НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

Клюєв Дмитро Юрійович

УДК 621.778

ТЕОРЕТИЧНЕ ОБГРУНТУВАННЯ ТА ВПРОВАДЖЕННЯ ВДОСКОНАЛЕНОГО ПРОЦЕСУ ВОЛОЧІННЯ ДРОТУ У ВОЛОЦІ, ЩО ОБЕРТАЄТЬСЯ

Спеціальність 05.03.05

"Процеси та машини обробки тиском"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2004

Дисертацією є рукопис.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор ДОЛЖАНСЬКИЙ Анатолій Михайлович, Національна металургійна академія України, м. Дніпропетровськ, завідувач кафедри „Якість, стандартизація та сертифікація”.

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

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор ЖУЧКОВ Сергій Михайлович, Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова Національної Академії наук України, м. Дніпропетровськ, заступник директора;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник ШИФРІН Євген Ісайович, Інститут розвитку ВАТ „Нижньодніпровський трубопрокатний завод”, м. Дніпропетровськ, технічний директор.

Провідна установа:

Державний науково-дослідний і конструкторсько-технологічний інститут трубної промисловості ім. Я.Ю. Осади, м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться " 10 " травня 2005 р. о 1230 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д08.084.02 Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна 4.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна 4.

Автореферат розісланий " 5 " квітня 2005 р.

В.о. вченого секретаря

спеціалізованої вченої ради _____________________________ С.І. Губенко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Головною задачею сучасного виробництва металовиробів є підвищення якості і конкурентоспроможності готової продукції з одночасним зменшенням забруднення навколишнього природного середовища. У зв'язку з цим на перший план у цій галузі виходить розробка ефективних технологій з мінімізацією використання кислоти при підготовці поверхні заготовки до волочіння.

Актуальність теми. Волочіння сталевого дроту з використанням сухих технологічних мастил в Україні реалізується на більш ніж 50 підприємствах. При цьому, здебільшого, застосовується технологія волочіння, що включає підготовку поверхні катанки, нанесення мастила і волочіння в нерухомій волоці.

Підготовка поверхні катанки звичайно здійснюється одним із способів:

- травлення в розчинах кислот з наступним нанесенням підмастильного покриття;

- механічне видалення окалини в роликових окалиновідламувачах.

При наявності ряду переваг першого способу (висока якість продукції і продуктивність) його недоліками є забруднення навколишнього середовища і високі витрати на травлення.

Другий спосіб, вирішуючи питання екологічної безпеки, має наслідком зростання шорсткості поверхні заготовки. У сполученні зі зміцненням металу (у результаті його знакозмінного вигину при проходженні роликового окалиновідламувача) та зниження адгезії сухого технологічного мастила (мила) до поверхні катанки це приводить до росту тертя, підвищеному зносу волок, високої обривності дроту, збільшенню енерговитрат, погіршенню якості продукції і зниженню продуктивності устаткування.

У зв'язку з цим, в умовах застосування механічного видалення окалини потрібна інтенсифікація процесу волочіння в напрямках зниження зусилля протягування, ведення бездефектного процесу обтиснення й одержання високоякісної метизної продукції з використанням існуючих волочильних станів.

Одним з відомих шляхів інтенсифікації процесу волочіння є використання волоки, що обертається, замість нерухомого інструменту. Одночасно з підвищенням стійкості волок та зниженням тяглових зусиль цей захід дозволяє поліпшити геометрію круглого дроту, що є суттєвим для деяких видів продукції (зокрема, зварювального дроту). Однак, існуючі теоретичні й експериментальні дані про ефективність цього заходу до наявної роботи суттєво відрізнялися між собою. Невизначеною була енергетика процесу, а також вплив конкретних параметрів технології (інтенсивність обтиснень, геометрія волоки, швидкість її обертання тощо) на силові умови волочіння. Це не дозволяло визначити раціональні умови застосування волоки, що обертається, з погляду енерговитрат, продуктивності і якості продукції.

Тому робота, спрямована на розвиток теоретичних основ застосування і визначення раціональних умов використання волоки, що обертається, при сухому волочінні 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 2010 р., схваленою Кабінетом Міністрів від 11.03.96, та її подальшим коректуванням у 1999, 2002 рр., а також згідно з тематикою держбюджетної науково-дослідної роботи кафедри технологічного проектування НМетАУ (ДР №0100U000769). Автор є виконавцем вказаної роботи.

Мета й задачі дослідження. Метою роботи є теоретичне обґрунтування та впровадження вдосконаленого процесу волочіння дроту у волоці, що обертається. Для досягнення поставленої мети були сформульовані і вирішені такі задачі:

1. Вдосконалити теоретичні основи визначення силових умов волочіння при використанні волоки, що обертається.

2. Дослідити мікрорельєф поверхні заготовки та встановити взаємозв’язки між параметрами шорсткості металу в залежності від особливостей технології волочіння.

