CC BY
51
Vaschuk Ekaterina Stepanovna - Ph.D. (Eng.), Associate Professor Department of physics, Siberian State Industrial University, Novokuznetsk, Russia. Phone: (3843) 78-43-91, fax: (3843) 46-57-92. E-mail: [email protected].
Tang Guoyi - Professor, Director Advanced Materials Institute, Graduate School at Shenzhen, Tsinghua University, Shenzhen, China. E-mail: [email protected]
Raykov Sergey Valentinovich - Ph.D. (Eng.), Associate Professor Department of physics, Siberian State Industrial University, Novokuznetsk, Russia. Phone: (3843) 78-43-91, fax: (3843) 46-57-92. E-mail: [email protected]
Budovskikh Evgeniy Aleksandrovich - D.Sc. (Eng.), Professor, Department of physics, Siberian State Industrial University, Novokuznetsk, Russia. Phone: (3843) 78-43-91, fax: (3843) 46-57-92. E-mail: [email protected].
Song Guolin - Associate Professor, Chief of laboratory, Advanced Materials Institute, Graduate School at Shenzhen, Tsinghua University, Shenzhen, China. E-mail: [email protected].
Abstract. The surface relief and structure peculiarities of steel 45 after electroexplosive copper plating and subsequent electron beam treatment were investigated by scanning and transmission electron microscopy methods. It has been established that the copper concentration in surface layer is increased in 2 times with the growth of electron beam pulses number. The high speed crystallization of modified layer is accompanied by hardness growth of surface layer under the small pulse number (5 and 10 pls.). The further increase of irradiation pulses number leads to essential decrease of surface layer hardness.
Keywords: electroexplosive alloying, copper, electron beam processing, structure, phase composition, properties.
References
1. Bagautdinov A.Ya., Budovskikh Ye.A., Ivanov Yu. F, Gromov V.Ye. The
physical basis of electroexpbsve alloying of metals and alloys. Novo-kusnetsk: SibSIU, Publ. House, 2007, 301 p.
2. Ivanov Yu.F., Koval N.N. Low-energy electron beams submillisecond duration: production and some aspects of application in the field of materials science. The structure and properties of advanced metallic materials. Ed. A.I. Potekayev. Tomsk: Publ. House NTL, 2007, pp. 345-382.
3. Grigoriev S.V., Koval N.N., Ivanov Yu.F., et al. Electron beam modification of the surface of steel and hard alloys. Plasma emission electronics, Proceedings of II International Kkreyndelevsky seminar. Ulan-Ude, 2006, pp. 113-120.
4. Miroshnichenko I.S. Hardening from the liquid state. Moscow: Metallurgy, 1982, 168 p.
5. Bigeyev A.M., Metallurgy of the steel. Theory and technology of melting steel. Moscow: Metallurgy, 1977, 440 p.
УДК 621.774.372 Окулов P.A., Паршин C.B.
ЗНАЧЕНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРОТИВОНАТЯЖЕНИЯ В ПРОЦЕССЕ ВОЛОЧЕНИЯ ПРОФИЛЬНЫХ ТРУБ
Аннотация. Работа посвящена актуальной задаче - изучению зависимости геометрии получаемой продукции и энергосиловых параметров процесса волочения от применения усилия противонатяжения. Работа выполнена с помощью программного обеспечения, использующего конечно-элементный метод, и затем проверена проведением практического эксперимента. Результаты теоретической и практической частей хорошо согласуются. В результате проделанной работы определены искомые зависимости и даны ценные рекомендации производителям.
Ключевые слова: волочение, противонатяжение, сталь 12Х18Н10Т, профильная труба.
При производстве трубной продукции актуальным остается вопрос о предсказании конечной формы получаемой продукции еще на стадии проектирования процесса и то, как влияет на ход процесса различные факторы. Предшественниками выполнена большая работа по установлению зависимостей, которые в той или иной мере могли бы пролить свет на существующий вопрос. В работе [1] было проведено основополагающее изучение процесса, а в работе [2] были более подробно рассмотрены задачи при производстве профильной трубной продукции. Но, несмотря на проделанный массив исследовательской работы, до сих пор остается открытым и не изученным в должной мере вопрос о влиянии различных факторов на качество геометрии и энергосиловые показатели процесса волочения.
