CC BY
44Качество в обработке материалов
( \
УДК 621.778.011
Железков О.С., Мухаметзянов И.Ш., Малаканов С.А. ч_______________________________________________________
( N
ВЛИЯНИЕ СХЕМЫ И РЕЖИМОВ ДЕФОРМИРОВАНИЯ НА КАЧЕСТВО ПРОВОЛОКИ ТРАПЕЦИЕВИДНОГО СЕЧЕНИЯ
ч______________________________________________________________)
Аннотация. Используя метод конечных элементов, выполнено компьютерное моделирование процессов волочения трапециевидной проволоки по ГОСТ 11850-72. Смоделировано три варианта технологии: волочение с использованием монолитной волоки, четырехроликовой волоки и двух двухроликовых волок. Диаметр исходной заготовки круглого сечения варьировался в диапазоне 12^ 14 мм. Лучшее заполнение углов профиля имеет место при использовании двух двухроликовых волок.
Ключевые слова: Пружинные шайбы, проволока трапециевидного профиля, монолитная волока, четырехроликовая волока, две двухроликовые волоки, метод конечных элементов, радиусы скругления углов профиля.
Проволока трапециевидного профиля (ГОСТ 11850-72) из сталей марок 40С2А, 65Г используется для изготовления путевых пружинных шайб по ГОСТ 19115-91, которые широко применяются в конструкции верхнего строения железнодорожного пути для крепления рельсов к железобетонным шпалам.
На рис. 1 представлено поперечное сечение трапециевидного профиля и основные размеры. В ГОСТ 11850-72 регламентированы параметры, которые существенно влияют на процесс навивки пружинных шайб и их качество.
Рис. 1. Поперечное сечение трапециевидной профиля по ГОСТ 11850-72
В частности, для профиля № 10, применяемого при изготовлении путевых
пружинных шайб, радиусы r скругления углов не должны превышать 1,5 мм, а механические свойства трапециевидной проволоки составлять: временное сопротивление &в = 590^780 МПа; относительное удлинение 8 не менее 15%.
На качество проволоки по геометрическим параметрам и механическим свойствам влияют такие факторы, как диаметр исходной заготовки, коэффициент трения между заготовкой и инструментом, схема напряженно - деформированного состояния, чистота поверхности исходной заготовки и др.
Изготовление проволоки осуществляется с использованием процессов волочения [1].
При изготовлении проволоки трапециевидного профиля наиболее широко используются технологии, включающие волочение в монолитных волоках (ОАО «Се-верстальметиз», г. Череповец) и волочение в четырехроликовых волоках (ОАО «ММК-МЕТИЗ»).
На рис. 2 представлены конструкции применяемого в этих технологиях волочильного инструмента.
№2 2014
Страница 58
Качество в обработке материалов
а) б)
Рис. 2. Волочильный инструмент для формирования трапециевидного профиля: а) монолитная волока; б) четырехроликовая волока
Процесс волочения в монолитной волоке связан с повышенными энергосиловыми затратами, так как для обеспечения качественного формирования углов профиля приходится преодолевать значительные силы трения и использовать завышенный диаметр исходной заготовки. В свою очередь использование завышенного диаметра исходной проволоки приводит к неравномерности деформации по сечению и снижению пластических свойств получаемой проволоки трапециевидного сечения, что отрицательно сказывается на процессе навивки и качестве изготовленных шайб.
Применение четырехроликовых волок вместо монолитных обеспечивает снижение технологических усилий волочения за счет снижения сил контактного трения между деформируемым металлом и инструментом. Однако, использование четырехроликовых волок связано со сложностью их настройки. Кроме того, сравни-
тельно низкая жесткость конструкции четырехроликовой волоки является причиной нестабильность геометрических размеров сформированной проволоки по длине, в том числе, неполного заполнения металлом углов профиля.
На основании проведенных исследований разработана новая технология изготовления проволоки трапециевидного сечения, которая включает волочение с использованием двух двухроликовых волок (рис. 3).
Процесс включает следующие операции:
1. В первой паре роликов с гладкими рабочими поверхностями из исходной заготовки круглого сечения формируют сечение овальной формы (плющение);
2. Во второй паре роликов, один из которых гладкий, а другой выполнен с канавками в форме трапециевидного сечения проволоки, окончательно формируют профиль.
№2 2014
Страница 59
Качество в обработке материалов
Рис. 3. Схема процесса волочения в двух двухроликовых волоках
Используя программный комплекс «DEFORM-3D», который базируется на методе конечных элементов [2], выполнено компьютерное моделирование процессов волочения трапециевидной проволоки по ГОСТ 11850-72. При этом моделировали три варианта технологии: волочение с использованием монолитной волоки, в четырехроликовой волоки и двух двухроликовых волок. При этом варьировался диаметр исходной заготовки круглого сечения в диапазоне 12^ 14 мм.
При моделировании использовали следующие допущения: материал заготовки изотропный, пластический; процесс является изотермическим; заготовка не имеет внутренних и внешних дефектов; условие пластичности по Губеру-Мизесу; силы внешнего трения учитываются применением закона трения Амонтона - Кулона; эволюция микроструктуры не учитывается; все объекты, кроме заготовки, несжимаемые (абсолютно жесткие). Реологические свойства стали марки 65Г задавались по данным, изложенным в работе [3].
На основании выполненных расчетов получена информация об энергосиловых параметрах процесса волочения, напря-
женно-деформированном состоянии в очаге деформации и геометрических параметрах получаемой проволоки.
На рис. 4 представлен график изменения усилия волочения (P) трапециевидной проволоки в зависимости от диаметра исходной заготовки (d) при волочении по трем исследуемым технологиям.
В табл. 1 представлены радиусы скругления углов профиля при волочении в монолитной волоке, в четырехроликовой волоке и двух двухроликовых волоках со смещенными по оси волочения парами роликов.
Анализ результатов компьютерного моделирования показал, что лучшее заполнение углов профиля имеет место при использовании двух двухроликовых волок со смещенными по оси волочения парами роликов.
На основании полученных результатов подана заявка на полезную модель «Устройство для волочения проволоки трапециевидного профиля», по которой получено решение о выдаче патента.
№2 2014
Страница 60
Качество в обработке материалов
Рис. 4. Зависимость усилия (P) волочения проволоки трапециевидного сечения от ее диаметра (d) исходной проволоки при различных схемах
деформировании
Таблица 1
Радиусы скругления углов проволоки после волочения
Требования ГОСТ 11850-72 Монолитная волока Четырехроликовая волока Две двухроликовые волоки
Не более 1,5 мм 1,33-1,69 мм 1,73-2,28 мм 1,27-1,48 мм
Список литературы
1. Перлин И.Л., Ерманок М.З. Теория волочения. М.: Металлургия, 1971.- 447 с.
2. Галлагер Р. Метод конечных элементов.: Пер. с англ.-М.: Мир, 1984.- 428 с.
3. Кроха В. А. Упрочнение металлов при холодной пластической деформации. Справочник. -М.: Машиностроение, 1980.- 157 с.
References
1. Perlin I.L., Ermanok M.Z. Theory drawing. M .: Metallurgy, 1971.-447 p.
2. Gallagher R. The Finite Element Method .: Trans. with angl.- M .: Mir, 1984.- 428 p.
3. Qoha V.A. Metal hardening by cold plastic deformation. Spravochnik.- M .: Mechanical Engineering, 1980.- 157 p.
№2 2014
Страница 61
