Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
МАЛАКАНОВ СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ
Совершенствование технологии и конструкции
ВОЛОК для изготовления шестигранных
профилей на основе моделирования
в системе заготовка-инструмент
Специальность 05.02.09 - Технологии и машины обработки давлением
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Магнитогорск - 2012
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова.
Научный руководитель доктор технических наук, профессор
кафедры ТМиСМ ФГБОУ ВПО МГТУ
Железков Олег Сергеевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
зав. кафедры ДПМ ФГБОУ Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Колмогоров Герман Леонидович
доктор технических наук, профессор
кафедры МОМЗ ФГБОУ ВПО МГТУ
Славин Вячеслав Семенович
Ведущая организация: ФГАОУ ВПО УрФУ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина
Защита состоится 25 мая 2012г. в 1500 на заседании диссертационного совета Д 212.111.03 при ФГБОУ ВПО Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, МГТУ, ауд. 304.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова.
Автореферат разослан л24 апреля 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Жиркин Ю.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ*1
Актуальность работы.
Калиброванный шестигранный прокат широко используется для изго-товления крепежных деталей (болты, гайки и т.п.) и арматуры соединения трубопроводов (штуцеров, переходников и др.).
Волочение через монолитные многогранные волоки шестигранной или круглой заготовки является самым распространенным способ изготовления калиброванного шестигранника. Высокая стоимость шестигранной заготовки и необходимость наличия на складе больших запасов различных размеров и марок стали делает актуальной задачу определения рациональных режимов деформирования заготовки, имеющей круглое поперечное сечение.
Наиболее распространенная технологическая схема изготовления калиброванного шестигранника из заготовки круглого сечения - волочение за несколько проходов с промежуточными операциями (отжиг, подготовка поверхности и т.п.) через монолитные многогранные волоки с плоскими гранями. Основные недостатки такой технологии - большое количество технологических операций и сравнительно низкая стойкость многогранных монолитных волок.
Современные волочильные станы оснащаются специальными устрой-ствами для редуцирования (проталкивания) заготовки в волочильный инструмент, применение которых устраняет операцию острения, что повышает механизацию процесса и производительность труда, а также снижает отходы металла. Однако, особенности механической схемы деформации при редуцировании (всестороннее сжатие) при определенных условиях приводят либо к продольному изгибу проталкиваемого участка, либо к его осадке, что создает определенные трудности практической реализации данной операции.
Поэтому определение рациональных режимов волочения и редуцирования с использованием современных методов исследования процессов обработки металлов давлением (ОМД) позволит решить актуальную проблему повышения экономической эффективности изготовления шестигранных профилей из круглой заготовки за счет сокращения технологических операций и повышения стойкости волок.
Цель работы:
Совершенствование технологии изготовления шестигранных профилей путем применения рациональных режимов деформирования заготовки круглого поперечного сечения и конструкции волок с целью повышения их стойкости.
Задачи исследования:
- Выполнить моделирование процессов волочения и редуцирования шестигранного профиля из круглой заготовки с использованием современ-ного метода исследования процессов ОМД, определить формоизменение заготовки на различных этапах деформирования, напряженно-деформирован-ное состояние (НДС) и энергосиловые параметры исследуемых процессов. Использовать результаты исследования при выборе рациональных режимов деформирования и конструкции волок.
- Определить НДС в инструменте при контактном взаимодействии заготовки круглого сечения и рабочего канала многогранной волоки при волочении шестигранного профиля с учетом неравномерного характера распределения нагрузки по поверхности контакта, имеющей сложную геометрию. Использовать результаты расчетов при выборе рационального натяга в сборной волоке, при котором обеспечиваются минимальные значения растягивающих окружных напряжений в углах монолитной вставки.
- Разработать новые технические решения, использование которых обеспечит сокращение технологических операций и повышение стойкости волочильного инструмента при изготовлении шестигранных профилей.
Научные результаты, выносимые на защиту:
1. Рациональные режимы деформирования при волочении шестигранного профиля из круглой заготовки и геометрические параметры обжимной зоны волоки, позволяющие обеспечить требуемую точность граней профиля при минимальных энергосиловых затратах.
2. Закономерности распределения нормального давления по рабочей поверхности канала инструмента различного конструктивного исполнения при формировании шестигранного профиля, позволяющие с высокой точ-ностью определить НДС монолитной и сборной (секторной) многогранной волоки при волочении шестигранных профилей из заготовки круглого и шестигранного сечения.
