Розробка раціональних режимів деформації при волочінні з контрольованим знакозмінним крученням сталевого дроту

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна металургійна академія України

Автореферат

дисертації на здобуття наукового степеня

кандидата технічних наук

Розробка раціональних режимів деформації при волочінні з контрольованим знакозмінним крученням сталевого дроту

Спеціальність 05.03.05 - «Процеси та машини обробки тиском»

Очеретна Наталія Миколаївна

Дніпропетровськ - 2009

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національній металургійній академії України Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Должанський Анатолій Михайлович, Національна металургійна академія України, м. Дніпропетровськ, завідувач кафедри «Якість, стандартизація та сертифікація».

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Фурманов Валерій Борисович, ВАТ «Дніпропетровський трубний завод», м. Дніпропетровськ, науковий консультант;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Лобанов Олександр Іванович, ДП "Науково-дослідний та конструкторсько-технологічний інститут трубної промисловості ім. Я.Ю. Осади", м. Дніпропетровськ, завідувач сектором холодної деформації труб.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Динаміка розвитку України свідчить про стійку тенденцію збільшення випуску метизів. Щомісячне виробництво цієї продукції на більше, ніж 30 підприємствах, з 2003р. збільшилося майже у 2 рази і складало на кінець 2008р. близько 480 тис. тонн на рік. Близько 60% цього об'єму поставляється на експорт. Основою виготовлення метизів є дріт (більше 90%), здебільшого - з низьковуглецевої сталевої катанки. Її волочіння зазвичай реалізується на станах багаторазової деформації.

Ефективний процес волочіння обмежує ряд чинників, які приймаються як критерії при побудові раціональних маршрутів деформації:

- досягнення мінімального діаметру дроту при заданій кратності волочіння;

- мінімізація енерговитрат та обривності при волочінні;

- якість металу;

- зношення волок та ін.

Практично всі вони в більшій або меншій мірі визначаються механічними властивостями металу, що деформується. При цьому ступінь деформації визначається з урахуванням лише формозміни металу у волоках.

Проведений аналіз показав, що в процесі проходження металу через елементи оснащення волочильних станів, що працюють без ковзання, (розмотуючий пристрій, волоки, що обертаються, передавальні ролики тягових барабанів тощо), він піддається пружно-пластичній деформації крученням.

У наявний час відомі основні закономірності зміцнення металу при монотонній (односпрямованій) деформації. Також опубліковані дані про вплив знакозмінного пластичного навантаження металу, здебільшого, вигином на його механічні властивості. Проте, у зв'язку з недостатністю даних про вплив кручення на властивості сталі та накопичену металом деформацію при складному навантаженні, проблематичним стає визначення його механічних властивостей та деформуємості, що призводило до завищення кратності волочіння при отриманні дроту мінімального діаметру, збільшенню енергетичних витрат, обривності та іншим негативним явищам.

Тому робота, яка направлена на врахування навантаження крученням сталевого дроту при визначенні раціональних режимів багаторазового волочіння зі зменшенням матеріальних витрат, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Виконання дисертаційної роботи пов'язане з тематичними планами наукових досліджень Національної металургійної академії України (НМетАУ). Дослідження виконані відповідно до Національної програми розвитку гірничо-металургійного комплексу України до 2010р., затвердженої Кабінетом Міністрів України від 11.03.96р., з її подальшими коректуваннями у 1999 і 2000 роках, а також тематикою держбюджетної науково-дослідної роботи НМетАУ (ДР №0103U003217). Автор була виконавцем вказаної роботи.

Мета й задачі дослідження. Метою роботи є врахування впливу кручення сталевого дроту між циклами деформації в послідовних волоках на режим багаторазового волочіння зі зменшенням матеріальних витрат.

Для досягнення поставленої мети були сформульовані наступні задачі.

1. Провести аналіз науково-технічної літератури відносно наявності інформації про вплив циклічного (багаторазового) монотонного та знакозмінного навантаження на механічні властивості й деформуємості металу в процесі багаторазового волочіння сталевого дроту на станах магазинного типу, що працюють без ковзання.

2. Розробити та реалізувати методику визначення впливу циклічного кручення сталевого дроту на його механічні властивості. Проаналізувати одержані експериментальні дані.

3. Теоретично визначити ступінь деформації крученням при проходженні металу по передавальним елементам оснащення волочильного стану. Зіставити експериментальні дані з теоретичними й розробити метод визначення впливу технічних характеристик станів на ступінь деформації крученням сталевого дроту в процесі багаторазового волочіння.

4. Вдосконалити метод проектування раціональних маршрутів деформації з урахуванням існуючої кінематики приводів волочильних станів та зміни механічних властивостей сталі.

5. На підставі одержаних даних розробити й використати у виробничих умовах технічні пропозиції з реалізації процесу волочіння сталевого дроту зі знакозмінним контрольованим (керованим) крученням металу. Використати одержані дані в учбовому процесі НМетАУ при підготовці фахівців в областях обробки металів тиском і якості продукції.

Об'єкт дослідження. Процес волочіння з контрольованим знакозмінним крученням сталевого дроту.

Предмет дослідження. Закономірності впливу кручення сталевого дроту на ступінь його деформації, механічні властивості та деформуємість металу при волочінні.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження базуються на фундаментальних закономірностях теорії обробки металів тиском. При аналізі даних використані методи планування віртуальних експериментів згідно планам ортогональних латинських квадратів. Механічні властивості сталі визначалися при стандартних механічних випробуваннях на устаткуванні, що пройшло держповірку.

