CC BY
82
УДК 621.778.073
ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ ДЕФОРМАЦИИ НА СОПРОТИВЛЕНИЕ ПЛАСТИЧЕСКОМУ ДЕФОРМИРОВАНИЮ УГЛЕРОДИСТОЙ ЛАТУНИРОВАННОЙ ПРОВОЛОКИ В ПРОЦЕССЕ ТОНКОГО ВОЛОЧЕНИЯ
С. В. АВСЕЙКОВ, Ю. Л. БОБАРИКИН
Учреждение образования «Гомельский государственный технический университет имени П. О. Сухого»,
Республика Беларусь
Углеродистая латунированная проволока используется в производстве автомобильных шин, рукавов высокого давления. Она служит армирующим элементом для резиновой составляющей шин или рукавов высокого давления. Проволока часто свивается в металлокорд для усиления армирующего эффекта. Проволоку получают из проволочной заготовки методом тонкого волочения.
Современное производство углеродистой латунированной проволоки развивается в направлении повышения прочности металла проволоки. Для этих целей в металле повышают концентрацию углерода или повышают степень упрочняющей деформации проволоки при волочении. К тому же в целях повышения эффективности производства постоянно наращиваются скорости волочения, напрямую определяющие производительность процесса волочения. Повышение скорости волочения сопровождается ростом температуры проволоки в процессе деформации, что усиливает упрочнение проволоки за счет эффекта динамического деформационного старения.
Таким образом, повышение степени деформации проволоки и увеличение скорости ее волочения влекут за собой повышение прочности и, как следствие, снижение пластичности проволоки. Но пластические свойства проволоки используются при дальнейшей ее свивке в металлокорд, они обеспечивают и эксплуатационные характеристики шин и рукавов высокого давления. Степень деформации и скорости волочения проволоки определяются одним показателем - скоростью деформации.
В этой связи возникает задача прогноза пластических свойств проволоки в зависимости от ее скорости деформации.
На скорость деформации проволоки при волочении влияют скорость волочения, частная вытяжка и угол конической части волоки. Средняя скорость деформации в волоке в зависимости от вышеперечисленных параметров может быть рассчитана по предложенной Колмогоровым Г. Л. зависимости [1]:
£ = 4(1П Уд + 0,385 • ^(а в )Жв • ^(а в ) (1)
Р ^ оУд- гц/д ,
где Уъ - скорость волочения, мм/с; - диаметр волоки, мм; ав - угол конической
части волоки; ц - частная вытяжка.
Влияние скорости деформации на сопротивление пластическому деформированию в процессе волочения рассматривается через отношение динамического условного предела текучести материала к статическому пределу текучести [2]:
^=7^, (2)
^ ст
где ад - динамический условный предел текучести, значение которого зависит от скорости деформации, МПа; аст - статический условный предел текучести, величина которого условно принята не зависящей от скорости деформирования, МПа.
Полученные значения £а для исследуемого материала аппроксимируются функцией, которая описывает влияние скорости деформации на расчетное значение условного предела текучести модели материала и имеет вид [3]:
1
& = '*№ <3)
где в - скорость деформации, с- ; С и р - параметры материала.
Среднюю скорость деформации в конической зоне волоки можно определить с помощью численного моделирования процесса волочения проволоки [3]. Главным преимуществом способа численного моделирования является отражение характера распределения скорости деформации в конической зоне волоки. Распределение скорости деформации в конической зоне волоки влияет не только на значение условного предела текучести, но и на остаточное напряжение в проволоке после волочения и на силовые параметры процесса волочения.