3. Методика определения рационального натяга для запрессовки многогранных монолитных и секторных вставок в обойму (корпус), позволяющая в зависимости от условий процесса волочения шестигранного профиля рассчитывать рациональные посадочные размеры, при которых обеспечиваются минимальные значения растягивающих окружных напряжений в углах монолитной вставки.
Научная новизна результатов исследования:
1. Установлены закономерности изменения диаметра описанной окружности шестигранного профиля при варьировании основных условий процесса волочения, отличающиеся тем, что позволяют учитывать контактное взаимодействие заготовки и волоки при объемной постановке задачи и сложной форме обжимной поверхности рабочего канала с учетом упруго-пласти-ческих свойств деформируемого металла.
2. Выявлен характер распределения нормальных давлений, напряжений и деформаций на рабочей поверхности канала многогранной волоки с учетом особенностей формоизменения и НДС заготовки при волочении шестигранного профиля.
3. Разработана методика определения рационального натяга запрессовки монолитных твердосплавных вставок в корпус, отличающаяся тем, что величина натяга рассчитывается из условия минимизации растягивающих окружных напряжений в углах волочильного канала с учетом особенностей контактного взаимодействия в системе заготовка - волока.
4. Решена задача по определению НДС секторной сборной волоки при волочении шестигранного профиля.
Теоретическая значимость результатов исследования заключается в следующем:
- на основе имитационного моделирования процессов волочении и редуцирования получены новые знания о закономерностях пластического деформирования круглой заготовки при волочении шестигранного профиля;
- осуществлена адаптация компьютерных конечно-элементных моделей для выявления основных факторов, определяющих точность граней шестигранного профиля при волочении круглой заготовки;
- предложена методика определения НДС многогранной монолитной волоки, позволяющая учитывать совместное влияние внутреннего неравномерно распределенного давления от деформации заготовки при волочении и внешнего давления от натяга при запрессовке твердосплавной вставки в корпус.
Практическая значимость научных результатов состоит в следу-ющем:
1. Разработаны новые технические решения:
- Волока для изготовления многогранных фасонных профилей (патент на полезную модель РФ № 78102), применение которой обеспечивает сокращение технологических операций и повышение стойкости волок;
- Устройство для изготовления многогранных фасонных профилей (подготовлена заявка на полезную модель), применение которого позволяет изготавливать шестигранные профили за одну операцию волочения с редуцированием конца заготовки.
2. Усовершенствована технология изготовления калиброванного шестигранного проката из круглой заготовки на цепных волочильных станах, применение которой в условиях ОАО ММК-МЕТИЗ позволило устранить промежуточные технологические операции волочения, отжига и подготовки поверхности, а также снизить отходы на 3%. Экономический эффект - 1945 руб/тн.
3. Результаты исследования могут быть внедрены на предприятиях, изготавливающих калиброванный шестигранный прокат: ОАО Северсталь-метиз, ЗАО Омутнинский металлургический завод, ОАО Металлурги-ческий завод им. А.К. Серова, ЗАО Волгоградский металлургический завод Красный Октябрь, ОАО Московский металлургический завод Серп и молот, ЧАО Константиновский металлургический завод и др.
Соответствие паспорту специальности. В соответствии с формулой специальности диссертационная работа является прикладным исследованием закономерностей пластического деформирования круглой заготовки при волочении и редуцировании шестигранного профиля и контактного взаимодействия в системе заготовка - волока. Исследования направлены на определение рациональных режимов деформирования и конструкции волочильного инструмента, использование которых обеспечивает снижение энергозатрат и технологических отходов, а также повышение стойкости волок. Полученные соискателем научные результаты соответствуют пунктам 1, 3 и 5 паспорта специальности 05.02.09 Технологии и машины обработки давлением.
ичный вклад. Основные теоретические положения и научные ре-зультаты получены автором самостоятельно. Экспериментальные исследо-вания и обсуждение результатов проведены совместно с соавторами опубли-кованных работ.
Реализация работы. Результаты работы приняты к использованию в ОАО ММК-МЕТИЗ при изготовлении на ценных волочильных станах калиброванного шестигранного проката по ГОСТ 8560-78 с полем допуска h11 из сталей марок 10-50 из заготовки круглого сечения, а также при изготовлении сборных волок с твердосплавными вставками по ГОСТ 5426-76.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы изложены и обсуждены на научно-технических конференциях различных уровней: ежегодных научно-технических конференциях ФГБОУ ВПО Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова (2009-2011 гг.); Восьмом Конгрессе прокатчиков (г. Магнитогорск, 2010 г.); 11-й Международной научно-технической конференции ОАО ММК (г. Магнитогорск, 2011); научно-технических конференциях ОАО ММК-МЕТИЗ (2010-2011 гг.); Всероссийском конкурсе У.М.Н.И.К. (г. Магнитогорск, 2009 г.); Третьем (г. Челябинск, 2010 г.) и Четвертом (г. Челябинск, 2011 г.) Международных промышленных форумах Реконструкция промышленных предприятий - прорывные технологии в металлургии и машиностроении; областном конкурсе научно-исследовательских работ студентов, аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений, расположенных на территории Челябинской области (г. Челябинск, 2011г.)
