CC BY
45
10. Krasulin Yu.L., Shorshorov M.H. About the mechanism of formation dissimilar materials connection in a solid stage // Physics and chemistry of materials processing in a solid stage. 1967. № 1. P. 82 - 89.
11. Krasulin Yu.L. Metal interaction with the semiconductor in a solid phase. M.: Science, 1971. 119 p.
12. Shorshorov M.H., Drundin S.S. Kinetics of metals connection in a solid phase // Physics and chemistry of materials processing. 1981. № 1. P. 75 - 85.
13. Lozinskiy M.E., Tananov A.I. About the mechanism of formation and a structure of the transition zone in bimetal St3 + X18H10T // Engineering. 1967. № 3. P. 85-93.
14. The nature of the Metal-Metal Bond in Bimetallic Surfaces. Jose A. Rodriguez, D. Wayne Goodman. Science, New series, vol. 257, № 572, 897 - 903.
15. A new model for diffusion bonding and its application to duplex alloys. N. Orhan, M. Aksoy, M. Eroglu. Material Science and engineering A271, 458 - 468.
16. Bogatov A. A., Salihyanov D.R. Development and research of a gripe model in case of production of bimetallic rolled product steel - aluminum // XIV International scientific conference "New technologies and achievements in metallurgy, materials engineering and production engineer-ing\ Vol. 1. Series: Monograph № 31, Czestochowa. 2013. p. 295 - 300.
УДК 621.778
ОПТИМАЛЬНЫЕ УГЛЫ ВОЛОЧЕНИЯ И ВОЗМОЖНОСТЬ НУЛЕВОГО ПРИРОСТА ОСЕВОГО НАПРЯЖЕНИЯ ОТ ПРИЛОЖЕНИЯ ПРОТИВОНАТЯЖЕНИЯ
Гурьянов Г.Н.
ООО « Феникс+ », г. Белорецк, Россия
*
На основе приведённых уравнений в работе выполнили расчёты осевого напряжения в зависимости от угла а0 наклона образующей на входе очага пластической деформации для заготовки с пределом текучести as0 = 1000 МПа и коэффициенте упрочнения к = 0,25 (углеродистая сталь после патентирования) и для заготовки из стали марки 12Х18Н10Т,
имеющую кривую упрочнения [5*] C7Si = 511//1'37.
Зависимости построены при напряжении противонатяжения 0, 250 и 500 МПа, коэффициентах вытяжки 1,5 и трения 0,05 и 0,25 (рис. 1). Зона оптимальных углов смещается в сторону их увеличения с ростом коэффициента трения и снижением напряжения противонатяжения для всех трёх форм профиля канала.
При действии противонатяжения оптимальные углы ОСо0пт меньше для нержавеющей
стали, так как для неё больше величина отношения aq0/cs0 значений напряжения
противонатяжения и исходного предела текучести заготовки, чем для углеродистой стали.
*
Статья в настоящем издании Г.Н. Гурьянова «К разработке эффективного процесса волочения с противонатяжением круглой сплошной заготовки через волоки с различной формой профиля рабочего канала волоки»
Рис. 1. Зависимость полного напряжения от величины угла а на входе рабочего канала при коэффициенте вытяжки 1,5: а - в - углеродистая сталь; г - е - нержавеющая сталь; а, г - aq0 = 0; б, д - aq0 = 250 МПа; в, е - aq0 = 500 МПа; 1 - f = 0,05; 2 - f = 0,25; сплошные линии - конический канал; штриховые линии - выпуклая форма канала (6 ); штрих - пунктирные - вогнутая форма канала (7*); ( ) - формула и её номер приведены в следующей статье автора
Область оптимальных углов относительно узкая для вогнутого профиля и находится ближе к оси ординат. Кривые для выпуклого канала пологие и имеют минимум при более высоких значениях угла а0, чем значения аоОПт при конической и вогнутой формах профиля. При напряжении противонатяжения 500 МПа, которое близко к пределу текучести нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т (üsq = 511 МПа), кривые для зависимостей напряжения волочения при коэффициенте трения 0,05 и 0,25 практически слились (е), а оптимальные значения угла ОСо0пт меньше 3°. Влияние степени обжатия на величину угла а0опт для вогнутого канала сложное, поэтому результаты расчётов представили в табл. 1 и 2.