В данной работе ставится актуальная задача -определить, как зависит форма трубы и энергосиловые характеристики самого процесса производства при волочении профильных труб от применения усилия противонатяжения. Ответ на этот вопрос позволит дать ценные рекомендации производителям данной продукции и поможет избежать ряд нежелательных последствий. Определив характер зависимости, мож-
но будет предсказывать на стадии проектирования процесса производства его результат.
Исследование роли противонатяжения выполнили с использованием программного обеспечения с целью определения искомых величин. Для определения интересующих параметров труб, как в работе [3], воспользовались программным пакетом БЕГОКМ-ЗБ, который использует в процессе расчета конечно-элементное моделирование.
Определили влияние применения противонатяжения на ряд параметров. Среди изученных параметров можно выделить две группы: связанные с геометрией конечного продукта и связанные с энергосиловыми показателями самой операции производства. Среди геометрических параметров исследовали толщины стенки в центре грани, наружный прогиб граней, площадь поперечного сечения после обработки, вытяжку, наружный и внутренний радиусы незаполнения. Исследуемые геометрические параметры представлены на рис. 1. Среди энергосиловых параметров процесса изучили усилие волочения, работу усилия волочения, единицу массы смещаемого материала, энергоемкость волочения.
Значение использвания противонатяжения в процессе волочения.
Окулов Р.А., Паршин С.В.
Рис. 1. Схема процесса профилирования трубы: 1 - обрабатываемая труба; 2 - волочильная фильера; до, бо - наружный и внутренний диаметры заготовки; - наружный прогиб грани трубы; Н - толщина стенки грани; % г - наружный и внутренний радиусы незаполнения
За исследуемый процесс обработки приняли холодное безоправочное волочение профильной трубы из заготовки круглого сечения. После обработки поперечное сечение трубы принимает форму шестигранника с размером «под ключ» 10 мм (диаметр вписанной окружности шестигранника). Скорость волочения 100 мм/с. Заготовка представляет собой круглую бесшовную холоднодеформированную трубу наружным диаметром D 12 мм, толщиной стенки 1 мм.
Для получения интересующего профиля трубы заготовку круглого сечения протягивали в один переход через рабочий инструмент. Рабочий инструмент представляет собой волочильную фильеру с обжимным участком в виде усеченной пирамиды. Угол наклона рабочей поверхности волоки составляет 6°, радиус скругления перехода от рабочего участка волоки к калибрующему - 1 мм, величина калибрующего участка равна 10,2 мм. Размер элемента сетки разбиения равняется 0,14 мм. Коэффициент трения по Амонтону-Кулону приняли 0,1. Материал заготовки - коррозионно-стойкая сталь 12Х18Н10Т. Труба изготовлена в соответствии с ГОСТ 9941, материал - по ГОСТ 5632.
Закон упрочнения для материала задали формулой [4]
О = 00,2+вЛ\
где о02 - условный предел текучести; g и Ь - эмпирические коэффициенты.
Длястали 12Х18Н10Т: о02 = 321,7 МПа;
g = 813,4 МПа и Ь = 0,405.
Для определения зависимости изучаемых параметров требовалось определить усилие волочения без применения противонатяжения. С этой целью был проведен математический эксперимент, в результате которого установлено, что средняя величина усилия волочения при установившемся процессе из пяти параллельно проведенных экспериментов составляет 4655 Н.
После определения величины волочения рассчитали процент от нее, который варьировался от 10 до 90% с шагом в 10%. Полученный ряд усилий приложили к заготовке по направлению, противоположному направлению волочения, и затем установили зависимости исследуемых параметров от процента приложенной нагрузки, после чего простроили графики.
Искомые параметры разделили на две группы: связанные с геометрией конечного продукта и связанные с энергосиловыми показателями самой операции волочения.