Наукова новизна. Наукову новизну мають перераховані нижче результати теоретичних і експериментальних досліджень.

1. Одержало розвиток теоретичне визначення ступеню деформації металу крученням при переміщенні заготовки і дроту по передавальним елементам оснащення волочильних станів, що працюють без ковзання.

Розробка відрізняється врахуванням кінематики роботи та розташування елементів оснащення промислових волочильних станів. Це дає можливість визначити ступінь пластичної деформації металу крученням в діапазоні, близькому до його пружного стану, відповідну зміну механічних властивостей дроту залежно від його режиму деформації та особливостей конструкції станів.

2. Вперше визначені закономірності впливу характеристик асинхронного приводу тягових барабанів в процесі багаторазового волочіння дроту на ступінь його деформації крученням.

Раніше такі закономірності відомі не були. Це дає можливість при відомих або вибраних характеристиках асинхронного приводу тягових барабанів спроектувати технологічні режими роботи станів, при яких реалізується кероване знакозмінне кручення дроту зі збільшенням його деформуємості та зменшенням енерговитрат на формозмінення металу.

3. Одержали розвиток закономірності впливу величини, кількості та знаку циклів навантаження крученням для зміцненого волочінням сталевого дроту на його міцнісні й пластичні властивості.

Розробка відрізняється врахуванням пластичної деформації крученням в діапазоні, близькому до пружного стану металу, характерному для реального процесу переміщення дроту по передавальним елементам оснащення промислових волочильних станів, що працюють без ковзання. Це дає можливість визначення умов підвищення деформуємості металу для зменшення кількості переходів процесу багаторазового волочіння.

4. Вперше теоретично визначений діапазон керованості знакозмінної деформації крученням дроту при його переміщенні по передавальним елементам блоків волочильного стану у функції взаємопов'язаних геометричних, деформаційних та швидкісних умов волочіння.

Раніше такі дані відомі не були. Це дає можливість управляти деформацією крученням сталевого дроту в процесі його багаторазового волочіння із забезпеченням збільшення деформуємості металу.

5. Одержав розвиток метод розрахунку раціональних маршрутів багаторазового волочіння з урахуванням зміни механічних властивостей металу при його контрольованому знакозмінному навантаженні крученням та існуючій кінематиці приводів стану.

Розробка відрізняється врахуванням впливу контрольованого циклічного знакозмінного кручення дроту на зниження його міцнісних властивостей та збільшення деформуємості. Це дає можливість збільшення сумарного ступеню деформації металу при збереженні кратності волочіння або зменшення кількості циклів деформації для досягнення заданого мінімального діаметру дроту.

Практичне значення отриманих результатів. Розширено уявлення про вплив складної пластичної деформації сталі з елементами циклічного (знакозмінного) кручення в діапазоні, близькому до пружного стану, на механічні властивості та деформуємість при волочінні.

Розроблено спосіб управління деформацією крученням сталевого дроту в процесі його багаторазового волочіння із забезпеченням підвищення деформуємості металу (патент України № 80758).

Одержані дані використані при розробці раціональних режимів деформації при багаторазовому волочінні з контрольованим крученням сталевого дроту, які забезпечують можливість збільшення сумарного ступеню деформації металу при збереженні кратності волочіння або зменшення кількості циклів деформації для досягнення заданого мінімального діаметру дроту. Згідно оцінним розрахункам, відповідне зменшення межі текучості металу та підвищення його деформуємості дозволяє зменшити діаметр дроту на 5…11% при використанні вдосконалених маршрутів зі збереженням кратності волочіння або на 2…7% електроенергії на привод двигунів стану при волочінні дроту згідно колишнім маршрутам та обривність дроту в 1,3…1,5 рази.

На підставі одержаних даних були розроблені технологічні пропозиції з реалізації процесу багаторазового волочіння з контрольованим знакозмінним навантаженням металу на послідовних блоках станів. Ці пропозиції використані на метизному підприємстві ТОВ «АОРІСТ» (акт від 12.12.2007р.). Розробка також використовується на кафедрі «Якість, стандартизація та сертифікація» Національної металургійної академії України в учбовому процесі при підготовці бакалаврів за напрямом «Металургія» і фахівців в області якості металургійної продукції (довідка від 18.02.2009р.).

Особистий внесок здобувача. Всі результати, представлені в дисертації, засновані на теоретичних та експериментальних дослідженнях, виконаних автором. У дисертаційній роботі не використані ідеї співавторів.

Особистий внесок здобувача відображено в публікаціях та полягає в наступному: [1, 8] - теоретичне визначення закономірностей формування величини деформації дроту крученням при його проходженні по передавальним елементам оснащення волочильного стану; [2] - експериментальне дослідження впливу циклічного монотонного (односпрямованого) та знакозмінного навантаження дроту крученням на зміцнення сталі й зіставлення розрахункових і експериментальних даних при визначенні ступеню деформації металу крученням; [3] - теоретичне визначення впливу швидкісних та геометричних параметрів процесу багаторазового волочіння на деформацію крученням дроту з урахуванням характеристик асинхронного (нежорсткого) приводу тягових барабанів; [4, 9, 10] - дані для оцінки деформації дроту крученням залежно від характеристик його поверхні при волочінні у волоці, що обертається; [5] - теоретичне визначення й зіставлення показників зсувної деформації при крученні дроту у процесі волочіння; [6] - розробка підходу та моделі стосовно визначення значень коефіцієнту витяжки дроту в пропусках маршруту багаторазового волочіння за умови зменшення інтенсивності зміцнення металу, аналіз результатів розрахунків й вироблення рекомендацій для практичного використання; [7] - технічна реалізація способу багаторазового волочіння з керованим знакозмінним крученням дроту.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи були представлені й схвалені на Міжнародній науково-технічній конференції «Нові наукоємні технології, устаткування та оснащення для обробки матеріалів тиском» (Краматорськ, 20-23 квітня 2004р.); 6-th, 7-th International Symposium of Croatian Metallurgical Society “Materials and Metallurgy” (Croatia, 2004, 2006); Об'єднаному науковому семінарі кафедр «Технологічного проектування» і «Якість, стандартизація та сертифікація» Національної металургійної академії України (Дніпропетровськ, 2007р.); Об'єднаному науковому семінарі кафедри обробки металів тиском Національної металургійної академії України та прокатних відділів Інституту чорної металургії НАН України (Дніпропетровськ, 2007, 2008, 2009р.р.).