3. Розвинути теоретичні основи визначення характеристик анізотропного тертя в умовах деформування металу з використанням волоки, що обертається.

4. Визначити оптимальні умови використання волоки, що обертається.

5. Розробити та впровадити у промислове виробництво технологію волочіння стальної низьковуглецевої катанки з використанням волоки, що обертається.

Об'єкт дослідження. Технологія сухого грубо-середнього волочіння сталевого дроту.

Предмет дослідження. Параметри процесу волочіння дроту у волоці, що обертається.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження засновані на фундаментальних закономірностях теорії обробки металів тиском. При дослідженні шорсткості поверхні металу використовувалось сучасне профілографічне обладнання, яке пройшло державну перевірку. Силові параметри при деформації металу вимірювалися відповідною тензометричною апаратурою. Механічні властивості металу визначалися в стандартних розривних випробуваннях. Мікроструктурні дослідження проводились на мікроструктурному аналізаторі з використанням обчислювальної техніки. Для статистичної обробки результатів досліджень застосовувалися сучасні методи на базі комп'ютерної техніки останнього покоління.

Наукова новизна. Наукову новизну мають наведені нижче результати теоретичних і експериментальних досліджень, вперше отримані в дисертації.

1. Вперше визначено силові умови деформації металу у волоці, що обертається, з урахуванням анізотропії контактного тертя.

Розробку відрізняє врахування дотичних напружень, що пов’язані з обертанням волоки та анізотропією тертя, яка з’являється внаслідок анізотропії мікрорельєфу заготовки. Це дозволяє підвищити точність визначення енергосилових умов волочіння у волоці, що обертається.

2. Вперше за умов наявності обертання волоки розроблені теоретичні основи сумісного визначення коефіцієнта тертя в повздовжньому та тангенціальному напрямках у залежності від режиму тертя.

Метод відрізняє роздільне врахування режиму тертя в повздовжньому та тангенціальному напрямках, що пов’язано з анізотропією шершавості поверхні металу. Це дозволяє підвищити точність визначення дотичних напружень та, у кінцевому рахунку - силових умов волочіння при використанні волоки, що обертається.

3. Вперше встановлено, що суттєвий вплив на напружений стан металу в осередку деформації волоки, що обертається, визначається анізотропією мікрорельєфу заготовки та дроту, на відміну від раніш прийнятого про визначальний вплив частоти обертання волоки (в реальному діапазоні змінення цього параметру).

В результаті з’явилась можливість одержання теоретичних даних з визначення зусилля волочіння у волоці, що обертається, які є адекватними експериментальним даним.

4. Одержало розвиток дослідження параметрів повздовжнього та поперечного мікрорельєфу поверхні заготовки та дроту при волочінні.

Розробку відрізняє використання зразків заготовки, отриманих на виробничих лініях підготовки її до волочіння за різними технологіями, та застосовування вдосконаленої методики одержання результатів. Використання експериментально одержаних співвідношень між параметрами мікрорельєфу поверхні металу в повздовжньому та тангенціальному напрямках дозволяє за інформацією про конкретну технологію підготовки поверхні заготовки до волочіння та тільки повздовжню шершавість визначити необхідні дані для розрахунку силових умов волочіння у волоці, що обертається, з урахуванням анізотропії тертя.

5. Одержало подальший розвиток вивчення залежності силових умов волочіння крізь волоку, що обертається, від параметрів процесу.

Розробку відрізняє врахування впливу анізотропії режиму тертя на тяглове напруження. Це дозволяє визначити раціональні умови використання волоки, що обертається.

Практичне значення отриманих результатів. Отримані результати дозволили розвинути теорію волочіння з використанням волоки, що обертається. Це дало можливість розробити доцільну технологію сухого волочіння сталевої катанки після механічного видалення окалини з використанням волоки, що обертається. Запропоновану промислову технологію переробки круглої низьковуглецевої зварювальної катанки номінальним діаметром 6,5 мм волочінням впроваджено на виробничому підприємстві “Алтей” (акт від 4 вересня 2000 року) та на волочильній дільниці Товариства з іноземними інвестиціями "Дніпропетровський завод ланцюгів і електродів" – ТОВ ІІ БаДМ (акт від 10 жовтня 2002 року). Розробка також використовується в учбовому процесі на кафедрі технологічного проектування Національної металургійної академії України при виконанні студентами лабораторних робіт, дипломних проектів та випускних магістерських робіт (акт від 6 вересня 2004 року).