В табл. 1, 2 даны кроме оптимального угла О.о0пт значения полного осевого напряжения Ü2, запаса прочности Да и прироста осевого напряжения от приложения противонатяжения Aüq при вычисленном оптимальном значении угла ОС. Коэффициент трения 0,05 и 0,15, величина напряжения противонатяжения принята равной 0 и 250 МПа. Значения коэффициента вытяжки указаны в таблицах.
С ростом коэффициента вытяжки значения угла ОСо0пт увеличиваются для конического и выпуклого каналов при отсутствии и наличии противонатяжения. Для вогнутого канала величина ОСо0пт повышается до некоторого значения коэффициента вытяжки (для представленных данных это значение 1,35), а затем начинает снижаться с ростом обжатия. Это вызвано тем, что при вогнутом профиле с ростом вытяжки интенсивнее возрастает прирост осевого напряжения на деформацию сдвига металла на выходе рабочей зоны из-за большей величины угла а образующей канала на его выходе при фиксированном значении ОСq.
Результаты расчёта оптимального угла аоопт, напряжения волочения сте, запаса прочности До и прироста осевого напряжения от приложения противонатяжения Аач при волочении углеродистой заготовки
с о" и ь Ч-ч Профиль Расчётные параметры: а0оПт, град; аь Ас, Дач, МПа
Ц = 1,15 ц = 1,25 ц = 1,35 ц = 1,50
о 0,05 1 5,4; 292; 744; 0 6,9; 420; 637; 0 7,9; 535; 543; 0 9,2; 690; 417; 0
2 6,6; 294; 742; 0 9,2; 426; 631;0 11,6; 547; 530; 0 14,9; 725; 382; 0
3 4,4; 293; 742; 0 5,0; 425; 632; 0 5,1; 546; 532; 0 5,1; 712; 395; 0
о «о 2 0,05 1 4,7; 522; 514; 228 5,9; 645; 413;222 6,9; 755; 323; 218 8,0; 905; 202; 212
2 5,7; 523; 512; 228 8,0; 650; 407; 221 10,0; 766; 312; 216 13,0; 926; 180;208
3 3,8; 523; 513; 228 4,3; 649; 408;222 4,5; 764; 314; 216 4,5; 923; 183; 209
о 0,15 1 9,4; 401; 635; 0 11,8; 560; 498; 0 13,6; 698; 379; 0 15,7; 882; 224; 0
2 11,3; 405; 631; 0 15,7; 571; 486; 0 19,6; 722; 356; 0 24,8; 931; 176; 0
3 7,6; 404; 632; 0 8,5; 569; 488; 0 8,7; 718; 359; 0 8,5; 925; 185; 0
о «о 2 0,15 1 8,1; 616; 419; 213 10,2; 765; 292;202 11,8; 897;181; 194 13,7; 1071; 35;184
2 9,8; 619; 416; 212 13,6; 775; 282;201 17,1; 916; 161; 190 21,8; 1112; -5,3; 176
3 6,6; 619; 417; 212 7,4; 774; 284; 201 7,6; 913; 164; 191 7,5; 1107; 0; 177
Примечание. В столбце «профиль» единица определяет значения параметров в строках для конического канала, 2 - выпуклого канала; 3 - вогнутого профиля
Результаты расчёта оптимального угла аоопт, напряжения волочения о^, запаса прочности Ас и прироста осевого напряжения от приложения противонатяжения Аач при волочении нержавеющей заготовки
с Е о" СУ О Профиль Расчётные параметры: ОСоопт, град; Да, Аач, МПа
= 1,15 = 1,25 = 1,35 = 1,50
о 0,05 1 5,4; 161; 457; 0 6,8; 245; 449; 0 7,9; 326; 444; 0 9,1; 450; 441; 0
2 6,6; 162; 457; 0 9,4; 247; 447; 0 12,0; 331; 440; 0 15,8; 460; 431; 0
3 4,4; 163; 456; 0 4,8; 249; 445; 0 4,9; 336; 435; 0 4,7; 470; 421; 0
0 ш са 0,05 1 3,9; 388; 231; 222 4,9; 463; 231; 212 5,6; 537; 233; 203 6,5; 651; 240; 191
2 4,7; 388; 230;221 6,7; 464; 229;211 8,6; 541; 230; 202 11,5; 657; 233; 187
3 3,1; 389; 231;221 3,5; 466; 228;210 3,5; 544; 227; 200 3,4; 665; 226; 184
о 0,15 1 9,4; 222; 397; 0 11,7; 326; 368; 0 13,5; 427; 344; 0 15,5; 576; 314; 0
2 11,4; 223; 395; 0 16,0; 330; 363; 0 20,3; 436; 335; 0 26,3; 596; 294; 0
3 7,5; 224; 394; 0 8,2; 334; 360; 0 8,3; 444; 327; 0 7,9; 614; 277; 0
0 ш са 0,15 1 6,7; 431; 188;201 8,4; 521; 173;184 9,7; 609; 162; 169 11,2; 741; 149; 147