Предметом исследования геометрических параметров формы труб являлись: Н - толщина стенки в центре грани, мм; Ь - наружный прогиб граней, мм; К - наружный радиус незаполнения, мм; г - внутренний радиус незаполнения, мм; - площадь поперечного сечения после обработки, мм2; ¡л - вытяжка, рассчитывается по формуле
М =
5 '
где 50 - площадь поперечного сечения заготовки до обработки, мм2;
50 =(Dl -^)
п
Предметами исследования энергосиловых параметров процесса обработки труб являлись: Р - усилие волочения, Н; Ж - работа усилия волочения, Дж; т - единица массы смещаемого материала, кг; Е - энергоемкость процесса волочения, Дж/кг. Численное значение величины энергоемкости определяют [5]
£ = Ж.
т
Работа усилия волочения определена как Ж = Р1р,
где I - единица перемещения при устоявшемся процессе, м.
Единица массы смещаемого материала определена
т
= (50 - 5а ) l№,
где р - плотность обрабатываемого материала, кг/м .
Для того чтобы данные, получаемые в результате проведения математического эксперимента, были более точными, были найдены средние значения пяти параллельно проведенных экспериментов.
Результаты усреднены и на их основании построены зависимости (рис. 2-5). На рис. 2 представлена зависимость толщины стенки Н от приложенной нагрузки. Зависимость обратная - с ростом усилия противонатяжения толщина стенки Н увеличивается. Как видно из графика, зависимость линейная и может быть описана уравнением
у = а+Ьх.
(1)
Рис. 2. График изменения толщины стенки
На наружный прогиб стенки трубы в центре грани Ь прилагаемая нагрузка фактически не влияет. Угол наклона к оси абсцисс стремится к нулю. Можно сделать вывод о том, что величина прогиба Ь постоянна и составляет 0,09 мм. Зависимость также линейная и описывается формулой (1).
Величина площади поперечного сечения после обработки 5а убывает по линейной зависимости и может быть также описана формулой (1). Следовательно, зависимость вытяжки л обладает прямой линейной зависимостью и описывается формулой (1), что показано на рис. 3.
Рис. 4. Графикзависимости наружного радиуса
Рис. 3. Изменение вытяжки
Зависимости наружного К и внутреннего г радиусов незаполнения представлены на рис. 4 и 5 соответственно. Как видно, обе зависимости прямые и линейные, следовательно, могут быть описаны формулой (1).
Как видно на рис. 6, с ростом величины приложенной нагрузки усилие волочения Р возрастает по прямой линейной зависимости, следовательно, аналогичная зависимость работы усилия волочения Ж. Зависимости описываются формулой (1).
Рис. 5. Графикзависимости внутреннего радиуса незаполнения
Рис. 6. Зависимость усилия волочения
Смещаемая масса на погонный метр т увеличивается с ростом величины приложенной нагрузки
Значение использвания противонатяжения в процессе волочения.
Окулов P.A., Паршин C.B.
по линейной зависимости, которая описана формулой (1). Энергоемкость процесса вытягивания на погонный метр Е с ростом величины приложенной нагрузки возрастает по линейной зависимости, которая также описывается формулой (1), что видно на рис. 7.
2200
0 20 40 60 80 100
Пр1шоженная нагрузка, %
Рис. 7. Зависимость энергоёмкости процесса
Коэффициенты а и Ь формулы (1) по результатам исследования представлены в табл. 1.
После теоретического эксперимента провели практический. За параметры исследуемого процесса приняли те же, что при постановке теоретического эксперимента. Волочили трубу без применения противонатяжения.
В результате эксперимента были измерены геометрические параметры обработанной трубы и энергосиловые параметры процесса, а затем сравнены с результатами теоретической работы. Результаты сравнительного анализа представлены в табл. 2.
Результаты теоретического и практического эксперимента сходятся в допустимых пределах отклонений. Таким образом, можно сделать вывод о том, что теоретическая часть исследования соответствует реальному процессу.