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи опубліковано в 10 роботах, 6 з яких - у спеціалізованих виданнях згідно переліків ВАК України.

Структура дисертації. Робота складається зі вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, викладена на 118 сторінках, містить таблиць - 4, рисунків - 25, список використаних джерел з 112 найменувань, 4 додатків.

Основний зміст роботи

У вступі описані суть, стан і значущість наукової задачі, наведене обґрунтування актуальності роботи, визначені мета й задачі дослідження, об'єкт, предмет і методи досліджень, представлені наукова новизна, практичне значення отриманих результатів, особистий внесок здобувача й апробація отриманих результатів.

Сучасний стан теорії та технології багаторазового волочіння

Одним з важливих видів продукції є дріт з різних металів та сплавів. На кінець 2008р. в Україні вироблено близько 500 тис. тонн дроту, з яких приблизно 90% займає дріт з низьковуглецевої сталі. Він здебільшого виготовляється на станах багаторазового волочіння магазинного типу, що працюють без ковзання. В якості заготовки для такого процесу, як правило, використовується катанка діаметром 5,5…8,0мм з відповідних марок сталі.

Аналіз показав, що при переміщенні металу (заготовки і дроту) по елементам оснащення волочильного стану (розмотуючий пристрій, роликовий окалиновідламувач, волока, що обертається, передавальні ролики) метал, окрім основної «лінійної» деформації у волоках, одержує додаткову деформацію вигином та крученням.

В ряді робіт вітчизняних й зарубіжних учених (Зільберг Ю.В., Гуль Ю.П., Вакуленко І.О., Штреммель М.О., Гончаров Ю.В., Гурьянов Г.Н., Ройтман І.М., Херцберг Р.В. та ін.) показано, що подібна деформація може впливати на механічні властивості металу. Зокрема, було виявлено, що односпрямований циклічний вигин сталевих зразків зумовлює деяке зміцнення сталі, а знакозмінний в поєднанні з лінійними деформаціями - знеміцнення. Проте, даних про системні дослідження, присвячені впливу кручення на властивості сталі при волочінні дроту на промислових станах з урахуванням складного взаємного зв'язку геометричних та швидкісних параметрів процесу багаторазового волочіння в науково-технічній літературі не виявлено.

Це показує, що можливе знеміцнення наклепаного металу знакозмінним пружно-пластичним навантаженням може бути резервом його деформуємості при багаторазовому волочінні, а також - зниження енергетичних та матеріальних витрат при досягненні мінімальних заданих значень діаметру готового дроту. Тому робота, направлена на дослідження та використання відповідних закономірностей, є актуальною.

деформація та механічні властивості сталевого дроту при його контрольованому крученні

Як показує практика, при використанні вертикального або горизонтального розмотуючого пристрою катанка, крім вигину, набуває деформацію крученням. Можна стверджувати, що таку ж деформацію метал одержує при переміщенні дроту з поверхні тягового барабану на ролик повідця фрикціону та передавальні ролики стану в потоці волочіння (рис. 1).

У роботі кручення циліндричного тіла (катанки або дроту) охарактеризували:

- сумарним кутом закручування на базовій довжині ;

- ступенем зсувної деформації крученням :

, (1)

де d - діаметр циліндричного тіла, м;

- ступенем лінійної деформації , що є відповідною величині :

. (2)

Також виведені формули для розрахунку , що враховують зміну діаметру та довжини циліндричного тіла при крученні. Проведений аналіз показав, що при виборі параметру для визначення ступеню зсувної деформації дроту в умовах контрольованого (керованого) його знакозмінного кручення на волочильному стані за інших рівних умов можна прийняти формулу (1).

Використання цього виразу стосовно зняття одного витка катанки з її бунта за допомогою розмотуючого пристрою (вертикального або горизонтального) дозволило визначити відповідний ступінь деформації крученням :

, (3)

де , - діаметр катанки та її бунта відповідно.

Особливістю деформації на станах багаторазового волочіння є виконання умови сталості секундних витрат металу:

, (4)

де , - швидкість дроту на виході i-тої та (i+1)-ї волоки відповідно;

, - площа перетину дроту після i-тої та (i+1)-ї волоки (на i-тому й (i+1)-му барабанах) відповідно.

З урахуванням рівняння (4) вперше теоретично визначено вплив геометричних параметрів елементів конструкції станів багаторазового волочіння при зніманні дроту з барабанів на ролик повідця фрикціону (див. рис. 1) на ступінь зсувної деформації при крученні металу:

, (5)

де - висота зняття останнього (відносно першого) витка дроту з поверхні тягового барабану на ролик повідця фрикціону, м; - діаметр дроту, м; - радіус тягового барабана, м; - довжина повідця фрикціону, м.