Особистий внесок здобувача. В дисертації не використані ідеї співробітників, що сприяли виконанню роботи. Всі принципові теоретичні і експериментальні результати, що отримані в дисертації, базуються на розробках і дослідженнях, проведених автором. В процесі виконання роботи автор виконував теоретичні і експериментальні дослідження, аналіз і обробку результатів, зокрема, з використанням комп’ютерної техніки. Публікації відображають результати досліджень, виконаних при особистій участі автора. Внесок автора в сумісних публікаціях (у порядку переліку опублікованих робіт) такий: 1 – виконано аналіз особливостей механічного видалення окалини при волочінні, наведено дані, щодо промислового використання технології волочіння з застосуванням волоки, що обертається; 2 – отримано вираз для визначення напруження волочіння при використанні волоки, що обертається; 3, 9 – виконано аналіз особливостей розвитку мікрорельєфу поверхні сталі при волочінні; 4 – визначено вплив опору металу деформації на формування товщини мастильного шару, шорсткості, рівнів режиму і коефіцієнта тертя в схемі ітераційного розрахунку зазначених параметрів при волочінні дроту; 5, 10 – проведено дослідження впливу мікрорельєфу заготовки на ефективність застосування волоки, що обертається; 6 – спроектовано і виготовлено установку для дослідження процесу волочіння із застосуванням волоки, що обертається; 7, 8 – визначено параметри шорсткості металу при варіюванні напрямку траси виміру.

Апробація результатів дисертації. Матеріали роботи докладалися і були обговорені на: V Міжнародній науково-технічній конференції “Теоретические проблемы прокатного производства” (Дніпропетровськ, 2000); 4-th, 5-th, 6-th International Symposium of Croatia Metallurgical Society "Materials and Metallurgy" (Хорватія 2000, 2002, 2004); VI Міжнародній науково-технічній конференції "Пластична деформація металів" (Дніпропетровськ, 2002); Об'єднаному науковому семінарі кафедри обробки металів тиском НМетАУ і прокатних відділів ІЧМ НАН України (Дніпропетровськ, 2000, 2002 та 2004 рр.).

Публікації. Матеріали дисертації опубліковані в 10 роботах, в тому числі 6 - в спеціалізованих виданнях.

Структура дисертації. Робота складається з вступу, п’ятьох розділів і висновків. Вона викладена на 141 сторінці, включає: таблиць – 4, рисунків – 44, список використаних джерел з 102 найменувань, додатків – 3.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі представлено загальну характеристику роботи: обґрунтовано актуальність теми, визначено мету, задачі, об’єкт, предмет і методи досліджень, висвітлено наукову новизну і практичне значення отриманих результатів, особистий внесок здобувача, публікації, апробацію отриманих результатів дисертації.

СУЧАСНИЙ СТАН ТЕОРІЇ ТА ТЕХНОЛОГІЇ СУХОГО ВОЛОЧІННЯ СТАЛЕВОГО ДРОТУ З ВИКОРИСТАННЯМ ВОЛОКИ, ЩО ОБЕРТАЄТЬСЯ

(ЛІТЕРАТУРНИЙ ОГЛЯД)

Теоретичним фундаментом сучасних технологій волочіння є роботи, присвячені аналізу особливостей холодної деформації металу, розробці ефективних способів видалення окалини, дослідженню ефективності нанесення підмастильного покриття та мастила. В опублікованих роботах показано, що сучасний етап розвитку метизної промисловості характеризується децентралізацією виробництва, відмовою, здебільшого, від кислотного травлення на малих та середніх підприємствах та переходом до екологічно безпечного механічного видалення окалини з поверхні катанки. Проте, застосування механічного видалення окалини призводить до ряду проблем, що супроводяться посиленням тертя в осередку деформації, підвищенням тяглових зусиль, енерговитрат та зношення волок, погіршенням якості продукції та зниженням продуктивності обладнання. В зв’язку з цим у теперішній час актуальною стає задача інтенсифікації процесу деформування металу у напрямку зниження зусилля протягування, веденню бездефектного процесу обтиснення та отримання високоякісної метизної продукції з використанням існуючих волочильних станів.

Аналіз показав, що для забезпечення зниження енерговитрат, поліпшення якості продукції та підвищення зносостійкості інструменту найбільш перспективним є застосування технологій з використанням волоки, що обертається. Принцип інтенсифікації процесу волочіння завдяки використанню волоки, що обертається, відомий з початку 30-х років минулого сторіччя. Значний внесок в розвиток цієї галузі знань був зроблений такими вченими як Г. Закс, Х. Грінвуд, Ф. Хофстен, Ф. Мунтвиллер, Перлін І.Л., Тарнавський А.Л., Днестровський Н.З., Озернюк О.Т. та ін. Проте, більшість розроблених до наявної роботи засобів сухого волочіння з використанням волоки, що обертається, розповсюдження не знайшли через відсутність раціональних режимів її роботи. Причиною цього є суттєве розходження між теоретичними та експериментальними даними про ефективність цього заходу. Недостатня вивченість процесу, зокрема, стосовно впливу швидкості обертання волоки на режим тертя в осередку деформації потребує уточнення відповідних теоретичних уявлень, визначення основних складових тяглового зусилля та виявлення причин розходження теоретичних і експериментальних даних.