2 8,2; 432; 187; 200 11,6; 524; 170;182 14,7; 615; 156; 166 19,4; 754; 137; 140
3 5,4; 433; 186;200 5,9; 527; 167; 181 6,0; 621; 150; 163 5,8; 766; 124; 134
Данные табл. 1, 2 позволяют сделать вывод, что для конической и выпуклой форм канала приложение противонатяжения привело к снижению разницы значений угла аоОПт и полного напряжения при коэффициенте вытяжки 1,15 и 1,50. А увеличение коэффициента трения действует в обратном направлении - усиливает эту разницу значений для ОСоопт и ^Е.
Для вогнутого канала различие значений напряжения также уменьшается, хотя противо-натяжение не повлияло на стабильность величины аоОПт при изменении степени деформации заготовки. Расчёты показали, что с увеличением коэффициента упрочнения величина угла
а0оПт повышается при выпуклом канале и уменьшается при вогнутой и конической формах
профиля. При коническом канале уменьшение ОСо0пт незначительное. При отсутствии проти-вонатяжения величина исходного предела текучести не влияет на значения оптимального угла волочения. Но при фиксированной величине напряжения противонатяжения рост предела текучести а8о вызывает повышение ОСо0пт. При действии противонатяжения относительно
слабое влияние коэффициента упрочнения на величину ОСоопт сохраняется.
У углеродистой и нержавеющей сталей значительно отличаются значения исходного предела текучести и коэффициента упрочнения. Поэтому при отсутствии противонатяжения
для нержавеющей стали значения ОСо0пт больше при выпуклом канале и меньше при вогнутой
и конической формах профиля. При коническом канале значения ОСо0пт Для углеродистой и нержавеющей сталей незначительно отличаются при малых и средних степенях деформации
(ц < 1,35). Так как величина предела текучести а80 для нержавеющей стали почти в два раза меньше, чем у углеродистой, то приложение противонатяжения вызвало более заметное снижение величины аоОПт У менее прочной стали.
Представленные данные (рис. 2) позволяют сравнить различие значений напряжения
волочения для разных форм рабочего канала в зависимости от угла ао при волочении заготовки из углеродистой и нержавеющей сталей. Значения постоянных а8о и к для углеродистой и нержавеющей сталей оставили без изменения. Напряжение противонатяжения ^о равно 0, 250 и 500 МПа.
Рис. 2. Зависимости разности Аа^ значений полного напряжения для трёх форм рабочего канала от угла ао при коэффициенте вытяжки 1,5: а - в - углеродистая сталь; г - е - нержавеющая сталь; а, г - aq0 = 0; б, д - aq0 = 250 МПа; в, е - aq0 = 500 МПа; 1 - f = 0,025; 2 - f = 0,25; сплошные линии - разность (8 ); штриховые линии - разность (9 ); штрих - пунктирные - разность (10 )
Разности значений напряжения Ас^ имеют сложную зависимость от угла ОСо. Однако имеются общие закономерности для обеих сталей. Расстояние между парой линий для конкретной разности (две линии с одинаковым стилем) с коэффициентами трения 0,025 и 0,25
уменьшается с ростом угла а0 и напряжения противонатяжения ^о. То есть форма профиля и величина коэффициента трения меньше влияют на напряжение волочения. С увеличением напряжения противонатяжения снижается величина угла наклона линий к оси абсцисс. В
этом случае линии для разностей (сплошные) и Аа^з (штрих - пунктирные) сдвигаются влево и вниз, а линии для разностей Аа^2 (штриховые) - влево и вверх. Особенно заметно перемещение линий 2 при коэффициенте трения 0,25 и их участков, лежащих в интервале значений угла а0 до 15 - ти град.