Испытания на осевое растяжение углеродистой латунированной проволоки проводились по стандартной методике [4]. Для определения условного предела текучести рекомендуется использовать проволоку с рабочей длиной между зажимами 1р = 50 мм и скоростью растяжения Ур = 60 мм/мин. Такие условия соответствуют скорости деформации 1,1 с-1. В ходе испытаний на осевое растяжение варьировались рабочая длина проволоки 1р и скорость растяжения Ур (табл. 1). Испытания на осевое растяжение проводилось на разрывной машине ШБТКОК 5969. В ходе испытаний было установлено, что, уменьшая скорость деформации (в зависимости от скорости растяжения и длины рабочей зоны растягиваемой проволоки), уменьшаются значения условного предела текучести (табл. 1).
Таблица 1
Механические свойства тонкой проволоки 0,30 мм при различных скоростях растяжения
Механические параметры Скорость растяжения, мм/мин (длина рабочей части проволоки, мм )
60 (50) 560 (100) 310 (100) 60 (100)
Скорость деформации в, с-1 1,1 0,058 0,033 0,0078
Условный предел текучести оу, МПа 3142,67 2733,10 2382,96 2115,31
Предел прочности ов, МПа 3327,33 3274,59 3279,18 3283,13
Из табл. 1 видно, что уменьшение скорости деформации при осевом испытании проволоки с 1,1 до 0,0078 с-1 снижает значения условного предела текучести на 48,56 %, а предела прочности на 1,3 %. Из этого следует вывод, что изменение скорости деформации не влияет на значение предела прочности проволоки при растяжении.
Значения скорости деформации при осевом растяжении и в процессе волочения отличаются более чем в 1000 раз. В последней (чистовой) волоке проволока протягивается с максимальной скоростью волочения и как следствие с максимальной скоростью деформации, что значительно повышает значение условного предела текучести. Поэтому при последующем растяжении такой проволоки определить статический предел текучести даже с минимальной скоростью растяжения не представляется возможным.
Для определения статического условного предела текучести проведено волочение проволоки с минимальной скоростью волочения Ув = 0,8 м/с и дальнейшее ее осевое растяжение (табл. 2). Длина рабочей части проволоки при растяжении составляла 400 мм, что при скорости растяжения Ур = 60 мм/мин соответствует скорости деформации в = 0,0025 с-1. Значение условного предела текучести тонкой проволоки в этих условия будем считать не зависящим от скорости деформации, т. е. статическим.
Таблица 2
Механические свойства тонкой проволоки с различными скоростями волочения
Скорость волочения К,, м/с Средняя скорость деформации при волочении в чистовой волоке е, с-1 Модуль упругости Е, ГПа Условный предел текучести оу, МПа Напряжение при разрыве ов, МПа ОуМв Деформация при разрыве ^тах, %
X * ср £** X ср £ X ср £ X ср £
16 34610 189 5,56 3143 44,14 3327 4,67 0,94 2,36 0,093
0,8 1730 154 9,61 1821 70,64 3327 8,28 0,55 4,01 0,18
* Xср - среднее значение выборки, Хср = (ЕХг)/ п, где X - значение параметра; п - количество
повторов.
£ - стандартная ошибка среднего, является оценкой расхождения совокупности и определяется
как £ =,/—-—.
V п -1
Модуль упругости Е и условный предел текучести оу определены непосредственно из диаграмм растяжения. Зависимость сопротивления пластическому деформированию латунированной проволоки от деформации определяли аппроксимацией экспериментальных данных, полученных при осевом растяжении проволочной заготовки и тонкой проволоки.
Анализ табл. 2 показывает, что при протяжке на пониженной скорости волочения улучшаются пластические свойства тонкой проволоки (условный предел текучести и деформация при разрыве). Это обусловлено снижением скорости деформации в конце маршрута волочения.
Основными способами снижения скорости деформации в процессе волочения являются: снижение скорости волочения, уменьшение угла конической части волоки, уменьшение частной вытяжки.
Снижение скорости волочения уменьшает производительность волочильного стана, уменьшение частных вытяжек увеличивает общее количество волок в маршруте волочения.
Уменьшение угла конической части волоки способствует росту силы волочения за счет увеличения поверхности контакта проволоки с волокой. С другой стороны, уменьшение угла конической части волоки способствует улучшению захвата смазки.
