД 2/401. Из рисунка видно, что статическая нагрузка на проволоку возрастает в результате ее перегиба на роликах проводковой системы и от трения о поверхность салазок на крутильных частях; наибольший прирост нагрузки (на 55%) происходит на роликах рычага компенсирующего устройства и обводных до очага свивки; значительные потери на трение металлокорда о направляющую арматуру наблюдаются на второй по ходу салазке крутильной части машины.

В процессе свивки вращающаяся нить метал-локорда отбрасывается центробежной силой и образует «баллон», размеры которого ограничены условием необходимости контакта нити в точках 7 (рис. 1) с крутильной частью. Давление в этих точках зависит от натяжения каждой проволоки и понижается с увеличением частоты вращения нити, однако ее натяжение возрастает. При этом среднее динамическое натяжение QвЬIX незначительно превышает статическое -Рвых на разных свивальных машинах и изменяется от 0,5 до 1,5 -Рвых (табл. 3).

Т а б л и ц а 3. Сравнение динамического и статического натяжений металлокорда и пряди различных конструкций [1]

Конструкция металлокорда Статическое натяжение, Н Усилие разрыва для свиваемого элемента, Н Доля усилия разрыва Среднее динамическое натяжение на выходе из свивальной машины (при положении стрелки тензометра), Н Доля от усилия разрыва, %

отдающих катушек на выходе из машины или вытяжным шкивом

3х0,22 9±1 18±1 93,15 19,32 20±3 21,47

Зх7х0,22 НЕ 45±2 77,5±2 635,14 12,20 90±4 14,17

4х0,18 6,25±1 12,5±1 59,8 20,9 14±3 23.41

3х0,15 5±1 10±1 43,3 23,09 11,25±3 25,98

3х0,18 6,25±1 12,5±1 59,8 20,9 14,1±3 23.58

4х0,22 9±1 18±1 93,15 19,32 20,25±3 21,74

3х0,20 8±1 76,97 20,79 18±3 23,39

Т а б л и ц а 2. Сравнение обрывности для разных конструкций металлокорда на машинах ТД 2/401

Конструкция 4х0,18 3х0,15

Количество обрывов от их общего числа: • частичных • полных 69,46 30,54 74,10 25,9

Потеря производительности свивочных машин, % 16,0 17,46

80

птМ г: гл^ггтллтгггггт

2 (65), 2012-

Рис. 1. Схема свивальной машины ТД 2/401 и статические нагрузки (цифры в кружках (Н)) на свиваемый элемент витого изделия конструкции 4х0,18: 1 - питающая катушка; 2 - компенсирующее устройство; 3 - обводные ролики; 4 - лопаточные колеса; 5 - торсионный узел; 6 - проволока диаметром 0,18 мм; 7 - салазки

Исследования показали, что указанные колебания, а соответственно и обрывность проволоки больше на специально неотлаженном оборудовании.

Снижению обрывности проволок может способствовать уменьшение величины укручивания проволок на шаге свивки за счет использования ротационной размотки для регулируемой подкрутки проволок, схема которой представлена на рис. 2

[5, 6].

Проволока или прядь, разматываясь с катушки 1, сначала направляется против хода машины, получая первичную подкрутку со скоростью wn роторами 3, вращающимися синхронно в том же направлении, что и крутильный ротор машины 9 и 11. Затем, поступая в ротор 4, получаем вторичную подкрутку.

Далее проволоки или пряди формируются в структуру металлокорда в распределительном шаблоне 6 и направляются в конус свивки в формирующих плашках 7 и образуют витую структуру определенной конструкции, которая протягивается со скоростью Усв и вращается со скоростью wF, ро-

тором 9 крутильной части машины. Затем метал-локорд проходит по «баллону» и поступает в ротор 11, где получает дополнительную подкрутку до готового шага.

Соотношение скоростей wп и Wр является важным для проволоки с точки зрения напряженного состояния в свитой структуре, а для пряди, кроме того, с точки зрения изменения шага свивки:

t-н t-м

tмк ± t н

1+

w„

w„

Рис. 2. Кинематическая схема свивочной машины двойного кручения с внешним расположением питающих катушек и узлом подкрутки проволок: 1 - питающая катушка; 2 -проволока; 3 - первичная подкрутка; 4 - вторичная подкрутка; 5 - направляющие ролики; 6 - распределительный шаблон; 7 - плашки; 8 - витая структура; 9 - первичная свивка; 10 - «баллон»; 11 - вторичная свивка; 12 - витая структура с номинальным шагом; 13 - торсионный узел; 14 - приемная катушка

где ^ - конечный шаг свивки пряди в металлокор-де; tn - начальный шаг свивки пряди до свивки в металлокорд; - шаг свивки металлокорда;

- направление свивки металлокорда и пряди совпадают; t^- tK - разное направление свивки ме-1 , Wh

таллокорда и пряди; 1 +---разное направление

Wv

вращения свивочного ротора и ротационной раз-

W

1 п

мотки; 1---направление роторов совпадает.