Таблица 2
Сравнение теоретических и практических данных
Параметр Значение Отклонение, %
теоретическое практическое относительное абсолютное
H, мм 1,037 1,04 1,003 0,288
L, мм 0,093 0,09 0,968 -3,333
S, мм2 31,81 31,85 1,001 0,126
V 1,0863 1,085 0,999 -0,120
R, мм 1,922 1,91 0,994 -0,628
r, мм 0,896 0,87 0,971 -2,989
P, н 4655 4724 1,015 1,461
W, Дж 5057 5126 1,014 1,335
m, кг 2,344 2,263 0,965 -3,579
E, Дж/кг 2158 2265 1,050 4,758
Заключение
В результате выполненной работы было установлено влияние использования противонатяжения на форму труб и энергосиловые параметры процесса. Было продемонстрировано, по какой зависимости изменяются исследуемые параметры от величины приложенной нагрузки.
Проведена экспериментальная проверка проделанного математического эксперимента. Статистическая обработка результатов не выявила значимых различий в расчетных и экспериментальных данных.
В итоге исследования можно сделать вывод: применение противонатяжения оказывает отрицательное влияние на качество геометрических параметров обрабатываемой профильной трубы. Наружный и внутренний радиусы незаполнения с ростом приложенной нагрузки становятся больше, что негативно сказывается на качестве выпускаемой продукции. Кроме того, применение противонатяжения является экономически нецелесообразно, с точки зрения энергетических затрат.
Рекомендуется не применять противонатя-жение при производстве профильных труб, поскольку оно оказывает отрицательное воздействие на качество продукции и повышает энергоемкость процесса, что удорожает процесс.
Список литературы
1. Перлин И.Л., Ерманок М.З. Теория волочения. 2-е изд. М.: Металлургия, 1971. 448 с.
2. Данченко В.Н., Сергеев В.В., Никулин Э.В. Производство профильных труб. М.: Интермет Инжиниринг, 2003. 224 с.
3. Некоторые технологические возможности роликового волочения труб / Орлов Г.А., Вагапов E.H., Чернышов Д.Ю., Попов Д.А. // Производство проката. 2012. №4. С. 28-31.
4. Богатое A.A., Мижирицкий О.И., Смирнов C.B. М. Ресурс пластичности металлов при обработке давлением. М.: Металлургия, 1984. 144 с.
5. Окулов P.A., Паршин B.C., Карамышев А.П. Энергоемкость обработки заклепочной проволоки из дюралюминия волочением и радиальным обжатием // Вестникмашиностроения. 2012. №9. С. 80-81.
Таблица 1
Коэффициенты a и b формулы (1)
Коэффициент H, мм L, мм Sa, мм2 V R, мм r, мм P, kH W, кДж m, кг E, кДж/кг
Сталь12Х18Н10Т
a 1,037 0,093 31,8 1,086 1,92 0,9 4,65 5,06 2,34 2,2
b -0,000 0,00 -0,012 0,000 0,006 0,004 0,04 0,05 0,01 0,02
Сведения об авторах
Окулов Роман Александрович - аспирант кафедры «Металлургические и роторные машины» ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», г. Екатеринбург, Россия. E-mail: [email protected].
Паршин Сергей Владимирович - д-р техн. наук, проф. кафедры «Металлургические и роторные машины» ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», г. Екатеринбург, Россия. E-mail: [email protected].
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
THE SIGNIFICANCE OF THE BACK TENSION USAGE IN CROSS-SECTIONAL TUBE DRAWING PROCESS
Okulov Roman Alexandrovich - Postgraduate Student, Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin, Yekaterinburg, Russia. E-mail: [email protected].
Parshin Sergei Vladimirovich - D.Sc. (Eng.), Professor, Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin, Yekaterinburg, Russia. E-mail: [email protected].
References
Abstract. The article is devoted to the problem of current interest that is the study of resulting products geometry and power parameters of the drawing process dependence on the use of back tension force. The work was performed by the software using the finite element method and was practically experimented. The results of theoretical and practical parts are in good agreement. As a result of this work the required dependencies have been defined and valuable recommendations to producers have been given.