Публикации. Основные положения и результаты работы изложены в 10 научных публикациях, из них 3 в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ, одном патенте на полезную модель РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и 4 приложений. Текст диссертации изложен на 162 страницах машинописного текста, иллюстри- рован 84 рисунками, содержит 30 таблиц. Библиографический список включает 103 наименования.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении отмечена актуальность проблемы повышения экономической эффективности изготовления шестигранных профилей и необходимость проведения исследований, направленных на совершенствование технологии и конструкции волок, а также сформулированы цель и научная новизна работы.
В первой главе рассмотрены нормативные требования, предъяв-ляемые к качеству шестигранных профилей; приведен анализ патентно-информационных материалов, в которых отражены основные способы изготовления калиброванных шестигранных профилей и конструкции волок для их изготовления; выполнен анализ причин низкой стойкости монолитных многогранных волок; дан обзор известных аналитических решений и методов исследования процессов волочения и редуцирования.
Обзор литературных и патентных источников показал, что наиболее распространенным способом изготовления шестигранных профилей является волочение горячекатаного круглого или шестигранного проката через монолитные многогранные волоки. При использовании круглой заготовки наиболее широко применяются следующие способы:
- многопроходное волочение с редуцированием конца прутка в волоках, недостатками которого является большое число промежуточных технологических операций (отжига, подготовки поверхности к волочению);
- однопроходное волочение с операцией острения конца прутка, связанное с образованием значительных отходов металла, необходимостью применения специального оборудования, повышенными затратами на содержание производственных площадей и привлечение дополнительного обслуживающего персонала.
Наиболее распространенной конструкцией волочильного инструмента для изготовления шестигранных прутков является монолитная многогранная вставка по ГОСТ 5426-76, запрессованная в стальной корпус (обойму).
Анализ причин низкой стойкости твердосплавных волок по ГОСТ 5426-76 показал, что одной из основных причин выхода из строя волок является разрушение монолитной вставки в продольной плоскости, проходящей через ребра профиля.
Обзор известных аналитических решений и методов исследования процессов волочения и редуцирования шестигранного профиля показал, что применяемые подходы имеют много упрощений и допущений, снижающих их точность, не позволяют исследовать изменение формы заготовки при контактном взаимодействии с инструментом, имеющим сложную рабочую поверхность.
Вопросами теории волочения фасонных профилей и конструирования волочильного инструмента занимались И.Л. Перлин, Г.Я. Гун, С.И. Губкин, В.В. Зверев, М.З. Ерманок, Ю.С. Зыков, Ю.В. Шухов, Н.З. Днестровский, Н.М. Богорад, А.В. Юшков, В.Н. Выдрин, В.И. Клименко, Г.Л. Колмогоров, В.Г. Горохов, А.Б. Гросман, В.Н. Аргунов, М.Г. Поляков, И.Д. Костогрызов, В.С. Славин, В.А. Харитонов, А.Я. Хейн, Г. Прейслер, К. Петцольд, У. Греулич, А. Мандл, и др.
Метод конечных элементов (МКЭ) является в настоящее время одним из наиболее эффективных методов исследования процессов ОМД. Среди разнообразия программных продуктов, основанных на МКЭ, можно выделить систему моделирования технологических процессов DEFORM-3DTM, позволяющую анализировать трехмерное поведение металла при деформировании, в том числе прогнозировать характер формообразования при волочении и редуцировании шестигранных профилей.
В конце главы сформулированы задачи исследования.
Вторая глава работы посвящена теоретическим исследованиям про-цессов волочения и редуцирования круглой заготовки при изготовлении шестигранных профилей. Исследования проводились с использованием твердо-тельного моделирования в САПР КОМПАС-3D и численного моделиро-вания МКЭ на базе программного комплекса DEFORM-3DTM при объемной постановке задачи (рис. 1).
| а) | б) |
Рис. 1. Конечно-элементные модели процессов волочения (а) и
редуцирования (б): а1 - заготовка; 2 - волока; 3 - захват волочильного стана.