Дані технічної літератури свідчать, що на режим тертя в осередку деформації впливає, зокрема, шорсткість металу, що деформується. Використання кислотного травлення у разі підготовки поверхні заготовки забезпечувало порівняно стабільне волочіння металу. Тому питання, пов’язані з мікрогеометрією поверхні заготовки, в технічній літературі практично не розглядалися. У разі механічного видалення окалини зміна мікрогеометрії поверхні заготовки приймає ключове значення. Це пов’язано не тільки із зростанням висоти шорсткості, але й з тим, що одночасно з обертанням волоки вектор швидкості відхиляється від осі волочіння. Наявна анізотропія руху в повздовжньому та радіальному напрямках визначає анізотропію тертя, котра, при інших рівних умовах, може з’явитися через анізотропію мікрорельєфу. Тому необхідно експериментально визначити характеристики анізотропного мікрорельєфу катанки, встановити взаємозв'язки між параметрами подовжньої і поперечної шорсткості залежно від технології підготовки поверхні заготовки до волочіння та означити характеристики анізотропного тертя стосовно деформації метала із застосуванням волоки, що обертається.

Після вирішення цих питань необхідно розробити та впровадити у виробництво вдосконалений процес волочіння дроту з використанням волоки, що обертається, з раціональними режимами роботи останньої.

Теоретичне визначення раціональних умов використання волоки, що обертається при сухому волочінні

На першому етапі досліджень проведено аналіз силових умов деформації при волочінні. При цьому використано відому в літературі розрахункову схему Гавриленко А.П., яка має такі основні припущення: рівновага осередку деформації, спрощене рівняння пластичності, закон тертя за Амонтоном-Кулоном. Для нерухомої волоки рівняння пластичності:

- z = s , (1)

де , z – радіальне та вісьове напруження відповідно; s – опор металу деформації.

Згідно схеми осередку деформації при волочінні:

= рсрcos - tcpsin, (2)

z = -pcpsin - tcpcos, (3)

де рср- – середній тиск на контакті; tcp – середня напруга тертя, tcp = fповз pcp;

fповз – коефіцієнт тертя в повздовжньому напрямку.

З формули (1) при врахуванні виразів (2) і (3) отримано:

. (4)

З використанням умови ?Z = 0 одержано: (pcpsin + tcpcos)Fбок – Р = 0, де бокова поверхня робочої зони волоки:

, (5)

Р – зусилля волочіння, d0, d1 – діаметр металу до і після деформації відповідно, ? – напівкут конусності волоки.

З урахуванням того, що зусилля волочіння зв’язано з напруженням волочіння формулою: , а коефіцієнт витягування , отримано вираз для визначення напруження волочіння у нерухомій волоці:

. (6)

Формулу в такому вигляді отримано вперше. Кількісно вона дає результати близькі до відомої формули Гавриленко А.П.: .

При використанні волоки, що обертається, з’являються дотичні напруження ?си, які обумовлені крутячим моментом Мкр. При цьому спрощене рівняння пластичності має вигляд:

, (7)

або за умов приблизно: , де ; - момент опору середнього перетину в осередку деформації.

З урахуванням закону тертя Амонтона-Кулона, виразу (5) та анізотропії тертя на контакті величину крутячого моменту Мкр можна представити таким чином:

, (8)

де fпопер – коефіцієнт тертя у поперечному напрямку.

Виділивши фактор форми осередку деформації: , після перетворень отримали:

. (9)

З використанням рівняння (7) при врахуванні формул (8) і (9) та аналогічно перетворенням для нерухомої волоки отримано вираз для визначення напруження волочіння у волоці, що обертається:

. (10)

Ефективність волоки, що обертається можна оцінити по зниженню тяглового зусилля в порівнянні з нерухомою волокою за інших рівних умов. Тому у роботі запропоновано величину kэф, названу "коефіцієнтом ефективності волоки, що обертається", рівну відношенню тяглового напруження при використанні нерухомої волоки до тяглового напруження при використанні волоки, що обертається. Після перетворень з урахуванням формул (6) та (10) знайдено:

. (11)

Зручність цієї величини полягає в тому, що при однакових припущеннях, зроблених при визначенні ?н та ?обер, відношення останніх стає слабо чутливим до виду припущень. Це дозволяє обґрунтовано користуватися й іншими формулами для визначення напруження волочіння в нерухомій волоці та для розрахунків рівня ?обер з урахуванням kэф.

Наведені вище теоретичні дані було використано у математичній моделі розрахунку силових умов волочіння, побудованій на відомому алгоритмі Должанського А.М., з урахуванням особливостей формування мастильного шару, шорсткості дроту, режиму тертя та коефіцієнтів тертя у повздовжньому та поперечному напрямках в осередку деформації. Ця модель реалізована у вигляді спеціально складеної комп’ютерної програми.