Keywords: drawing, back tension, steel X6CrNiTi18-10, cross-sectional tube.
1. Perlin I.L., Ermanok M.Z. The theory of drawing. Moscow, 1971, 448 p.
2. Danchenko V.N., Sergeev V.V., Nikulin E.V. Production of shaped pipes. Moscow: Intermet Engineering, 2003, 224 p.
3. Orlov G.A., Vagapov E.N., Chernyshev D.U., Popov D.A. Some of the technological capabilities of the roller tube drawing. Production of steel. 2012, no. 4, pp. 28-31.
4. Bogatov A.A., Mizhiritsky O.I., Smirnov S.V. Resource ductility metal processing pressure. Moscow: Metallurgy, 1984, 144 p.
5. Okulov R.A., Parshin V.S., Karamyshev A.P. Energy intensity of treatment rivet wire drawing of duralumin and radial compression. Bulletin of mechanical engineering. 2012, no. 9, pp. 80-81.
УДК 621.98
Хамедон 3., Мори К., Маено Т., Ямашита Ю.
ГОРЯЧАЯ ШТАМПОВКА ЛИСТА ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОГО НАГРЕВА
Аннотация. Процесс горячей штамповки листа из титанового сплава с использованием электроконтактного нагрева был разработан с целью повышения производительности. Использование данного процесса позволило не только снизить нагрузку при деформации металла, но и получать требуемую конфигурацию детали при высоких температурах.
Было установлено, что с увеличением температуры нагрева заготовки уменьшается упругое последействие в штампованной детали. Несмотря на то, что игольчатый мартенсит образуется при нагреве в печи до 1050°С, микроструктура при электроконтактном нагреве до 880°С была аналогична ранее получаемой структуре. При электроконтактном нагреве до 880°С твердость увеличилась до 370 НУ20.
Также установлено, что горячая листовая штамповка с помощью электроконтактного нагрева заготовки из титанового сплава, используемая для получения изделий цилиндрической формы, позволяет повысить производительность всего процесса.
Ключевые слова: листовая заготовка из титанового сплава, П-6А1-4У, горячая штамповка, электроконтактный нагрев, упругое последействие.
Введение
Все чаще используют листовые заготовки из титанового сплава для изготовления деталей самолета благодаря их повышенной прочности при высоких температурах, низкой плотности, высокой коррозионной стойкости и т.д. Так как листовой заготовке из титанового сплава свойственна пониженная пластичность в холодном состоянии, а следовательно, пониженная штампуемость, то целесообразно осуществлять горячую листовую штамповку. При использовании стандартной печи для нагрева заготовок перед горячей штамповкой имеет место низкая производительность процесса. Время нагрева инструмента составляет около 2 ч, а время нагрева листов в печи и время штамповки - несколько минут.
Быстрый электроконтактный нагрев является прогрессивным способом и обычно применяется для предварительного нагрева заготовок перед штамповкой. Время электроконтактного нагрева до температуры 900°С составляет 2 с. Мори и др. применили электроконтактный нагрев при теплой и горячей
штамповке сверхвысокопрочных стальных листов [1], при литье и закалке при горячей штамповке для получения деталей из сверхвысокопрочных сталей с равномерно распределенными прочностными характеристиками [2] и соответственно при штамповке стержня шестерни из сверхвысокопрочной стали [3].
Кроме того, Мори с соавторами [4] разработал процесс пробивки сверхпрочных стальных листов с использованием локального электроконтактного нагрева двигающейся зоны. Ранее выполненные исследования Озтурком с соавторами [5] применения электроконтактного нагрева при горячей штамповке листов из титанового сплава не показали существенных положительных результатов.
В настоящем исследовании процесс горячей штамповки листа из титанового сплава с помощью элекгроконтактного нагрева был осуществлен для того, чтобы увеличить пластичность металла и снизить нагрузку при деформации. Выполнена оценка упругого последействия и определена твердость на отштампованном нагретом листе.