При моделировании использовали следующие допущения: процесс является изотермическим; материал заготовки изотропный, упруго-пластичес-кий; заготовка не имеет внутренних и внешних дефектов; силы внешнего трения учитываются применением закона полусухого трения Кулона-Амон-тона; условие пластичности по Губеру-Мизесу; эволюция микроструктуры не учитывается; все объекты, кроме заготовки, несжимаемые (абсолютно жесткие); рассматриваются установившиеся этапы процесса деформирования. За-готовка разбивалась на объемные элементы в виде тетраэдров. Разбиение заготовки на конечные элементы выполнялось неравномерно, учитывался градиент деформации, то есть в зонах, гдe предполагалось значительное изменение формы, сетка выполнялась гуще, при этом размер элемента не превышал 1/3 от радиуса закругления кромки профиля по ГОСТ 8560-78 (общее число элементов достигало 250000). Изменение механических свойств заготовки описывалось степенной зависимостью:
, (1)
где - некоторое условно-постоянное напряжение, характеризующее марку материала, его структурное состояние, температурно-скоростные условия деформирования; - показатель деформационного упрочнения материала.
Способность материала заготовки упруго деформироваться оценивалась модулем упругости Е.
Использование в качестве исходной заготовки круглого профиля при волочении через волоку с плоскими гранями по ГОСТ 5426-76 приводит к не-равномерности величины относительных обжатий по периметру шестигранного профиля, что является причиной снижения точности граней профиля из-за плохого заполнения металлом углов волочильного канала.
Моделирование в DEFORM-3DTM маршрутов волочения ОАО ММК-МЕТИЗ шестигранного калиброванного проката из горячекатаного проката круглого сечения по ГОСТ 2590-2006 через шестигранную волоку с плоскими гранями по ГОСТ 5426-76 показало, что для формирования требуемой геометрии шестигранного профиля из круглой заготовки требуется суммарная степень деформации .
Для снижения суммарной степени деформации предложена новая форма обжимной зоны многогранной волоки, имеющая выступы на гранях с геометрическими параметрами и (рис. 2).
Рис. 2. Твердотельная модель многогранной волоки с выступами на гранях, построенная в КОМПАС-3D: - полуугол волочения, - угол наклона выступа
Выполнение выступов на гранях рабочего канала волоки, благодаря изменению формы очага деформации и площади контактной поверхности, способствует смещению металла в углы волочильного канала, что позволяет снизить степень деформации при хорошем оформлении ребер шестигранника.
При моделировании процесса волочения через многогранную волоку получено распределение нормального давления в областях контакта заготовки и многогранной волоки. Результаты моделирования использовались при определении НДС инструмента. Определены энергосиловые параметры деформирования в зависимости от степени деформации, механических свойств, коэффициента трения, геометрических параметров волочильного канала волоки (углы и ). Было установлено, что при , усилие волочения принимает минимальное значение, а регламентируемый диаметр описанной окружности шестигранного профиля обеспечивается при геометрических параметрах выступа , .
На рис. 3 показана радиальная деформация в поперечном сечении заго-товки в обжимной зоне волоки с различной геометрией.
а) | б) |
Рис. 3. Радиальные деформация заготовки в поперечном сечении:
а - в обжимной зоне волоки с плоскими гранями; б - в обжимной зоне волоки с выступами на гранях
Моделирование процесса волочения круглой заготовки через волоку с выступами на гранях показало, что для формирования требуемой геометрии шестигранного профиля из круглой заготовки суммарная степень деформа-ции может быть снижена до . Полученные результаты использовались при разработке нового технического решения (патент РФ № 78102) и совершенствовании технологии изготовления калиброванного шестигранного проката из круглой заготовки.
При моделировании процесса редуцирования круглой заготовки через многогранную волоку было установлено, что при степени деформации более происходит пластическая деформация (осадка) участка заготовки на входе в рабочий канал инструмента, препятствующая дальнейшему продвижению прутка и, как следствие, осуществлению процесса волочения. Данные результаты использовались при разработке нового технического решения, направленного на изготовление шестигранного профиля из круглой заготовки за один проход при обеспечении требуемой стабильности протекания процесса редуцирования. Также были определены энергосиловые параметры процесса редуцирования круглой заготовки через многогранную волоку. Установлено, что при прочих равных условиях сила редуцирования в 1,3-1,5 раза превышает силу волочения.
Третья глава диссертации посвящена исследованиям НДС многогранных волок.