Показано, що ступінь деформації крученням металу на декілька порядків менше, ніж ступінь деформації у волоках.

З використанням даних по на трасах, що сформувалися на поверхні зразків дроту внаслідок зношення волок промислового стану, виконано експериментальне визначення ступеню деформації крученням дроту по формулі (1). Зіставлення одержаних даних з теоретичними згідно розрахункам по формулі (5) виявило їх задовільну збіжність (з середньою точністю ~15%).

Паралельне експериментальне визначення механічних властивостей нагартованого волочінням (та вигином) металу з використанням спеціально розробленої методики при різних варіантах його навантаження крученням виявило наступне. Збільшення кількості односпрямованих циклів кручення веде до збільшення межі міцності , межі текучості , енергії гістерезису Н на 1…15% та зниження відносного подовження й відносного звуження , тобто веде до додаткового зміцнення металу. Збільшення кількості знакозмінних циклів в більшості випадків супроводжується зменшенням інтенсивності зміцнення, тобто стабілізацією механічних властивостей металу при зростанні сумарного ступеню деформації та навіть деякою тенденцією до його роззміцнення.

Контроль швидкісного режиму багаторазового волочіння

Представлені теоретичні та експериментальні дані використані при визначенні умов, при яких процес волочіння супроводжується знакозмінним крученням дроту в проміжках між волоками. Тут важливою є функція повідця фрикціону тягового барабану (див. рис. 1), поворот якого забезпечує виконання умови (4), в цілому, для стану. Проте, такий поворот супроводжується додатковим крученням дроту, яке може співпадати або не співпадати з його крученням при знятті витка з барабану на ролик фрикціону.

Показано, що в цьому випадку можливі декілька варіантів, що мають місце в реальності.

1. Зупинений i-й барабан (), а (i+1)-й - обертається (). Це супроводжується зніманням запасу дроту з i-того барабану та обертанням навколо осі барабану i-того повідця фрикціону. Закручування дроту проти «правила буравчика» відбувається на кут, рівний сумарному центральному куту повороту повідця фрикціону на довжині дроту, знятого з i-того барабану.

2. Зупинений (i+1)-й барабан (), а i-й - обертається (). Це супроводжується обертанням повідця фрикціону з кутовою швидкістю i-того барабану та закручуванням за «правилом буравчика» нерухомого дроту на ділянці «ролик повідця фрикціону - передавальний ролик». Тут сумарний кут скручування визначається умовою руйнування дроту при його крученні.

3. Проміжний режим роботи i-го та (i+1)-го блоків волочильного стану, що забезпечується накопиченим запасом металу на i-тому барабані. Він має місце при, та , де - коефіцієнт витяжки металу (i+1)-ої волоки; , - діаметр i-тої та (i+1)-ї волоки відповідно.

З урахуванням описаного положення, можливих флуктуацій розмірів перетинів дроту та швидкісного режиму волочіння в i-тому блоці в порівнянні з (i+1)-м блоком вираз (4) представили у вигляді:

, (6)

де - додаткова швидкість металу, зумовлена рухом повідця фрикціону i-того барабану щодо його власної окружної швидкості ;

, - зміна площі перетину металу в порівнянні з базовою на i-тому та (i+1)-му барабанах.

У відповідності з цим вперше теоретично визначений ступінь деформації крученням металу при знятті дроту на передавальний ролик стану багаторазового волочіння:

. (7)

Аналіз виразу (7) дозволив зробити наступні висновки.

1. Якщо кінематична витяжка металу дорівнює фактичній деформаційній витяжці , тобто або , та кінематична витяжка металу дорівнює розрахунковій (номінальній) деформаційній витяжці , тобто , то . Цьому випадку відповідають нерухомість повідця фрикціону відносно передавального ролика й скручування дроту тільки внаслідок зняття його на ролик повідця фрикціону з тягового барабана зі ступенем деформації згідно формулі (5).

2. Випадку, коли та , згідно виразу (7) , що відповідає крученню дроту проти ходу витків «буравчика». Отже, описане раніше кручення дроту за «правилом буравчика» при зніманні його з барабану на рівень повідця фрикціону здійснюється при .

3. Якщо , а , то , що відповідає спостережуваному на практиці швидкому руйнуванню дроту при зрізі в процесі його скручування.

4. Незбалансована зміна та , наприклад, внаслідок зношення волок може викликати або , що й спостерігається часто на волочильних станах та виявляється в неупорядкованому обертанні повідця фрикціону навколо осі тягового барабана.

5. При заданих конструкцією волочильного стану значеннях , та довжини повідця фрикціону для певних значень діаметру дроту можна, регулюючи швидкості приводу, забезпечити необхідну деформацію знакозмінного кручення при проходженні дроту по маршруту волочіння, мінімізуючи інтенсивність зміцнення металу й підвищуючи його деформуємість.

Швидкості обертання тягових барабанів визначаються швидкостями їх приводів. На більшості волочильних станів встановлені асинхронні двигуни трифазного струму. Особливістю цієї обставини є залежність фактичної швидкості від навантаження, тобто - сили волочіння, що може супроводжуватися згідно формули (7) появою помітної величини та відповідної складової .

По характеристикам асинхронних двигунів можливо визначити швидкість i-того барабану за виразом:

, (8)

де - діаметр тягового барабану, м; - номінальна частота обертання двигуна, об/хв; - сумарний коефіцієнт механічної передачі від ротора двигуна на вал тягового барабану волочильного стану; - ковзання ротора електродвигуна.