Отмеченное влияние противонатяжения более заметно для нержавеющей стали, так как
она имеет значительно меньший предел текучести а80, чем углеродистая сталь. Поскольку большинство линий пересекают нулевую ординату, то существует диапазон значений угла 0,0, при которых имеет преимущество одна из сравниваемых форм канала для обеспечения меньшего усилия волочения. При высоком для нержавеющей стали напряжении противонатяжения 500 МПа явное преимущество показывает выпуклый профиль при обоих значениях коэффициента трения и при 0С0 > 6 (е). Но при этом напряжении противонатяжения при волочении углеродистой заготовки (в) преимущество выпуклого профиля обеспечивается только в отношении конического канала, когда коэффициент трения 0,25 (сплошная линия
2), и в отношении вогнутого канала при коэффициенте трения 0,025 и ОС0 > 9 (штрих -пунктирная 1).
На рис. 3 приведены зависимости прироста Д^ осевого напряжения от коэффициента трения для заготовки из углеродистой и нержавеющей стали при напряжении противонатяжения 100 и 250 МПа. Коэффициент вытяжки 1,5, а значения угла ао - 6; 9 и 18°.
Рис. 3. Зависимость прироста Aoq осевого напряжения
от коэффициента трения: а -в - углеродистая сталь; г - е - нержавеющая сталь; а, г - ао = 6o; б, д - ао = 9o; в, е - ао = 18o; 1 - Gqo = 100 МПа; 2 - Oqo = 250 МПа; сплошные линии - конический канал; штриховые - выпуклая форма канала (7 ); штрих - пунктирные - вогнутая форма канала (8*)
У углеродистой стали меньше коэффициент упрочнения, поэтому нулевой прирост достигается при более высоких значениях коэффициента трения. Расчёты запаса прочности для этой стали при коэффициенте /о показали, что напряжение волочения превышает предел текучести при заданном коэффициенте вытяжки 1,5. Если величина угла а0 равна 6°, то прирост Аач для нержавеющей стали равен нулю при коэффициенте трения /о = о,Ю5 для выпуклого канала и при /о = о,195 для конического канала (см. рис. 3, г). Для обеих форм канала напряжение волочения меньше конечного предела текучести 891 МПа при заданных значениях напряжения противонатяжения. При а о = 9° (см. рис. 3, д) нулевой прирост возможен только для выпуклого канала при коэффициенте трения о,158. При этом значении угла
ОСо напряжение волочения меньше предела текучести. Например, при ^о = 25о МПа осевое напряжение равно 84о МПа, т.е. запас прочности незначительный (Да = 51 МПа). Когда величина угла а = 18° (см. рис. 3, е), то нулевой прирост возможен для выпуклого канала при коэффициенте трения /о о,315, и напряжение волочения близко к пределу текучести
Например, напряжение волочения равно 89о МПа при ^о = 1оо МПа. Зависимости (см. рис. 3) показывают, что нулевое значение прироста достигается при одном значении коэффициента трения и разных значениях напряжения противонатяжения. Это следует из формулы (12 ) для канала с произвольной формой профиля канала и из формул (16 ) для конического канала.
В заключение следует отметить, что величина угла а наклона образующей на выходе очага пластической деформации при вогнутой форме профиля больше, чем при выпуклой и конической формах. Поэтому требуется более протяжённая переходная зоны для снижения угла а до нулевого значения для плавного перехода поверхности рабочего канала в цилиндрическую поверхность калибрующего пояска. В результате образуется, так называемый «сигмоидальный» профиль рабочего канала [2 ]. В переходной зоне происходит дополнительный прирост осевого напряжения. Волоки с чисто вогнутым рабочим каналом на практике не применяются по причинам сложности изготовления и отсутствия преимущества в *
стойкости [2 ]. Вогнутая деформирующая поверхность используется в сочетании с другими формами профиля рабочего канала.
Выводы
С увеличением напряжения противонатяжения снижается влияние формы рабочего канала на величину полного осевого напряжения. Обратное действие оказывает рост значений коэффициентов вытяжки и трения. Величина оптимального угла на входе рабочего канала уменьшается с ростом напряжения противонатяжения при конической и криволинейной формах профиля. Протяжённость зоны оптимальных значений угла волочения в начале очага пластической деформации шире для выпуклой формы рабочего канала, и она смещена в сторону их увеличения.