Используя программный комплекс DEFORM-3DTM, был проведен анализ НДС в монолитной твердосплавной вставке 1980-0325 по ГОСТ 5426-76 из твердого сплава марки ВК8. Конечно-элементная модель твердосплавной вставки состояла из 50000 элементов, имеющих форму тетраэдров. Граничные условия задавались в виде отсутствия перемещений на наружной поверхности модели. Модель вставки нагружалась только внутренним давлением, которое определялось при моделировании процесса волочения.
При моделировании был установлен качественный и количественный характер распределения радиальных , окружных и осевых напряжений по длине рабочего канала волоки.
На рис. 4 показано распределение напряжений по длине рабочего канала в продольном сечении волоки, проходящем через углы волочильного канала, при волочении шестигранного профиля из стали марки 20 со степенью деформации . Установлено, что области концентрации растягивающих окружных напряжений находятся в углах волочильного канала.
Рис. 4. Распределение напряжений по длине рабочего канала в углах монолитной многогранной волоки
В работах Г.Л. Колмогорова для оценки прочности запрессованной в корпус рабочей твердосплавной вставки с круглым сечением рабочего канала (волочение из круга в круг) предложено использовать критерий прочности П.П. Баландина. Вышеуказанная методика усовершенствована за счет того, что при решении задачи определения напряжений с использованием МКЭ в многогранной волоке учитывались сложная геометрия рабочего канала и особенности распределения давления металла на волоку. Были проведены соответствующие исследования, на основании которых установлено, что опасным сечением многогранной вставки является продольная плоскость, проходящая через ребра многогранника. В этих областях критерий П.П. Баландина в зависимости от механических свойств и степени деформации заготовки достигал значений 0,50-0,75 (значение критерия, близкое к 1,00, считается критическим).
Путем варьирования условий процесса волочения были установлены зависимости величины растягивающих окружных напряжений в углах волочильного канала от предела текучести металла деформируемой заго-товки при различных значениях степени деформации и выполнена аппроксимация полученных зависимостей в Microsoft Exel при 0,95:
- при , МПа;
- при , МПа; (2)
- при , МПа.
На основе зависимостей (2) была разработана методика определения требуемого натяга, обеспечивающего отсутствие растягивающих окружных напряжений в углах волочильного канала при волочении шестигранного профиля. В разработанной методике используются результаты моделирования НДС в волоке, которая нагружалась равномерно распределенным давлением по наружной поверхности и неравномерным давлением, действующим в рабочем канале. Внутреннее давление определялось по результатам моделирования процесса волочения с использованием МКЭ на базе программного комплекса DEFORM-3DTM.
При правильно выбранном натяге растягивающих окружных напряжений в углах многогранника рабочего канала должны принимать минимальные значения. При этом давление от натяга не должно вызывать предельную деформацию обоймы.
Получены уравнения, позволяющие определять необходимые давле-ния при запрессовке с натягом в зависимости от предела текучести металла деформируемой заготовки при различных значениях степени деформации :
- при МПа;
- при МПа; (3)
- при МПа.
На основе разработанной методики определили значения требуемого натяга и значения вероятностных натягов многогранных вста-вок 1980-0352 по ГОСТ 5426-76 из сплава ВК8 при запрессовке в стальной корпус из стали марки 30ХГСА при волочении шестигранных прутков в зависимости от предела текучести деформируемой заготовки и степени деформации при волочении.
Отсутствие растягивающих напряжений в углах многогранной волоки по ГОСТ 5426-76 рассматриваемых марок сталей обеспечивают посадки H7/x7 (при ) и Н8/z8 (при и ).
Так как максимальная величина натяга ограничивается пределом текучести материала корпуса с учетом коэффициента запаса, то было рассмотрено конструктивное решение, полностью исключающее возможность концентрации растягивающих окружных напряжений в углах волочильного канала. Для этого предложено твердосплавную вставку выполнять в виде секторных элементов, что позволяет существенно изменить НДС в волоке. Секторные элементы вставки имеют возможность в пределах упругих деформаций перемещаться в радиальном направлении, что увеличивает стойкость волоки.
С целью определения НДС секторной вставки была создана объемная модель секторного элемента, полученного делением твердосплавной моно-литной вставки 1980-0325 по ГОСТ 5426-76 на шесть частей по продольным плоскостям, проходящим через ребра шестигранника. В программном комплексе DEFORM-3DTM на объемную модель каждого секторного эле-мента была нанесена сетка, состоящая из 50000 конечных элементов, имею-щих форму тетраэдров. Силы, действующие на секторный элемент со сторо-ны заготовки при волочении шестигранного профиля, были интерполиро-ванны на конечно-элементную модель. Установлено, что концентрации рас-тягивающих напряжений в углах волочильного канала при выполнении вставки в виде секторных элементов не происходит.