На основании средних значений скорости деформации, определяемых численным моделированием процесса тонкого волочения, и выражая из зависимости (3) значения динамического предела текучести од представляется возможным определить зависимость динамического предела текучести од от скорости деформации тонкой латунированной проволоки.
Для этого был проведен численный эксперимент по определению средней скорости деформации в очаге деформации чистовой волоки при изменении угла конической зоны волоки. Исходным материалом для численного моделирования процесса волочения использовалась латунированная углеродистая проволочная заготовка, содержащая 0,82-0,84 % углерода. Проволочная заготовка протягивается в многократном волочильном стане со скольжением с диаметра 1,77 мм до диаметра 0,30 мм со скоростью волочения (Ув) на выходе из стана 16 м/с.
Результаты численного эксперимента представлены в табл. 3.
Таблица 3
Результаты численного эксперимента
Угол конической зоны волоки а, ° Средняя скорость деформации є , с-1 **ср* ^ Максимальная скорость деформации є с-1 Усилие волочения Жв, Н Температура поверхности проволоки Т,.п, °С
Численный эксперимент Зависимость Колмогорова Г. Л.
4 25830 19972 53200 67,41 680,0
5 31940 26989 65780 64,13 673,4
6 32310 34760 67650 62,64 670,8
7 34910 43578 76770 62,33 663,6
8 39420 53233 86570 61,05 657,8
Анализ табл. 3 показывает, что снижение угла конической зоны волоки (а) на 2° (по сравнению с применяемыми в промышленных условия волоками, в которых угол конической зоны (а) равен 6°) позволяет добиться снижения средней скорости деформации на 25 %. С другой стороны, уменьшение угла конической зоны волоки до 4° незначительно влияет на параметры процесса волочения: повышает усилие волочения на 7,61 % и увеличивает температуру поверхности проволоки на 2 % по сравнению с используемыми в технологическом процессе волоками.
Анализ средних значений скорости деформации полученных численным моделированием и рассчитанных по зависимости (1) показывает, что минимальное расхождение значений скорости деформации обеспечивается в диапазоне до 35000 с-1. Это ограничивает применение зависимости (1) в решении оптимизационных задач процессов высокоскоростного волочения. Использование численного моделирования для решения оптимизационных задач высокоскоростного волочения высокопрочной углеродистой проволоки предпочтительно. Результаты численного моделирования позволяют определять численные значения средней и максимальной скорости деформации тонкой проволоки и получать графические изображения распределения численных значений скорости деформации в очаге деформации волоки в виде цветокодированных полей.
На рис. 1 представлены цветокодированные поля распределения скорости деформации в конической зоне последней (чистовой) волоки маршрута волочения тонкой проволоки 0,30 НТ при скорости волочения Ув = 16 м/с. На рисунках направление волочения сверху вниз и показана одна симметричная половина зоны деформации, где ось X - ось симметрии.
а)
б)
в)
14
21
28
35
42
49
56
63
70
77
84
Скорость деформации в, 103 с 1
Рис. 1. Поля распределения скоростей деформации в зависимости от угла конической части волоки: а - а = 4°; б - а = 6°; в - а = 8°
Анализ полей распределения скоростей деформации в зависимости от угла конической зоны показывает, что с увеличением угла деформация проволоки происходит преимущественно в поверхностных слоях. Это приводит к тому, что поверхностные слои упрочняются больше по сравнению с центральными. Это объясняет то, что при испытаниях на растяжение проволоки, полученной при разных скоростях волочения, наблюдается рост условного предела текучести с увеличением скорости деформации при волочении. В этой связи при увеличении скорости волочения важно знать не только значение скорости деформации, но и характер ее распределения, так как именно распределение скорости деформации в конической зоне волоки формирует равномерность напряженно-деформированного состояния по сечению проволоки.