Останню величину визначили з відомого співвідношення, що пов'язує поточне (наявне) і критичне значення та з поточним (наявним) й критичним значеннями моменту на валу двигуна та :

. (9)

Тоді величина визначається по виразах (8) та (9) в ітераційному циклі з урахуванням значень сили волочіння й відповідного моменту на валу двигуна приводу барабана. Величину розраховували за формулою Должанського А.М.

Для багатофакторного аналізу представленої моделі зроблена спроба проведення віртуального експерименту згідно планам ортогональних латинських квадратів 9-го порядку (відповідно до кількості значущих незалежних змінних). Одержані дані дозволили встановити, що чинниками, що суттєво впливають на ступінь деформації крученням, є кінематична та деформаційна витяжки, а також відношення .Паралельно з'ясувалося, що застосований метод планування віртуального експерименту при знакозмінній функції відгуку дає низьку точність апроксимації, та ним можна користуватися лише для якісної оцінки результатів розрахунків. Адекватну кількісну оцінку ступеню деформації крученням в рамках розробленої моделі можна одержати тільки прямим розрахунком для кожного поєднання значень незалежних змінних.

Сумісний аналіз виразів (7)…(9) показує, що збільшення сумарного коефіцієнту механічної передачі призводить до збільшення ступеню деформації крученням, а зменшення номінальної потужності двигуна та коефіцієнта витяжки сприяють зменшенню .

З наведених матеріалів виходить, що для забезпечення умови компенсації різноспрямованих деформацій крученням під роликом фрикціону (5) та над роликом фрикціону (7) необхідне дотримання рівності:

(10)

за умови відсутності флуктуацій площі перетинів й діаметрів дроту .

Для виконання рівняння (10) необхідно забезпечити нерівність кінематичної витяжки та деформаційної витяжки . При цьому .

Відповідно визначено:

. (11)

Для реальних геометричних характеристик тягового барабана: R_б = 0,275м; h_р = 0,4м; l = 0,31м, формула (11) дозволяє визначити зону значень висоти знімання дроту на ролик фрикціону, в якій можливо знакозмінне кручення дроту, а отже - збереження його деформуємості (рис. 2).

Аналіз цього графіка показує, що для відображених вище умов знакозмінне кручення дроту може бути реалізованим при його знятті на ролик фрикціону тільки з рівня, що перевищує половину висоти тягового барабану на стані багаторазового волочіння, що працює без ковзання.

розробка Раціональних прийомів реалізації ТЕХНОЛОГІЇ волочіння з контрольованим крученням дроту

На підставі виконаних досліджень та з врахуванням відомого виразу приведення і-тих значень тягової напруги й коефіцієнту витяжки до деяких їх базових значень і

(12)

вперше теоретично визначені коефіцієнти витяжки дроту в пропусках маршруту багаторазового волочіння за умови зменшення інтенсивності зміцнення металу й з врахуванням в якості базових - режимів деформації, прийнятих на виробництві:

, (13)

де - коефіцієнт роззміцнення металу по межі текучості в кінці маршруту деформації; - коефіцієнт роззміцнення металу по середній межі текучості за весь маршрут деформації; - базове значення витяжки (деформаційної або кінематичної) у пропуску згідно прийнятому раніше маршруту деформації.

Наприклад, при використанні формули (13) за умов збереження коефіцієнтів запасу міцності дроту, для та коефіцієнта роззміцнення (тобто при знеміцненні на 5%) початковий маршрут деформації: 6,5] > 5,50 > 4,65 > 3,95 мм, перетворюється на наступний: 6,5] > 5,40 > 4,50 > 3,75 мм, а при : 6,5] > 5,30 > 4,30 > 3,50мм. Згідно наведеним даним, така розробка дозволяє зменшити діаметр дроту на 5…11% при використанні вдосконалених маршрутів зі збереженням кратності волочіння. При збереженні колишніх маршрутів зменшення інтенсивності зміцнення металу за рахунок контрольованого (керованого) кручення дроту з'являється можливість економії 2…7% електроенергії на привод двигунів стану та зменшення в 1,3…1,5 раза обривності дроту при волочінні.

Розроблені матеріали, представлені у вигляді Технічних пропозицій для метизного підприємства ТОВ «АОРІСТ» (м. Дніпропетровськ), прийняті до використання (акт від 12.12.2007р.). Розробка також використовується в учбовому процесі НМетАУ при вивченні дисциплін «Обробка металів тиском» та «Технологічні особливості виробничих процесів і забезпечення якості металургійної продукції» (довідка від 18.02.2009 року).

Практика свідчить, що знакозмінне кручення з досягненням збільшення деформуємості металу також можна реалізувати при волочінні з використанням волок, що обертаються. При цьому напрям обертання волоки повинен бути протилежним «природному» закручуванню металу, яке він одержує при проходженні по лінії стану в процесі волочіння:

. (14)

Для забезпечення знакозмінного кручення та при використанні виразів, представлених вище, були визначені необхідні частоти обертання волок для ряду варіантів, що мають місце при виробництві дроту на станах багаторазового волочіння. кручення сталевий дріт деформація

Вперше визначено, що при подачі катанки до волоки, що обертається, після вертикального або горизонтального розмотуючого пристрою компенсація скручування заготовки забезпечується обертанням волоки з частотою:

[об/с]. (15)

Орієнтовні розрахунки по цій формулі показують, що при розмоті бунту з діаметром 1,5м та волочінні заготовки зі швидкістю 1,5м/с при коефіцієнті витяжки частота обертання волоки повинна знаходитися в діапазоні 1,1…2,9об/с.