Результаты исследования НДС секторной многогранной волоки использовались при разработке нового технического решения (патент РФ № 78102).
Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям про-цессов волочения и редуцирования шестигранных профилей, запрессовки твердосплавных вставок монолитных многогранных волок в стальные обоймы и разработке технических и технологических решений, направленных на повышение экономической эффективности технологических процессов изготовления шестигранных профилей за счет сокращения операций и повышения стойкости волок при изготовлении шестигранных профилей.
Экспериментальные исследования процессов волочения и редуциро-вания проводились в калибровочном цехе ОАО ММК-МЕТИЗ на цепном волочильном стане модели 2КМ-30-9 (ОАО ПО Иркутский завод тяжелого машиностроения) с усилием волочения 294 кН (30 тс).
При исследовании влияния формы обжимной зоны на точность граней шестигранного профиля с размером под ключ 24 мм использовались воло-ка с плоскими гранями обжимной зоны по ГОСТ 5426-76 и волока с выступами на гранях, изготовленная в инструментальном цехе ОАО ММК-МЕТИЗ по разработанным чертежам.
В качестве заготовки использовался круглый отожженный калибро-ванный прокат диаметром 27,52 мм, 27,98 мм из стали марки 10 по ГОСТ 1050-78 производства ОАО ММК.
Установлено, что формоизменение заготовки при компьютерном и натурном моделировании дает близкие результаты (расхождение значений диаметров описанной окружности шестигранника не превышало 10%).
Проверку результатов исследований стабильности протекания процесса редуцирования круглой заготовки в многогранной волоке осуществляли с помощью гидропроталкивателя стана модели 2КМ-30-9, который обеспечивает максимальное усилие редуцирования 440 кН (45 тс). Были подтверждены рассчитанные степени критической деформации заготовки , при которых происходит осаживание части заготовки, расположенной между губками проталкивателя и волокой.
Определение усилия волочения шестигранного профиля осуществляли на спроектированной экспериментальной установке с помощью универсаль-ной разрывной машины фирмы Louis Schopper (Германия) с усилием 294 кН (30тс). Сопоставление результатов расчета энергосиловых параметров при натурном и численном моделировании показало, что расхождение значений не превышало 9,5%.
Коэффициент трения определялся по методике бочкообразования, предложенной С.И. Губкиным и Н.М. Орловым, экспериментально-расчет-ным путем. Получено среднее значение коэффициента трения fср = 0,14.
Для оценки влияния величины давления от натяга, рассчитанного по разработанной методике, на стойкость до разрушения твердосплавных вставок по ГОСТ 5426-76 была изготовлена опытная партия волок. На гидравлическом прессе П6384 с усилием 981 кН (100 тс) осуществлялась горячая запрессовка волок-заготовок по ГОСТ 5426-76 из сплава ВК8 в стальные обоймы из стали марки 30ХГСА. Нагрев обойм осуществлялся до температуры 350-400С в муфельной печи. Запрессовка твердосплавных многогранных волок-заготовок в обоймы по ГОСТ 5426-76 с использованием натяга, рекомендованного на основании выполненных исследований, позволила сократить число поломок волок на 22%.
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования про-цесса волочения позволили разработать новое техническое решение (патент РФ № 78102 на полезную модель Волока для изготовления многогранных фасонных профилей), применение которого обеспечивает повышение стойкости волочильного инструмента и снижение числа проходов при волочении шестигранного профиля из круглой заготовки (рис. 5). Разработанная волока изготавливается секторной, причем на рабочей поверхности каждого секторного элемента выполнен выступ в виде тетраэдра. При этом углы наклона выступа (, ) приняты в соответствии с рекомендациями, разработанными на основании моделирования процесса волочения.
Рис. 5. Волока для изготовления шестигранных профилей (патент РФ № 78102)
Проведенные исследования процесса редуцирования позволили разработать техническое решение, направленное на обеспечение изготовления многогранных фасонных профилей за одну операцию волочения на волочильных станах, оборудованных устройствами для проталкивания конца заготовки в инструмент.
Устройство для волочения многогранных профилей содержит корпус с последовательно размещенными в нем поворотно-кулачковым механизмом регулирования радиального перемещения шариков, образующих калибр, и монолитную или секторную многогранную волоку. На первом этапе редуцирования поворотно-кулачковое устройство находится в сведенном положении, шарики максимально приближенны к центральной оси заготовки, заготовка проталкивается через образованный шариками калибр и деформируется на длину, необходимую для захвата выступающего конца заготовки тянущим устройством волочильного стана. После этого поворотно-кулачковый механизм переводится в первоначальное положение. Шарики разводятся, обеспечивая стабильность протекания второго этапа редуцирования заготовки через многогранную волоку. На разработанное техническое решение подготовлена заявка на полезную модель.