Узагальнені результати теоретичних досліджень дозволили визначити раціональні умови процесу волочіння дроту з використанням волоки, що обертається: забезпечення розвинутої шорсткості заготовки в окружному напрямку, частота обертання волоки n = 2,5...5 об/c, напівкут конусності волоки ? = 0,10...0,12 радіан, максимально можливі значення коефіцієнту витягування.

Для кількісної оцінки реальних характеристик волочіння необхідно було провести відповідні дослідження шорсткості заготовки в повздовжньому та окружному напрямках.

Теоретичне та експериментальне дослідження закономірностей формування анізотропного мікрорельєфу при волочінні

У зв’язку з викладеним вище проведено дослідження розвитку анізотропного мікрорельєфу поверхні сталі при підготовці заготовки до волочіння травленням і механічним видаленням окалини у роликових окалиновідламувачах, русі заготовки від дільниці підготовки поверхні до осередку деформації та при волочінні у нерухомій волоці. Частина узагальнених результатів наведена на рис. 2. Аналіз одержаних даних показав, що переважна спрямованість рисок вздовж вісі заготовки, що спостерігається при застосуванні окалиновідламувача, робить енергетично вигідним використання волоки, що обертається, а технологічні чинники при русі металу від дільниці підготовки поверхні до осередку деформації сприяють переважному росту висотних параметрів повздовжньої шорсткості, що підвищує захват технологічного мастила у нерухомої волоці, але зменшує ефективність волоки, що обертається.

В більшості практичних випадків для реальної поверхні металу є інформація про параметри шорсткості або в одному напрямку, або в двох взаємно ортогональних напрямках. При цьому залишається невідомим, які значення приймають параметри шорсткості при довільному куті (наприклад, у разі використання волоки, що обертається) між віссю заготовки і напрямком основного переміщення металу.

Проведені нові теоретичні і експериментальні дослідження виявили отримання адекватних значень (розходження не більш 20%) при використанні для визначення приведеної шорсткості на вході в осередок деформації у разі застосування волоки, що обертається, формули:

, (12)

де RаВ – шорсткість волоки; V0, V0пр, Vt – повздовжня, приведена та тангенціальна швидкість металу на вході в осередок деформації: .

Виконано експериментальні дослідження, які дозволили визначити закономірні зв’язки між параметрами повздовжньої та поперечної шорсткості поверхні металу після видалення окалини травленням та механічною обробкою в окалиновідламувачі. Їх використання дозволяє на підставі інформації про конкретну технологію підготовки поверхні і відому повздовжню шорсткість визначити необхідні дані для розрахунку силових умов волочіння з урахуванням анізотропії тертя. Зокрема, для заготовки, яка пройшла підготовку поверхні травленням, Ra в окружному напрямку можна прирівняти до Ra у повздовжньому, а для заготовки після механічного видалення окалини у роликових окалиновідламувачах Ra в окружному напрямку, у середньому, в 1,3 рази більше, ніж Ra у повздовжньому.

Експериментальні дослідження мікрорельєфу поверхні також дозволили виявити наступне. Зіставлення значень Rz і Ra, одержаних в дослідах, показує, що тенденція до зменшення Rz/Ra при збільшенні Ra підтверджується, проте при цьому абсолютні значення цього відношення (4...10) істотно перевищують величини, регламентовані ГОСТ 2789 (4...5). Ця обставина є важливою для визначення умов переходу до рідинного тертя в процесах обробки металів тиском.

експериментальне дослідження ефективності використання волоки, що обертається

У цьому розділі наведено дані про спроектовану та виготовлену установку для експериментального дослідження процесу волочіння з використанням волоки, що обертається, при варіюванні різних умов процесу.

За допомогою цієї установки та даних розділу 2 отримано оптимальне з точки зору мінімізації енерговитрат та умов стабільності процесу відношення швидкості обертання волоки до швидкості волочіння (0,2...0,5). Проведено порівняльний аналіз теоретичних розрахункових значень напруження волочіння у волоці, що обертається, та експериментальних даних. Виявлено, що найбільшу адекватність експериментальним даним забезпечує запропонована в дисертації вдосконалена розрахункова схема, що використовує для визначення напруження волочіння у нерухомій волоці формули Должанського А.М. або Губкіна С.І. (відхилення не більш 7%).

Проведено комплекс досліджень механічних властивостей металу при різних варіантах технології волочіння. Виявлено суттєве зміцнення сталевої катанки та зменшення розкиду значень мікротвердості по перетину після роликового окалиновідламувача, що може бути корисним для виробництва дроту з малим розкидом механічних властивостей. Мікроструктурний аналіз дроту після волоки, що обертається, показав підвищення ступеню однорідності проробки (зменшення текстурованості) мікроструктури, що відкриває можливості збільшення обтиску металу в пропуску з волокою, що обертається, у порівнянні з нерухомою волокою.