W>

На рис. 3 показана сравнительная схема образования упругих крутящих моментов для обычной машины двойного кручения и машины двойного кручения с ротационной размоткой.

За счет регулирования степенью подкрутки проволок перед свивкой в металлокорд можно добиться наилучшего прилегания проволок наружного повива к проволокам центральных слоев. Согласно рисунку, использование ротационной размотки для отдельных проволок или прядей снижает уровень упругих крутящих моментов, поэтому в меньшей степени требуется воздействие торсио-на для обработки корда крутильной деформацией. Снижение величины деформации кручения, как правило, ведет к снижению обрывности проволок при свивке.

Рис. 3. Направление действия упругих крутящих моментов на проволоках (красный цвет) при полной деформации кручения проволок при свивке в металлокорд (черный цвет): а - после пластической деформации при кручении (синий цвет); б - после предварительной подкрутки (зеленый цвет); а - обычная машина двойной свивки; б - машина двойной свивки с регулируемой степенью подкручивания проволок (ротационная размотка)

Кроме того, актуальным стала возможность регулирования степени деформации на проволоки с помощью ротационных размоток при изготовлении компактных конструкций металлокорда и при свивке корда из сверх- и ультравысокопрочной проволоки. В первом случае упругие моменты в проволоке направлены на уплотнение конструкции, во втором случае на проволоку воздействуют минимальными крутильными деформациями, снижая работу деформации и меньше травмируя проволоку.

Особенно важным использование минимальной деформации кручения является при производстве высокопрочных материалов, которые впоследствии подвергаются сложно деформированному воздействию. Увеличение прочности тонкой проволоки после волочения приводит к росту упругой части деформации при свивке и, как следствие, к повышению суммарной деформации для проволок с целью получения требуемого остаточного кручения, прямолинейности и нераскручиваемо-сти. В зависимости от технологической схемы изготовления металлокорда уровень напряжений и характер их воздействия на свойства проволоки будут различными, которые в некоторых случаях

глгтт:г: г: гсшг^гпте /01

-2 (65), 2012 / III

могут привести к разрушению проволок при свивке. При сопоставлении наиболее частом месте обрывов в торсионе и максимальном разупрочнении проволок за счет пиковой деформации кручения [8, 9] можно в целом вероятность обрывности ме-таллокорда оценивать через потери прочности волоченой проволоки.

Оценка доли каждого типа потерь волоченой проволоки при свивке была проведена на образцах ряда конструкций металлокорда. Результаты приведены в табл. 4.

Как видно из таблицы, для разных конструкций металлокорда основная доля потерь прочности приходится на потери при воздействии на волоченую проволоку комплексной деформации растяжения, изгиба и кручения, которые всегда присутствуют при свивке [4, 6, 7].

Как известно, при работе с проволокой трудно определить величину упругой и пластической деформаций при сложных видах нагружения. Поэтому многие исследователи оценивают величину полной и остаточной деформаций, используя простые модели нагружения. Так, например, определяют полную и остаточную деформации проволоки по диаграмме удлинение-нагрузка или находят изменение кривизны проволоки, находящейся в свободном состоянии после навивки ее на цилиндрический стержень (рис. 4).

На рис. 4 показана зависимость потерь прочности от величины крутильной и изгибной деформаций проволоки диаметром 0,30 мм, изготовленной из высокочистой стали 80 [7]. Методика определения зависимости от крутильной деформации заключалась в следующем: на торсиометре проволока длиной 500 мм подвергалась деформации кручения под растягивающей нагрузкой, равной 2% от разрывного усилия проволоки. Как видно из рисунка, потери прочности при обычно имеющих место при свивке деформациях кручения изменяются по параболической зависимости. Комбинированная схема деформации (изгиб + растяжение) (рис. 5) оказывает большее влияние на потери прочности, чем деформация при кручении.