При подачі катанки до волоки, що обертається, після радіального розмотуючого пристрою, що не супроводжується деформацією крученням металу, волока, що обертається, повинна «закрутити» дріт з деформацією, яка надалі компенсується його розкручуванням при знятті металу на ролик фрикціону тягового барабана стану. При цьому, передбачаються виконання умови постійності секундних витрат (4) та нерухомість повідця фрикціону (див. рис. 1). Для цього випадку частота обертання волоки визначається формулою:

[об/с]. (16)

Орієнтовні розрахунки по формулі (15) для реальних умов волочіння показують, що для забезпечення знакозмінного кручення при швидкості волочіння 1,5м/с з коефіцієнтом витяжки 1,3, висоті зняття останнього витка на ролик фрикціону =0,3м, довжині повідця фрикціону 0,3м та радіусі тягового барабана 0,275м частота обертання волоки повинна знаходитися в діапазоні 2,6…6,4об/с.

Представленим матеріалам відповідає винахід згідно патенту України № 80758.

У разі, коли катанка подається до волоки, що обертається, після вертикального або горизонтального розмотуючого пристрою, дріт необхідно скручувати з деформацією, яка компенсує початкову деформацію кручення катанки та дроту при знятті останнього на ролик фрикціону тягового барабану стану при виконанні постійності секундних витрат (4) й забезпеченні нерухомості повідця фрикціону. У цьому разі частота обертання волоки визначається виразом:

[об/с]. (16)

Орієнтовні розрахунки по формулі (16) показують, що для параметрів, наведених вище, частота обертання волоки повинна знаходитися в діапазоні 4,6…11,2об/с. Попутно зазначено, що зменшення частоти обертання волоки можна забезпечити шляхом управління тертям в тангенціальному напрямі в осередку деформації (зчепленням дроту з поверхнею волоки), наприклад, нанесенням анізотропної шорсткості на заготовку.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведені теоретичне узагальнення та нове рішення науково-технічної задачі, яка полягає у визначенні закономірностей й врахуванні впливу контрольованого кручення сталевого дроту між циклами деформації в послідовних волоках на властивості металу і режим багаторазового волочіння зі скороченням матеріальних витрат.

1. На підставі аналізу процесу багаторазового волочіння дроту на станах магазинного типу, що працюють без ковзання, та науково-технічної інформації про вплив складного пружно-пластичного навантаження сталі на її механічні властивості показано, що робота, яка направлена на реалізацію контрольованого (керованого) циклічного навантаження крученням сталевого дроту при його деформації, є актуальною.

2. На підставі теоретичного зіставлення оцінних параметрів ступеню зсувної деформації дроту в умовах його контрольованого знакозмінного кручення на волочильному стані вибраний відповідний узагальнюючий критерій.

3. Вперше теоретично визначений вплив на ступінь деформації крученням геометричних параметрів знімання заготовки з розмотувального пристрою та дроту - з тягового барабану. Показано, що ступінь деформації крученням пропорційний діаметру заготовки (дроту), зворотно пропорційний діаметру бунту (барабану) та на декілька порядків менше, ніж ступінь деформації у волоках. На тяговому барабані він додатково зменшується при збільшенні довжини повідця і зменшенні висоти знімання дроту на ролик фрикціону.

4. Виконано експериментальну перевірку теоретичних залежностей для визначення ступеню деформації крученням дроту на промисловому волочильному стані багаторазової деформації, що виявило задовільну адекватність розрахункових та експериментальних даних.

5. Розроблена й використана методика визначення впливу знакозмінного та односпрямованого багатоциклічного пружно-пластичного навантаження на механічні властивості сталевого дроту при різних ступенях його деформації волочінням.

Показано, що навіть невеликі значення попередньої деформації крученням дроту з =0,002…0,006 викликали чіткі тенденції зміни механічних властивостей стали. Зростання величини у вказаному діапазоні супроводжувалося:

- після I пропуску () при знакозмінному циклічному пружно-пластичному навантаженні зразків крученням - тенденцією до зменшення на 1…5%, - на 3...5%, Н - на 3…15% та збільшенню в 1,07…1,25 разів й - на 5…9%;

- після II пропуску () при знакозмінному циклічному пружно-пластичному навантаженні зразків крученням - тенденцією до зменшення на 2…4%, - на 2…4%, Н - на 1…9% та збільшенню в 1,16…1,30 разів й - на 15…20%;

- після III пропуску () при односпрямованому циклічному пружно-пластичному вантаженні зразків крученням - тенденцією до збільшення на 2…3%, - на 5…7%, Н - на 8…10% та зменшенню в 1,09…1,22 разів й - на 14…24%.

Виявлено, що збільшення кута та кількості циклів закручування підсилює прояв відмічених чинників.

6. Показано, що в порівнянні із звичайним волочінням, коли реалізується, як правило, циклічне односпрямоване кручення дроту, контрольоване знакозмінне кручення дроту при його переміщенні по елементах оснащення стану багаторазового волочіння може супроводжуватися відповідним зменшенням на 3…8%, - на 7…12%, Н - на 9…25% та збільшенням в 1,17…1,50 разів й - на 19…40%.

7. Вперше теоретично визначений вплив швидкісних та геометричних характеристик процесу багаторазового волочіння на деформацію крученням дроту. Показано, що основними значущими чинниками при цьому є розузгодження (через різні причини) кінематики проводів тягових барабанів в послідовних пропусках, а також рівень знімання витка дроту на ролик фрикціону та на верхній передавальний ролик тягового барабану. Вперше кількісно визначений вплив «жорсткості» асинхронного приводу під навантаженням («ковзання» роторів двигунів) на ступінь деформації крученням дроту.

8. Визначені обмеження при проведенні віртуальних експериментів згідно планам, побудованим з використанням ортогональних латинських квадратів, при аналізі знакозмінних значень функції відгуку (у зв'язку з неприйнятним зниженням точності апроксимації результатів розрахунків).

9. Вперше теоретично визначений діапазон значень висоти знімання витка дроту на ролик фрикціону барабану, при якому можлива керована знакозмінна деформація дроту крученням в процесі його переміщення по передавальним елементам волочильного стану. Зокрема, показано, що для станів з характерними значеннями діаметру барабанів 0,55м, довжини повідця фрикціону 0,31м та висоти 0,4м розташування передавального ролика над барабаном, цей діапазон знаходиться вище 0,53 від висоти тягового барабану.

10. Одержав розвиток метод проектування маршрутів багаторазового волочіння в умовах зменшення інтенсивності зміцнення металу при врахуванні режимів деформації, прийнятих на виробництві. Використання отриманих результатів дозволяє при збереженні кратності волочіння зменшити на 5…11% мінімальний діаметр готового дроту або при збереженні маршруту волочіння зменшити на 2…7% енерговитрати на привід тягових барабанів.

11. Вперше теоретично визначені частоти обертання волоки, що забезпечують знакозмінне кручення дроту з підвищенням деформуємості металу при різних технологічних схемах процесу волочіння (розмотування заготовки за допомогою горизонтального або вертикального розмотуючого пристрою, використання радіального розмотуючого пристрою і зняття дроту на ролик фрикціону тягового барабану, розмотування заготовки за допомогою горизонтального або вертикального розмотуючого пристрою та зняття дроту на ролик фрикціону тягового барабану).

12. Виявлені умови зменшення необхідної частоти обертання волоки за допомогою управління тертям в тангенціальному напрямку в осередку деформації, наприклад, нанесенням анізотропної шорсткості на заготівку.

13. Розроблені матеріали, представлені у вигляді Технічних пропозицій для метизного підприємства ТОВ «АОРІСТ» (м. Дніпропетровськ), прийняті до використання (акт від 12.12.2007р.). Розробка також використовується в учбовому процесі Національної металургійної академії України при вивченні дисциплін «Обробка металів тиском» та «Технологічні особливості виробничих процесів та забезпечення якості продукції» (довідка від 18.02.2009 року).

Потенційний економічний ефект від використання розроблених рекомендацій складає близько 15 грн/т.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ВИКЛАДЕНО В ПУБЛІКАЦІЯХ

1. Должанский А. М. Теоретическое определение угла закручивания проволоки при снятии ее с барабанов волочильных станов / Должанский А. М., Очеретная Н. Н., Клюев Д. Ю.// Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2006. - №2. - С.54-56.

2. Должанский А.М. Деформация кручением проволоки и ее влияние на процесс волочения. Сообщение 1 / А. М. Должанский, Н. Н. Очеретная // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2007. - №6. - С.56-59.

3. Должанский А. М. Деформация кручением проволоки и ее влияние на процесс волочения. Сообщение 2 / А. М. Должанский, Н. Н. Очеретная // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2008. - №1. - С.81-84.

4. Должанский А.М. Установка для исследования эффективности применения вращающейся волоки / Должанский А. М., Клюев Д. Ю., Очеретная Н. Н. // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні. Тематичний збірник наукових праць. - Краматорськ: ДДМА, 2004. - С. 117-120.

5. Должанский А. М. Сопоставление показателей деформации проволоки при кручении в процессе волочения / А. М. Должанский, Н. Н. Очеретная // Обработка материалов давлением. Сборник научных трудов. - Краматорск: ДГМА, 2008. - №1(19). - С.253-257.

6. Должанский А. М. Определение маршрутов волочения при уменьшении интенсивности упрочнения проволоки / А. М. Должанский, Н. Н. Очеретная // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2008. - №2. - С.60-63.

7. Пат. 80758 Украина, МКИ В 21 С 1/00. Спосіб волочіння круглих довгомірних виробів / А.М. Должанський (UA), В.О. Шеремет (UA), А.В. Кекух (UA), М.А. Бабенко (UA), М.Г. Євтушенко (UA), Н.М. Очеретна (UA), Д.Ю. Клюєв (UA), І.В. Добров (UA). - № а2005 11066; Заявл. 22.11.2005; Опубл. 15.02.2006; Бюл. №2. - 6 с.: іл.

8. Anatoliy M. Dolzhanskiy. Wire Twisting on the Wire-drawing Mill Drums Working with Metal Accumulation/ Anatoliy M. Dolzhanskiy, Natali M.Ocheretna, Dmitro U. Klyuev // Summaries of Lectures of 7-th International Symposium of Croatian Metallurgical Society “Materials and Metallurgy” SHMD `2006 (Sibenic, Croatia, June 18-22, 2006) // Metalurgija. - №45. - 3. - 2006. - P. 249.

9. Dolgansky A.M. The Influence of the Microrelief Preparation Anisotropy on the Efficiency of Rotating Die Using/ Dolgansky A.M., Klyuev D.U., Ocheretnaya N.N.// Metalurgija, 43 (2004), br. 3. - Р. 248.