освоєння раціональної технології волочіння сталевої катанки з використанням волоки, що обертається

На основі проведених досліджень розроблено вдосконалений процес волочіння дроту з раціональними режимами роботи волоки, що обертається.

Освоєння та впровадження нової технології проводилось на станах багаторазового волочіння 2500/4 UDZSA, які знаходяться в експлуатації на підприємствах ПНВП фірма „Алтей” та Дніпропетровський завод ланцюгів та електродів ТІІ „БаДМ Лтд”. Переробці піддавали катанку з номінальним діаметром 6,5 мм із сталей 0М, св08, св08А, св08Г2С у збірних волоках із сплаву ВК-6, ВК-8 та використанням в якості технологічного мастила мильного порошку. Волочіння було реалізовано за варіантами:

- звичайна технологія, що використовувалась на підприємствах: механічне видалення окалини у 4-х роликовому окалиновідламувачі та деформація по маршруту 6,5]?5,85?4,85?4,2?3,5 мм;

- нова технологія: механічне видалення окалини та деформація по маршруту 6,5]?5,45?4,45?3,65?3 мм з встановленою у першому пропуску волокою, що обертається.

В період освоєння нової технології на обох підприємствах виготовлено більш 200 т продукції. При цьому було досягнуто: підвищення стійкості волочильного інструменту в 2 рази, підвищення швидкості волочіння на одну – дві ступені редукторів приводу блоків стану, підвищення ступеню деформації в першому пропуску на 10...15%; додатково було забезпечено: рівномірне зношування волок, що дає можливість їх подальшого використання без перешлифування при виробництві дроту більших розмірів, суттєве підвищення якості продукції за рахунок зменшення овалізації дроту та ексцентриситету оболонок електродів. За період освоєння нової технології відмов обладнання за причинами недоліків волоки, що обертається, не зафіксовано. На підставі перерахованого вище на підприємствах ПНВП фірма „Алтей” та Дніпропетровський завод ланцюгів та електродів ТІІ „БаДМ Лтд” прийнято рішення продовжити використання нової технології волочіння, розглянути рекомендації щодо встановлення волок, що обертаються, на інших (починаючи з останнього) блоках волочильного стану.

ВИСНОВКИ

В дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове рішення науково-технічної задачі, яка полягає в теоретичному обґрунтуванні, розробці та впровадженні раціональної технології сухого волочіння сталевої катанки з використанням волоки, що обертається, після механічного видалення окалини з забезпеченням прийнятних продуктивності та якості готової продукції при зменшенні забруднення навколишнього середовища.

1. На підставі аналізу існуючого стану теорії і практики волочіння дроту та науково-технічної літератури показано, що розвиток теоретичних основ застосування та визначення раціональних умов використання волоки, що обертається, є актуальною задачею.

2. В роботі вдосконалено методику теоретичного визначення зусилля волочіння при використанні волоки, що обертається, котра вперше дозволила одержати розрахункові дані, адекватні експериментальним дослідженням. У методиці враховані дотичні напруження, пов’язані з обертанням волоки та анізотропією тертя, що з’являється внаслідок анізотропії мікрорельєфу заготовки. Це дозволяє підвищити точність визначення енергосилових параметрів волочіння з використанням волоки, що обертається.

3. Отримало подальший розвиток теоретичне визначення характеристик анізотропного тертя стосовно деформування металу з використанням волоки, що обертається. Показано, що при підвищенні шорсткості заготовки у поперечному напрямку і частоти обертання інструменту підвищується ефективність використання волоки, що обертається, з проявом синергетичного ефекту.

4. Обґрунтовано ефективність використання волоки, що обертається при застосуванні механічного видалення окалини, котра підвищується зі зменшенням напівкуту конусності волоки, збільшенням обтиснення та тертя у поперечному напрямку.

5. Експериментально визначено характеристики анізотропного мікрорельєфу катанки та встановлено взаємозв’язки між параметрами повздовжньої та поперечної шорсткості в залежності від технології підготовки поверхні заготовки до волочіння. Вперше показано, що, на відміну від існуючих нормативних документів, відношення Rz/Ra поверхні катаного металу знаходиться у діапазоні 4...10. Це може виявитись важливим для визначення умов переходу до рідинного тертя у процесах обробки металів тиском. З’ясовано, що після травлення катанка, здебільшого, характеризується ізотропним мікрорельєфом поверхні, а після механічного видалення окалини в роликових окалиновідламувачах висотні параметри у окружному напрямку, в середньому, в 1,3 рази більше аналогічних у повздовжньому напрямку.

6. За допомогою спроектованої та виготовленої установки експериментально вивчено силові параметри процесу волочіння у волоці, що обертається. Їх зіставлення з результатами теоретичних досліджень виявило задовільну збіжність експериментальних даних з розрахунковими – відхилення не більш 7%.