Т а б л и ц а 4. Значения потерь прочности проволок для металлокорда различных конструкций

Конструкция металлокорда Полные потери Кп, % Потери на деформацию к№ % Доля Кд в полных потерях, % Конструктивные потери Кк, % Доля Кк в полных потерях, %

2х0,30 НТ 7,4 6,8 91,9 0,6 8,1

3х0,35 НТ 3,81 3,35 87,9 0,46 12,1

3 + 9х0,35 НТ 4,33 2,73 63,0 1,6 37,0

3х0,15/6х0,265 ST СС 6,43 5,03 78,2 1,4 21,8

0,20 + 18х0,175 СС 7,76 6,65 85,7 1,11 14,3

0,20 + 18х0,175 ST СС 8.17 6.13 75,0 2.04 25,0

3 + 8 + 13х0,22 + 0,15 8,05 7,45 92,5 0,6 7,5

82/

г: гшшгггта

2 (65), 2012-

Рис. 4. Зависимость потерь прочности (Кд) от величины крутильной и изгибной деформаций: 1 - деформация кручения;

2 - деформация изгиба

Создание имитации сложной деформации производится путем отслеживания перемещения произвольной точки на поверхности проволоки из реальных кинематических зависимостей процесса деформационной обработки проволоки. Чем выше упругие характеристики проволоки, тем больше будет отмечено перемещение точки.

На рис. 5 показана зависимость изменения исходной прочности волоченой проволоки диаметром 0,30 мм под воздействием совместной деформации растяжения с изгибом.

Судя по динамике изменения прочности проволоки, сочетание деформации изгиба с растягивающей нагрузкой 40-60 Н приводит к интенсивному разупрочнению (13%) с последующим не менее интенсивным упрочнением. Предполагается, что данный эффект происходит с появлением и аннигиляцией свободных дислокаций с последующим созданием и накоплением новых. Рассмотренная схема деформирования проволоки вполне может соответствовать машинам одинарного кручения, в которых отсутствует деформация кручения проволоки вокруг своей оси. Но при производстве ме-таллокорда на современных производствах в основном применяются высокоскоростные машины двойного кручения, которые дополнительно воздействуют на проволоку крутильными деформациями [4, 6].

Для определения степени воздействия крутильных деформаций на изменение прочности волоченой проволоки на рис. 6 показана зависимость изменения прочности латунированной проволоки диаметром 0,30 мм от сложного вида деформации кручения и натяжения.

Судя по постоянной тенденции к снижению уровня исходной прочности волоченой проволоки, можно предположить, что деформация кручения в исследуемом диапазоне нагрузок является превалирующей по отношению к растягивающей, кото-

Рис. 5. Зависимость изменения прочности (F) латунированной проволоки диаметром 0,30 мм от сложного вида деформации изгиба и натяжения (Рраст). Радиус изгиба проволоки: 1 - 2,75 мм; 2 - 1,575; 3 - 1,200 мм

рая должна вести к дальнейшему упрочнению проволоки.

В стремлении производителей металлокорда к повышению уровня прочности проволок метал-локорда важно спрогнозировать их поведение в условиях сложно-деформированного нагружения. Установлено, что агрегатная прочность металлокорда с увеличением временного сопротивления разрыву проволок повышается непропорционально его возрастанию. Медленный рост агрегатной прочности металлокорда обусловлен возрастанием потерь от свивки с ростом прочности используемой проволоки [10]. Для преодоления упругих свойств высокоуглеродистого материала при свивке требуется более высокий уровень деформации, что приводит к интенсивной аннигиляции дислокаций за счет большей внесенной энергии и появлению новых плоскостей скольжения. За счет снижения внутренних напряжений в проволоке после сложного нагружения снижается модуль упругости (рис. 7). Причем интенсивность снижения практически оди-

Рис. 6. Зависимость изменения прочности (К) латунированной проволоки диаметром 0,30 мм от сложного вида деформации кручения (и) и натяжения. Натяжения проволок (Рраст): 1 - 11,4 Н; 2 - 45,6; 3 - 68,4; 4 - 91,2 Н

г^г: г кпгшттг, 100

-2 (65). 2012/ и и

Рис. 7. Изменение модуля упругости проволоки 0,20 ST и 0,30 ST от усилия натяжения при сложной деформации в процессе свивки: 1 - диаметр 0,20 мм; 2 - диаметр 0,30 мм

накова для разных диаметров проволоки из одной марки стали.

Как было сказано выше, различная комбинация схем деформации приводит к различному уровню прочности проволок после свивки. На рис. 8, 9 показаны динамика изменения прочности сверхвысокопрочной проволоки диаметром 0,20 мм от шага свивки и величины растягивающих усилий. Для более полной имитации условий свивки на машине двойного кручения каждая проволока подвергалась подкручиванию на угол 2п на длине шага свивки.

Зависимости, приведенные на рис. 8, 9, являются полезными для разработки технологических параметров настройки свивочных машин. Более общее представление о влиянии сложных видов деформации показано на рис. 10.

К сожалению, по уровню полной деформации довольно сложно анализировать отличие способов свивки и их влияние на потери прочности. Требуется учитывать доли участия того или иного вида

Рис. 8. Изменение потерь прочности (К) проволок 0,20 ST от шага свивки (Г). Растягивающая нагрузка: 1 - 5 Н; 2 - 10;

3 - 15; 4 - 20; 5 - 25 Н

деформации, чтобы научиться управлять технологическим процессом. Основной проблемой свивки из высокопрочной проволоки является высокая обрывность, обусловленная значительными деформациями кручения и обычно более высоким уровнем натяжения.