Аппроксимацией значений динамического (од) и статического (ост) предела текучести в зависимости от средней скорости деформации (в ср) в конической зоне волоки, полученных при протяжке тонкой проволоки с различными скоростями волочения (табл. 2) зависимостью (3), получена зависимость, представленная на рис. 2.
Анализ зависимости на рис. 2 показывает, что средняя скорость деформации (в ср)
проволоки возрастает пропорционально росту скорости волочения (¥в) проволоки в маршруте волочения. Уменьшение угла конической зоны чистовой волоки (а) на 2°
позволяет снизить скорость деформации (вср) и понизить сопротивление пластическому деформированию тонкой проволоки (динамический предел текучести од) на 6 %. Для достижения снижения сопротивления пластического деформирования (од) тонкой проволоки в зависимости от скорости деформации (в ср) более чем на 6 % необходимо уменьшать угол конической зоны (а) в волоках с конца маршрута волочения. Количество волок определяется в зависимости от необходимого значения сопротивления пластическому деформированию тонкой проволоки. Например: необходимо получить од = 2535 МПа (снижение на 24 %), тогда если использование
0
7
одной волокой с углом конической зоны а = 4° позволяет снизить ад на 6 %, то для уменьшения од на 24 % необходимо использовать 4 последние волоки с уменьшенным углом а.
Скорость деформации, с 1
Рис. 2. Влияние угла конической зоны волоки на динамический предел текучести: • - опытные значения (табл. 2); +, о, □, ◊, Д - значения численного эксперимента при различных углах конической зоны волоки а:
«+» - 4°; «о» - 5°; «□» - 6°; «◊» - 7°; «Д» - 8°
Зависимость 3 позволила определить сопротивление пластическому деформированию (од) в зависимости от средней скорости деформации (в ср) тонкой проволоки
0,30 НТ:
=
1 +
в
(4)
где В - скорость деформации в процессе волочения, с-1; С - средняя скорость деформации при определении ост, С = 1500-1; р - параметр материала проволоки, р = 3,3; ост - условный предел текучести в начале маршрута волочения тонкой проволоки, ост = 880 МПа.
В результате проведенных исследований было определено:
1. Средняя скорость деформации в процессе осевого растяжения и в процессе тонкого волочения влияет на значение условного предела текучести тонкой проволоки и не влияет на предел прочности.
2. Использование численного моделирования позволяет определять более точные значения средней и максимальной скоростей деформации в очаге деформации по сравнению с известными зависимостями. Полученные с помощью численного моделирования поля распределения скорости деформации позволяют объяснить увеличение сопротивления пластического деформирования с ростом скорости деформации в процессе волочения.
3. Получена зависимость изменения сопротивления пластическому деформированию в процессе волочения от средней скорости деформации в очаге деформации по всему маршруту волочения тонкой проволоки 0,30 HT.
4. Использование волок с уменьшенным углом конической зоны снижает сопротивление пластическому деформированию тонкой проволоки. Управление значением сопротивления пластического деформирования тонкой проволоки возможно установкой необходимого количества волок с уменьшенным углом конической зоны.
Литература
1. Колмогоров, Г. Л. О скорости деформации при волочении / Г. Л. Колмогоров,
B. Б. Филиппов, Е. В. Кузнецова // Изв. высш. учеб. заведений. Черная металлургия. - 2005. - № 8. - С. 17-19.
2. HU Yu-qun. Scale effect of plastic strain rate / YU-qun HU, ZHAO Ya-pu // Chinese journal of aeronautics. - 2001. - Vol. 14, № 1. - P. 37-43.
3. Бобарикин, Ю. Л. Математическое описание формирования пластических свойств проволоки из стали 90 при высокоскоростном волочении / Ю. Л. Бобарикин,
C. В. Авсейков // Литье и металлургия. - 2011. - № 3. - С. 61-65.
4. ASTM A 370-07a. Стандартные методы испытаний и определения для механического испытания стальной продукции.
Получено 08.02.2013 г.