7. За допомогою запропонованої вдосконаленої методики розрахунку силових умов волочіння з врахуванням закономірностей формування мастильного шару та анізотропного тертя теоретично визначено та підтверджено експериментально раціональні умови використання волоки, що обертається, у виробничих умовах (для першого пропуску): частота обертання волоки – 2,5...5 об/с.; напівкут конусності – 0,1...0,12 радіан; максимально можливий коефіцієнт витягування (ступень деформації 30...40%).

8. На підставі теоретичних розробок та експериментальних досліджень розроблена та впроваджена у промислове виробництво на підприємствах ПНВП фірма „Алтей” та Дніпропетровський завод ланцюгів та електродів ТІІ „БаДМ Лтд” технологія волочіння сталевої низьковуглецевої катанки з використанням волоки, що обертається. При використанні цієї технології отримано: підвищення стійкості волочильного інструменту у 2 рази, швидкості волочіння на одну – дві ступені редуктору приводу блоків стану, ступеню деформації в першому пропуску до 30...40%; рівномірний знос волок та суттєве підвищення якості електродного дроту за рахунок зменшення його овалізації.

9. Отримані у рамках дисертаційної роботи теоретичні дані та досвід використання на промислових підприємствах раціональної технології волочіння з застосуванням волоки, що обертається, знайшли відображення в учбовому процесі Національної металургійної академії України. Вони використовуються при читанні курсу лекцій за дисципліною „Теорія обробки металів тиском” та при виконанні студентами лабораторних, дипломних та магістерських робіт.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНИЙ У РОБОТАХ:

1. Должанский А.М., Ломов И.Н., Клюев Д.Ю.. Эффективность использования механического удаления окалины при волочении стальной проволоки // Металлургическая и горнорудная промышленность.– 2000. – №3. – С.60-61.

2. Должанский А.М., Клюев Д.Ю., Орлянская В.Ю. Тяговое напряжение при использовании вращающейся волоки // Теория и практика металлургии.– 2001. - №1. – С.39-41.

3. Должанский А.М., Клюев Д.Ю., Носулец В.М.. Особенности развития микрорельефа поверхности стали при волочении // Металлургическая и горнорудная промышленность.– 2001. - №4. – С.51-53.

4. Должанский А.М., Должанский О.А., Клюев Д.Ю.. Теоретическое определение параметров трения при волочении проволоки // Металлургическая и горнорудная промышленность.– 2002. - №6. – С.61-64.

5. Должанский А.М., Клюев Д.Ю., Сенченко О.Н.. Влияние анизотропии микрорельефа заготовки на эффективность применения вращающейся волоки // Металлургическая и горнорудная промышленность.– 2003. - №6. – С.51-54.

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

Додатково одержані результати відображено у роботах:

7. Должанский А.М., Клюев Д.Ю. Влияние направления трассы измерения на параметры шероховатости // Металлургическая и горнорудная промышленность.– 2000. - №8-9. – С.168-170.

8. Dolzhanskiy A.M., Klyuev D.Y. Anisotropy of a Surface // Metalurgija.– 2000.–Vol.39, № 3.– Str.217.

9. Dolzhanskiy A.M., Klyuev D.Y. Feature of surface microrelief development at steel drawing // Metalurgija.– 2002.–Vol.41, № 3.– Str.258.

10. Dolzhanskiy A.M., Klyuev D.Y., Ocheretnaya N.N. Preparation Anisotropy on the Efficiency of Rotating Die Using // Metalurgija.–2004.–Vol.43, № 3.– Str.248.

АНОТАЦІЯ

Клюєв Д.Ю. Теоретичне обґрунтування та впровадження вдосконаленого процесу волочіння дроту у волоці, що обертається. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук по спеціальності 05.03.05 – Процеси та машини обробки тиском. – Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2004.

Дисертація присвячена розробці науково-технічних основ вдосконаленої технології волочіння дроту після механічного видалення окалини у волоці, що обертається. Виконано аналіз існуючого стану теорії та практики волочіння у волоці, що обертається. Обґрунтована її ефективність при застосуванні механічного видалення окалини. Виявлені розбіжності між теоретичним та експериментальним визначенням ефективності використання волоки, що обертається. У роботі вперше визначено силові умови деформації металу у волоці, що обертається, з урахуванням анізотропії контактного тертя. Проведено відповідні теоретичні дослідження. Експериментально визначені характеристики анізотропного мікрорельєфу поверхні катанки та встановлені взаємозв’язки між параметрами повздовжньої та поперечної шорсткості в залежності від технології підготовки поверхні заготовки до волочіння. Теоретично визначені характеристики анізотропного тертя стосовно деформування металу з використанням волоки, що обертається. Теоретично визначені та підтверджені експериментально раціональні умови використання волоки, що обертається. Розроблена та впроваджена у промислове виробництво вдосконалена технологія волочіння сталевої низьковуглецевої катанки з використанням волоки, що обертається. Використання цієї технології дозволяє: підвищити стійкість волочильного інструменту у 2 рази, швидкість волочіння на одну – дві ступені редуктору приводу блоків стану, ступень деформації в першому пропуску до 30...40%; отримати рівномірний знос волок та суттєве підвищення якості електродного дроту за рахунок зменшення його овалізації.