Впервые в теории волочения расчётным методом показана возможность нулевого и отрицательного прироста напряжения волочения от приложения противонатяжения при обеспечении некоторого запаса прочности переднего конца заготовки, что подтверждает результаты эксперимента И.Л. Тарнавского и других исследователей [1 ]. Аналитические зависимости для расчёта осевого напряжения и его прироста от действия противонатяжения, полученные из условия, что деформируемый материал имеет реологию жёстко-пластического тела, не включают величину коэффициента упрочнения. Однако расчёты показали, что наступление нулевого прироста осевого напряжения от противонатяжения при некотором запасе прочности переднего конца проволоки зависит от интенсивности упрочнения протягиваемого материала. Поэтому при жёстко-пластической модели упрочнения Мизеса, которую применяют при расчёте напряжённого состояния инженерным методом, методами линий сколь-
55
жения, верхней оценки, сопротивления материалов пластическим деформациям и баланса работ, невозможно расчётными методами обосновать реализацию нулевого прироста осевого напряжения от действия противонатяжения. Об этом свидетельствуют результаты соответствующих расчётов [1 , 2 , 5 ]. На практике реализация нулевого прироста для большинства материалов невозможна из-за обрыва переднего конца проволоки или нецелесообразна по ряду причин. Однако учёт особенностей процесса волочения с противонатяжением позволяет повысить эффективность его применения для разгрузки волоки от радиальной силы и повышения эксплуатационной стойкости волочильного инструмента, снижения температуры волочения, неоднородности физико-механических свойств деформированного металла и уровня остаточных напряжений в поперечном сечении.
УДК 621.771.23:621.778.09
ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ЛАТУННОГО ПОКРЫТИЯ ВЫСОКОУГЛЕРОДИСТОЙ ПРОВОЛОКИ ПРИ ВОЛОЧЕНИИ
1 2 Столяров А.Ю. , Мелихова Н.В.
1000 «Специальные технологии», г. Магнитогорск, Россия 2ФГБОУВПО «Магнитогорский государственный техническийуниверситет им. Г.И. Носова», г. Магнитогорск, Россия
Для обеспечения высоких эксплуатационных характеристик автомобильных шин ме-таллокорд, широко применяемый при их изготовлении, наряду с другими характеристиками, должен иметь высокую прочность связи с резиной (адгезия к резине). Для чего металлокорд свивают из латунированной высокоуглеродистой проволоки. Латунное покрытие наносится на патентированную проволоку-заготовку, которая затем подвергается мокрому волочению на многократных волочильных машинах со скольжением на готовый размер под свивку.
При этом толщина латунного покрытия на проволоке должна быть рациональной, т.к. с одной стороны, с увеличением толщины покрытия адгезия снижается [1], а с другой стороны, слишком тонкое покрытие приводит к нарушению его сплошности. Следует также учитывать экономические факторы, т. к. при нанесении латунного покрытия используются дорогостоящие материалы (медь и цинк анодные) и сложные технологические процессы осаждения металлов из комплексных электролитов, и увеличение толщины покрытия вызывает дополнительные затраты.
При волочении уменьшение толщины покрытия происходит пропорционально изменению диаметра проволоки, а также происходят потери латунного покрытия (съём) в волоках и на тяговых устройствах волочильных машин [2].
При расчёте параметров толщины латунного покрытия на патентированной заготовке необходимо учитывать съём латунного покрытия, который при нормальных условиях должен составлять 10-15 %. Величина съёма латунного покрытия зависит от величины суммарной деформации, геометрии и шероховатости поверхности рабочего канала волочильного инструмента, а также величины скольжения проволоки на тянущих устройствах волочильного стана. Опытным путём установлено, что съём латунного покрытия зависит ещё и от его начальной толщины [1-4].
Таким образом, вопрос формирования рациональной толщины латунного покрытия на патентированной заготовке в зависимости от условий волочения и требований к готовому металлокорду является актуальным.
На сегодняшний день в литературе вопросу волочения проволоки с латунным покрытием под металлокорд уделено мало внимания. Объясняется это тем, что с позиций теории совместной пластической деформации разных материалов (СПДРМ) [5] аналитически исследовать данный процесс затруднительно, поскольку латунное покрытие довольно тонкое, его