Рассмотрены составляющие потерь прочности проволок. На примере металлокорда 3х0,30 и 3х0,30 НТ показана доминирующая роль деформации в потере прочности.

Выявлено, что основным видом деформации, влияющим на разупрочнение, является деформация изгиба. Совместная деформация изгиба с растяжением на примере высокопрочной проволоки диаметром 0,30 мм имеет ярко выраженный экстремум, зависящий от соотношения деформации изгиба к деформации растяжения.

Совместная деформация кручения с растяжением приводит к росту потерь прочности (и вероятности обрывов проволоки), но менее интенсивно, чем изгиб+растяжение.

Сложные виды деформации для волоченой проволоки снижают модуль упругости материала, делая его более пригодным для деформации свивки.

Рис. 9. Изменение потерь прочности (К) от натяжения проволок 0,20 ST при свивке (Рраст). Шаг свивки: 1 - 5 мм; 2 - 10; 3 - 15 мм

Рис. 10. Зависимость потерь прочности (К) проволоки 0,20 ST от величины полной деформации (е)

84

и г: ктпптггта

2 (65), 2012-

Также в работе рассмотрено влияние техноло- возможно осуществить на машинах с ротационной

гических параметров деформации на потери проч- размоткой проволоки. В настоящее время на БМЗ

ности на примере сверхвысокопрочной проволоки такими машинами являются машины DV3TIR. Су-

диаметром 0,20 мм. Показано отличие влияния от- ществует возможность регулировать направление

дельно взятых видов деформации от влияния сум- и угол подкручивания проволок, устраняя при этом

марного воздействия на потери прочности. упругие крутящие моменты. Это позволяет сни-

Наиболее целесообразным является макси- зить уровень натяжения по сравнению с аналогич-

мальное снижение деформации кручения, чтобы ными машинами DV3TI (Ш-10), имеющими ста-

приблизиться к схеме деформации одинарного ционарную размотку, что ведет к снижению об-

кручения. Имитацию одинарной свивки при этом рывности при свивке.

Литература

1. Б и р ю к о в Б. А., Ф е о к т и с т о в Ю. В., В е д е н е е в А. В. Снижение обрывности проволоки при свивке из ее прядей и металлокорда на свивальных машинах двойного кручения // Черная металлургия. 1991. № 1. С. 62-63.

2. Б и р ю к о в Б. А., Ф е о к т и с т о в Ю. В., В е д е н е е в А. В. Особенности свивки металлокорда на машинах одинарного и двойного кручения // Тез. докл. ВНТС «Пути ускорения научно-технического прогресса в метизном производстве». Магнитогорск, 1990. С. 101-102.

3. Н е м у д р ы й Б. А. Оборудование для свивки металлокорда // Обзорная информация. М.: «Черметинформация». 1980. Сер. 9. Вып. 2.

4. Ф е о к т и с т о в Ю. В. Разработка и внедрение технологии производства металлокорда методами многократной деформации кручения: Дис. ... канд. техн. наук. Минск, 1992.

5. В л а д и м и р о в Ю. В. Новое поколение высокоскоростных прядевьющих свивальных машин // Обзорная информация. М.: АО «Черметинформация». Сер. Метизное производство. 1993. Вып. 1.

6. Б и р ю к о в Б. А., Ф е о к т и с т о в Ю. В., И г н а т ь е в С. Н. Расчеты параметров свивки металлокорда. Мн.: Белорг-станкопромиздат, 1996.

7. В е д е н е е в А. В., Ж е л т к о в А. С., Ф и л и п п о в В. В. Анализ деформаций элементов витых структур и их влияние на потери прочности при производстве металлокорда // Весщ НАН Беларусг Сер. фiз.-тэхн. навук. 2000. № 3. С. 23-27.

8. Ф е т и с о в В. П. Природа изменения свойств холоднодеформированной проволоки в процессе свивки высокопрочного металлокорда // Сб. науч. тр. «Металлургия и литейное производство». Минск, 1997. С. 8-10.

9. Б и р ю к о в Б. А., В е д е н е е в А. В., П а н а с е н к о В. С. Исследование влияния основных технологических факторов на потери прочности латунированной проволоки в результате свивки в односторонний металлокорд // Совершенствование технологических процессов на Белорусском металлургическом заводе. 1994. С. 28-32.

10. Г о л о м а з о в В. А., Б и р ю к о в Б. А., С о к о л о в Н. В. Свойства металлокорда // Метизное производство. 1973. Сер. 9. Вып. 4.