Ключові слова: волочіння, волока, що обертається, катанка, напруження, механічне видалення окалини, мікрорельєф, анізотропія тертя.

Аннотация

Клюев Д.Ю. Теоретическое обоснование и внедрение усовершенствованного процесса волочения проволоки во вращающейся волоке. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05. – Процессы и машины обработки давлением. – Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2004.

Диссертация посвящена разработке научно-технических основ усовершенствованной технологии волочения проволоки во вращающейся волоке после механического удаления окалины. Выполнен анализ существующей технологии волочения проволоки. Рассмотрены известные пути интенсификации процесса. Проанализировано современное состояние теории и практики волочения во вращающейся волоке. Выявлены расхождения между теоретическим и экспериментальным определением эффективности использования вращающейся волоки. Выполнен анализ существующих представлений о микрогеометрии поверхности заготовки после удаления окалины. Обоснована эффективность применения вращающейся волоки при использовании механического удаления окалины в качестве подготовки поверхности заготовки.

В работе усовершенствована методика теоретического определения усилия волочения, которая впервые позволила получить расчетные данные адекватные экспериментальным исследованиям. В методике учтены касательные напряжения, связанные с вращением волоки, и анизотропия трения, появляющаяся вследствие анизотропии микрорельефа заготовки. Это позволяет увеличить точность определения энергосиловых параметров волочения с применением вращающейся волоки.

Получило дальнейшее развитие теоретическое определение характеристик анизотропного трения применительно к деформированию метала с использованием вращающейся волоки. Экспериментально определены характеристики анизотропного микрорельефа катанки и установлены взаимосвязи между параметрами продольной и поперечной шероховатости в зависимости от технологии подготовки поверхности заготовки. Впервые показано, что, в отличие от существующих нормативных документов, отношение Rz/R-а поверхности катанного металла находится в диапазоне 4…10. Выявлено, что после травления катанка, в основном, характеризуется изотропным микрорельефом, а после механического удаления окалины в роликовых окалиноломателях высотные параметры в окружном направлении, в среднем, в 1,3 раза больше аналогичных в продольном направлении.

Теоретически определены и подтверждены экспериментально рациональные условия применения в производственных условиях вращающейся волоки после механического удаления окалины с поверхности заготовки. Использование усовершенствованной технологии волочения с применением вращающейся волоки позволяет: увеличить стойкость волочильного инструмента в 2 раза, скорость волочения на одну – две ступени редуктора привода блоков стана, степень деформации в первом пропуске до 30…40%; получить равномерный износ волок и существенное повышение качества электродной проволоки за счет уменьшения ее овализации.

Результаты работы использованы на предприятиях ПНПП „Алтей”, Днепропетровский завод цепей и электродов, а также на кафедре технологического проектирования Национальной металлургической академии Украины.

Ключевые слова: волочение, вращающаяся волока, катанка, напряжения, механическое удаление окалины, микрорельеф, анизотропия трения.

Klyuev D.Yu. Theoretical Substantiation and Introduction of the Advanced Process of Wiredrawing in Rotating Die. - Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.03.05 - Processes and machines of processing by pressure. - National metallurgical academy of Ukraine, Dnepropetrovsk, 2004.

The dissertation is devoted to development of scientific and technical bases of the advanced wiredrawing technology in rotating die after mechanical descaling. The analysis of an existing condition of the theory and practice of wiredrawing in rotating die is executed. Its efficiency is proved at application of mechanical descaling. The contradictions between theoretical and experimental definition of rotating die efficiency are revealed. The power deformation conditions of metal in rotating die taking into account anisotropy of contact friction are determined for the first time. The appropriate theoretical researches are carried out. Characteristics of anisotropy of a microrelief of a wire-rod surface are experimentally determined, and interrelations between parameters of a longitudinal and cross roughness depending on technology of preparation of a billet surface for wiredrawing are established. Characteristics of anisotropy of friction concerning deformation of metal using rotating die are theoretically defined. Rational conditions of rotating die using are theoretically determined and experimentally confirmed. The advanced technology of steel low-carbon rod wiredrawing using rotating die is developed and introduced into industrial production. Use of the technology allows: to raise stability of wiredrawing tool in 2 times, wiredrawing speed on one - two degrees of an occasion reducer of mill blocks, extent of deformation up to 30... 40 % during the first step; to receive uniform die deterioration and essential increase of quality of an electrode wire at the expense of its elongation decrease.

Key words: wiredrawing, rotating die, rod, pressure, mechanical descaling, microrelief, anisotropy of friction.