На основании проведенных исследований усовершенствована техноло-гия изготовления калиброванного шестигранного проката из заготовки круг-лого поперечного сечения на цепных волочильных станах в условиях калибровочного цеха ОАО ММК-МЕТИЗ. Внесены изменения в технологическую карту ТК ММК-МЕТИЗ-К.Т-285-11 Маршруты волочения проката шестигранного сечения размером под ключ 19-41 мм из г/к проката и передельной заготовки круглого сечения на цепном волочильном стане ИЗТМ с усилием волочения 294 кН (30 тс).
Сокращение числа переходов привело к уменьшению прямых перемен-ных затрат, в том числе технологических отходов на 28,6 кг/тн. Эконо-мический эффект составляет 1945 рублей на тонну продукции.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ
1. Выполнена адаптация математической модели программного ком-плекса DEFORM-3DTM, основанного на МКЭ, для компьютерного модели-рования процесса волочения шестигранных профилей при объемной поста-новке задачи с учетом упруго-пластических свойств деформируемого метал-ла и сложной формы очага деформации. Выполнены расчеты НДС деформи-руемой заготовки и энергосиловых параметров при волочении через много-гранную волоку с плоскими гранями и с выступами на гранях в обжимной зоне. Получено распределение нормального давления в областях контакта заготовки и многогранной волоки. Установлено, что для формирования тре-буемой геометрии шестигранного профиля из круглой заготовки при волоче-нии через волоку с плоскими гранями требуется суммарная степень деформа-ции , а выполнение выступов на гранях в обжимной зоне волоки позволяет снизить необходимую суммарную степень деформации до .
2. На основе установленных закономерностей изменения диаметра описанной окружности шестигранного профиля при варьировании основных условий процесса волочения круглой заготовки через многогранную волоку с выступами на гранях разработана методика определения рациональных геометрических параметров обжимной зоны, применение которых обеспечивает требуемую точность граней профиля при минимальных энергосиловых затратах. Установлено, что регламентируемый диаметр описанной окруж-ности шестигранного профиля обеспечивается при геометрических парамет-рах выступа , , а минимальное усилие волочения при , .
Проведенные экспериментальные исследования показали, что расхождение теоретических и экспериментальных результатов не превышает 10%, что свидетельствует об адекватности компьютерных моделей и разработанной методики.
3. Осуществлена адаптация конечно-элементной модели программного комплекса DEFORM-3DTM для компьютерного моделирования процесса редуцирования круглой заготовки через многогранную волоку. Установлено, что при степени деформации более происходит пластическая деформация (осадка) участка заготовки на входе в рабочий канал инстру-мента, препятствующая дальнейшему осуществлению процесса волочения. Экспериментальная проверка результатов моделирования подтвердила полученные значения степени критической деформации при редуцировании. Кроме того, установлено, что при прочих равных условиях усилие редуцирования в 1,3-1,5 раза превышает усилие волочения.
4. Выполнено моделирование НДС многогранной волоки с учетом полученного распределения нормальных давлений, обусловленных особенностями формоизменения и НДС заготовки при волочении шестигранного профиля. Установлены закономерности распределения радиальных , окруж-ных и осевых напряжений по длине рабочего канала волоки. Обнаружено, что в углах волочильного канала располагаются области концентра-ции наибольших растягивающих окружных напряжений . Разработана методика определения рационального натяга запрессовки монолитных твердосплавных вставок в корпус, позволяющая рассчитывать величину натяга из условия минимизации значений растягивающих окружных напряжений в углах монолитной вставки. Определены посадки (Н7/x7, Н8/z8), обеспечивающие минимальные значения растягивающих напряжений в углах многогранной волоки по ГОСТ 5426-76 при волочении шестигранного профиля.
5. На основе проведенных теоретических и экспериментальных ис-следований процессов волочения и редуцирования круглой заготовки при изготовлении шестигранного профиля разработаны новые технические решения:
Ц Волока для изготовления многогранных фасонных профилей (па-тент РФ № 78102 на полезную модель), применение разработанной конструк-ции волоки позволяет устранить промежуточные переходы за счет выполне-ния выступа в обжимной зоне и обеспечивает увеличение стойкости волоки за счет выполнения вставки в виде секторных элементов.