10. Anatoliy M. Dolzhanskiy. Thickness Forming of Technological Lubricant Film at Wire-drawing in Rotating Die/ Anatoliy M. Dolzhanskiy, Dmitro U. Klyuev, Natali M.Ocheretna // Summaries of Lectures of 7-th International Symposium of Croatian Metallurgical Society “Materials and Metallurgy” SHMD `2006 (Sibenic, Croatia, June 18-22, 2006) // Metalurgija. - №45. - 3. - 2006. - P. 249.

АНОТАЦІЯ

Очеретна Н.М. Розробка раціональних режимів деформації при волочінні з контрольованим знакозмінним крученням сталевого дроту. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05 - процеси та машини обробки тиском. - Національна металургійна академія України. Дніпропетровськ, 2009.

Вперше теоретично та експериментально визначений вплив на ступінь деформації крученням геометричних параметрів знімання заготовки з розмотуючого пристрою й дроту - з тягового барабану при волочінні. Вперше теоретично визначений вплив швидкісних та геометричних характеристик процесу багаторазового волочіння на деформацію крученням дроту, а також - діапазон значень висоти знімання витка дроту на ролик фрикціону барабану, при якому можлива знакозмінна деформація дроту крученням в процесі його переміщення по передавальним елементам волочильного стану.

Одержав розвиток метод проектування маршрутів багаторазового волочіння в умовах зменшення інтенсивності зміцнення металу. Вперше теоретично визначені значення частоти обертання волоки, що забезпечують знакозмінне кручення дроту з підвищенням на 5…11% деформуємості металу при різних технологічних схемах процесу волочіння.

Розроблені матеріали, представлені у вигляді Технічних пропозицій для метизного підприємства ТОВ «АОРІСТ» (м. Дніпропетровськ), прийняті до використання. Результати роботи також використовується в учбовому процесі Національної металургійної академії України.

Ключові слова: багаторазове волочіння, СТАЛЕВИЙ дріт, знакозмінне навантаження, ступінь деформації крученням.

Очеретная Н.Н. Разработка рациональных режимов деформации при волочении с контролируемым знакопеременным кручением стальной проволоки. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 - процессы и машины обработки давлением. - Национальная металлургическая академия Украины. Днепропетровск, 2009.

На основании теоретического сопоставления оценочных параметров степени сдвиговой деформации проволоки в условиях ее контролируемого (управляемого) знакопеременного кручения на волочильном стане выбран соответствующий обобщающий критерий. Впервые теоретически определено влияние геометрических параметров съема заготовки с размоточного устройства и проволоки - с тягового барабана на степень деформации кручением. Выполнена экспериментальная проверка теоретических зависимостей для определения степени деформации кручением проволоки на промышленном волочильном стане многократной деформации, выявившая адекватность расчетных и экспериментальных данных.

Разработана и использована методика определения влияния знакопеременного и однонаправленного многоцикличного упруго-пластического нагружения на механические свойства стальной проволоки при различных степенях ее деформации волочением. Впервые теоретически определено влияние скоростных и геометрических характеристик процесса многократного волочения на деформацию кручением проволоки. Впервые теоретически определен диапазон значений высоты съема витка проволоки на ролик фрикциона барабана, при котором возможна знакопеременная деформация проволоки кручением в процессе ее перемещения по передающим элементам волочильного стана.

Получил развитие метод проектирования маршрутов многократного волочения в условиях уменьшения интенсивности упрочнения металла при учете режимов деформации, принятых на производстве. Впервые теоретически определены значения частоты вращения волоки, обеспечивающие знакопеременное кручение проволоки с повышением деформируемости металла при различных технологических схемах процесса волочения. Выявлены условия уменьшения необходимой частоты вращения волоки путем управления трением в тангенциальном направлении в очаге деформации, например, нанесением анизотропной шероховатости на заготовку.

Разработанные материалы, представленные в виде Технических предложений для метизного предприятия ООО «АОРИСТ» (г. Днепропетровск), приняты к использованию. Результаты работы также используется в учебном процессе Национальной металлургической академии Украины.

Ключевые слова: многократное волочение, СТАЛЬНАЯ проволока, знакопеременное нагружение, степень деформации кручением.

Ocheretnaya N.N. Improvement of Efficient Deformation Modes during Steel Wire Drawing with Controlled Alternating Twisting. - Manuscript.

The dissertation to competition of a scientific degree of candidate of engineering sciences on speciality 05.03.05 - Processes and Machines of Processing by Pressure. - National Metallurgical Academy of Ukraine. Dnepropetrovsk, 2009.

Theoretical and experimental determination of wire rod removal from uncoiler and those of wire removal from traction drum on twisting deformation degree influence of geometric parameters is realized the first while wire-drawing. The first theoretical determination is introduced according of influence of speed and geometrical characteristics of multiple drawing process on twisting deformation of wire as well as range of levels wherefrom wire coil is removed to friction reel of the drum, allowing alternating wire deformation by twisting when it is being moved via transfer devices of the drawing mill.

Engineering technique of multiple drawing routes is developed for conditions when metal strengthening degree becomes smaller. This paper presents the first theoretical determination of draw-die rotational frequency values allowing alternating wire twisting with higher metal deformability margin for various technological schemes of wire-drawing process.

The research results are presented as Technical Propositions for metalware enterprise OOO AORIST (Dnepropetrovsk) and has been accepted for use. Results of this work are also used in the course of studies in National Metallurgical Academy of Ukraine.

Key words: MULTIPLE WIRE-DRAWING, STEEL WIRE, ALTERNATING LOADING, TWISTING DEFORMATION DEGREE.

Размещено на Allbest.ru