Устройство для изготовления многогранных профилей (под-готовлена заявка на полезную модель), использование разработанной кон-струкции обеспечивает стабильное протекание процесса редуцирования круг-лой заготовки без осадки участка заготовки на входе в рабочий канал много-гранной волоки, что позволяет изготавливать многогранные профили за один проход.
6. Усовершенствована технология изготовления калиброванного шестигранного металла в условиях ОАО ММК-МЕТИЗ. Внесено изменение в ТК ММК-МЕТИЗ-К.Т-285-11 Маршруты волочения проката шестигранного сечения размером под ключ 19-41 мм из г/к проката и передельной заготовки круглого сечения на цепном волочильном стане ИЗТМ с усилием волочения 294 кН (30 тс), устранены промежуточные технологические операции волочения, отжига, травления, подготовки поверхности. Сокращены технологические отходы на 28,6 кг/тн. Экономический эффект от сокращения прямых переменных затрат составляет 1945 рублей на тонну продукции.
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:
- Железков, О.С. Исследование и совершенствование конструкции монолитных волок для калибрования шестигранных прутков/ О.С. Железков, С.А. Малаканов, В.Г. Дампилон // Современные методы конструирования и технологии металлургического машиностроения: Сб. науч. тр. - Магнитогорск: ГОУ ВПО МГТУ, 2008. С. 170-172.
- Патент 78102 РФ МКИ7 В 21 С 3/00 Волока для изготовления многогранных фасонных профилей / О.С. Железков, В.Г. Дампилон, С.А. Малаканов. 2008124316/22; заявл. 16.06.2008; опубл. 20.11.2008. Бюл. № 32.
- Железков, О.С. Повышение эффективности производства фасонных профилей за счет совершенствования конструкции волок/ О.С Железков, С.А. Малаканов // Сталь. - 2009. - №3. С. 89. (рецензируемое издание из перечня ВАК)
- Малаканов, С.А. Совершенствование конструкции и технологии изготовления твердосплавных волок для калибрования фасонных профилей/ С.А. Малаканов // Инновации молодых ученых: Сб. докладов УМНИК. - Магнитогорск: ГОУ ВПО МГТУ, 2009. С. 135-138.
- Железков, О.С. Определение энергосиловых параметров при волочении шестигранного профиля в монолитной волоке/ О.С. Железков, С.А. Малаканов //Процессы и оборудование металлургического производства. Межрегион сб. науч. тр. Вып 8. - Магнитогорск: ГОУ ВПО МГТУ, 2009. С.154-158.
- Железков, О.С. Моделирование процесса волочения шестигранных прутков в монолитной волоке/ О.С. Железков, С.А. Малаканов, В.Г. Дампилон // Моделирование и развитие процессов обработки металлов давлением: Межрегион. сб. науч. тр.- Магнитогорск: ГОУ ВПО МГТУ, 2009. С. 175-177.
- Железков, О.С. Исследование процесса проталкивания круглой заготовки через монолитную волоку с рабочим каналом шестиугольного сечения/ О.С. Железков, С.А. Малаканов, В.Г. Дампилон // Материалы международного промышленного Форума-выставки Реконструкция промышленных предприятий - прорывные технологии в металлургии и машиностроении. - Челябинск, 2010. С.88.
- Железков, О.С., Моделирование процесса проталкивания круглой заготовки в шестигранную монолитную волоку/ О.С. Железков, С.А. Малаканов, В.Г. Дампилон // Сборник докладов конференции Инновационные техно-логии в обеспечении качества, энергоэффективности и экологической безопас-ности металлургических и машиностроительных предприятий в современных условиях. - Челябинск, 2010. С.158-160.
- Железков, О.С., Компьютерное моделирование процесса калиброва-ния шестигранного прутка из исходной заготовки круглого сечения/ О.С. Железков, С.А. Малаканов, В.Г. Дампилон // Черные металлы. - 2011.-№ 6. С. 65-66. (рецензируемое издание из перечня ВАК)
- Железков, О.С. Компьютерное моделирование напряженного состоя-ния в монолитной волоке при калибровании фасонных профилей / О.С. Железков, С.А. Малаканов // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. - 2012. -№ 2. С.46-49. (рецензируемое издание из переч-ня ВАК).
Подписано в печать Формат 60х84 1/16. Бумага тип.№1.
Плоская печать. Усл.печ.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ
455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38
Полиграфический участок ФГОУ ВПО МГТУ
* Работа выполнялась при поддержке гранта Губернатора Челябинской обл. за 2011г.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям