НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

ЄРМАКОВА ОКСАНА СЕРГІЇВНА

УДК 621.778

ОБҐРУНТУВАННЯ ТА РОЗРОБКА РАЦІОНАЛЬНОЇ ТЕХНОЛОГІЇ СУХОГО ВОЛОЧІННЯ З ПОТОЧНИМ ДЕФОРМУВАННЯМ СТАЛЕВОЇ ЗАГОТОВКИ У РОЛИКОВОМУ ОКАЛИНОВІДЛАМУВАЧІ

Спеціальність 05.03.05

“Процеси та машини обробки тиском”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2005

Дисертацією є рукопис.

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

Науковий керівник:

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

Офіційні опоненти:

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

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник ЛОБАНОВ Олександр Іванович, Державний науково-дослідний і конструкторсько-технологічний інститут трубної промисловості ім. Я.Ю. Осади,
м. Дніпропетровськ, завідуючий сектором.

Провідна установа:

Дніпродзержинський державний технічний університет, кафедра обробки металів тиском, Міністерство освіти та науки України,
м. Дніпродзержинськ

Захист відбудеться “_04_” _квітня_ 2006 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 “_03_” _березня_ 2006 р.

В.о. вченого секретаря

спеціалізованої вченої ради __________________________ С.І. Губенко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність дисертаційної роботи. Одним з ефективних напрямків удосконалення процесу сухого волочіння сталевої заготовки є поточне з ним застосування механічного видалення окалини в роликових окалиновідламувачах в якості альтернативи кислотному травленню. Практика свідчить, що при істотному зменшенні шкідливого впливу процесу волочіння на навколишнє природне середовище застосування роликових окалиновідламувачів має ряд недоліків. Головним з них є збільшення енерговитрат на деформацію металу, пов'язане з:

- попереднім його зміцненням в окалиновідламувачі;

- погіршенням умов тертя через неповне видалення окалини з поверхні заготовки, що викликає додаткове забруднення сухого технологічного мастила, зниженням адгезії мастила до поверхні сталевої заготовки тощо.

Ці негативні обставини стримують поширення застосування механічного видалення окалини.

Значною мірою, таке становище пов'язане з нестачею теоретичних й експериментальних даних з комплексного урахування особливостей пружного-пластичного деформування металу в окалиновідламувачі, тертя на контакті поверхні його роликів із заготовкою, ефективності очищення заготовки від окалини, геометричних параметрів окалиновідламувача у взаємозв'язку із силовими умовами наступного волочіння.

Зокрема, до даної роботи не був врахований зсув нейтральної лінії деформації поздовжнього перетину заготовки, що деформується, її пружної віддачі на роликах окалиновідламувача, звуження поперечного перерізу, котрі істотно впливають на силу протягування для окалиновідламувача й, одночасно, на задній натяг – для волочіння. Наслідком цього стало використання окалиновідламувачів з нераціональними геометричними характеристиками та неточне визначення деформаційних й енергосилових параметрів власне процесу волочіння. У підсумку знижувалася ефективність застосування окалиновідламувачів, збільшувалося тертя в осередку деформації та енерговитрати при волочінні.

Тому робота, спрямована на теоретичне й експериментальне вивчення закономірностей визначення силових і деформаційних умов видалення окалини в роликовому окалиновідламувачі в потоці з волочінням при урахуванні фізичних і технологічних особливостей процесу, є актуальною.

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

Мета й задачі дослідження. Метою роботи з'явилося теоретичне й експериментальне дослідження закономірностей деформування сталевої заготовки в роликовому окалиновідламувачі в потоці з волочінням при урахуванні фізичних і технологічних особливостей цього процесу, забезпечення зменшення енерговитрат на деформування металу й забруднення навколишнього природного середовища.

Для досягнення поставленої мети були сформульовані наступні завдання.

1. Удосконалити теоретичні основи визначення силових умов протягування сталевої заготовки через ролики окалиновідламувача при розгляді багатороликового окалиновідламувача у вигляді системи роликів, зв'язаних заготовкою, що деформується, при сумісному урахуванні пружно-пластичної деформації металу, зсуву нейтральної лінії деформації подовжнього перетину профілю, пружної віддачі заготовки на ролику. Зіставити результати розрахунків з відомими формулами і експериментальними даними.

2. Розробити теоретичний метод визначення середньої накопиченої деформації подовження (зменшення перетину) заготовки в роликовому окалиновідламувачі. Зіставити теоретичні дані з експериментальними.

3. Виконати дослідження, які уточнюють дані про вплив характерних геометричних розмірів окалиновідламувача на якість очищення сталевої заготовки від окалини. Експериментально визначити коефіцієнт тертя при русі заготівки по поверхні роликів окалиновідламувача.

4. Виконати експериментальне дослідження процесу волочіння сталевої катанки з сухим мильним технологічним мастилом, забрудненим окалиною.

5. Розробити рекомендації щодо ведення процесу сухого волочіння сталевої заготовки з поточним використанням роликового окалиновідламувача в раціональних умовах.

Об'єкт дослідження. Технологія сухого грубого-середнього волочіння сталевого дроту з поточним використанням роликового окалиновідламувача.

Предмет дослідження. Закономірності формування параметрів сухого волочіння сталевої заготовки після механічного видалення окалини з урахуванням фізичних і технологічних особливостей цього процесу.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження засновані на фундаментальних закономірностях теорії обробки металів тиском. При визначенні силових умов видалення окалини в роликовому окалиновідламувачі використовувалося планування дослідів по ортогональних латинських квадратах. Силові умови деформації металу вимірялися сучасною тензометричною апаратурою. Механічні властивості металів визначалися в стандартних розривних випробуваннях. При проведенні експериментів використовувалися аналітичні ваги ВЛА-20м (з точністю виміру 10-6 гр., 2 класу). Для визначення шорсткості поверхні металу використовувався профілограф-профілометр “Hommel Tester T1000”. Визначення хімічного складу окалини проводилося на рентгенівському спектрометрі ЕХ-6500 фірми “Берд”.

Наукова новизна. Наукову новизну мають такі найбільш вагомі результати теоретичних та експериментальних досліджень, вперше отриманих у роботі.

1. Одержало розвиток теоретичне й експериментальне дослідження силових умов сухого волочіння сталевої заготовки з поточним застосуванням роликового окалиновідламувача.

Розробку відрізняє розгляд багатороликового окалиновідламувача і першої волоки волочильного стану у вигляді системи осередків деформації, пов'язаних заготовкою, при комплексному урахуванні особливостей пружно-пластичного деформування металу і тертя на роликах, заднього натягу заготовки, який зумовлений роликовим окалиновідламувачем, ефективності видалення окалини, що впливає на антифрикційні властивості сухої мастильної речовини, а також зміни поперечного перерізу заготовки внаслідок витяжки металу в окалиновідламувачі. Це дозволило визначити раціональні геометричні параметри окалиновідламувача і режими деформації металу при волочінні за умови мінімізації енерговитрат.

2. Уперше розроблено метод теоретичного визначення деформації подовження (зміни перетину) заготовки після її виходу з роликового окалиновідламувача в потоці з волочінням.

Розробку відрізняє ітераційне (разом із силовими умовами) урахування знакозмінного зсуву нейтральної лінії деформації повздовжнього перетину заготовки при її багаторазовому пружно-пластичному вигині з розтяганням на роликах окалиновідламувача. Це дозволило в сполученні з теоретичним визначенням деформацій згину й розгину обґрунтовано обчислювати подовження заготовки в процесі її обробки в роликовому окалиновідламувачі, необхідне для розрахунку силових умов наступного волочіння з мінімізацією енерговитрат.

3. Одержало розвиток експериментальне дослідження впливу характеристик окалиновідламувача на силові й деформаційні параметри формозміни металу в ньому, а також на ефективність видалення окалини з поверхні заготовки.

Розробку відрізняє проведення дослідів з використанням спеціально виготовленої установки, плануванням дослідів по ортогональних латинських квадратах при зміні характерних геометричних розмірів окалиновідламувача в реальному діапазоні. Це дозволило підтвердити адекватність розроблених методів розрахунку сили протягування заготовки через окалиновідламувач і подовження металу в ньому, виявити необхідні умови ефективного видалення окалини з поверхні заготовки, що забезпечують зниження енерговитрат при наступному волочінні.

4. Одержав розвиток метод експериментального визначення коефіцієнта тертя при русі заготовки по поверхні роликів окалиновідламувача.

Розробку відрізняє спільне застосування відповідної схеми Ейлера (для тертя гнучкої нитки на циліндровій поверхні) та урахування пружно-пластичного деформування заготовки на ролику окалиновідламувача. Це дозволило визначити залежність коефіцієнта тертя на контакті поверхні ролика і заготовки від характеристик окалиновідламувача та уточнити розрахунок силових умов формозміни металу в окалиновідламувачі та при волочінні.

5. Одержали розвиток експериментальні дослідження антифрикційної ефективності сухого мильного технологічного мастила, забрудненого окалиною.

Розробку відрізняє використання підготовки поверхні заготовки до деформації і розширеного діапазону розмірів часток окалини, що відповідають реальним умовам волочіння низьковуглецевого дроту. Це дозволило визначити залежність антифрикційних властивостей сухої мастильної речовини від кількості й дисперсності окалини в ній, виявити раціональний ступінь очищення поверхні заготовки від окалини й розробити конструктивні та технологічні заходи щодо зниження енерговитрат при волочінні.

Практичне значення отриманих результатів. Отримані результати можуть бути використані для вибору раціональних умов волочіння з поточним застосуванням роликових окалиновідламувачів. Розроблено рекомендації з визначення раціональної конструкції окалиновідламувача, що забезпечує мінімізацію енерговитрат. Розроблено пристрій тонкого очищення заготовки від окалини, що забезпечує підвищення якості відчищання поверхні металу (Рішення про видачу патенту України по заявці №2004031967 від 17.03.2004р.). Частково основні ознаки цього пристрою знайшли промислове використання на ПП “Аоріст”, м. Дніпропетровськ (Акт впровадження від 15 грудня 2005р.). Результати роботи у вигляді рекомендацій з енергозбереження при волочінні низьковуглецевого дроту були представлені на засіданні науково-технічної Ради при Головному інженері ТОВ “ТЕКО” (Витяг з протоколу засідання Ради від 15 листопада 2005р.). Розробка також використовується в навчальному процесі Національної металургійної академії України при вивченні дисциплін “Проектування технологічних процесів” і “Технологічні особливості виробничих процесів” (Довідка від 7 грудня 2005р.).

Особистий внесок здобувача. В дисертації не використані ідеї співробітників, які сприяли виконанню роботи. Всі принципові теоретичні та експериментальні результати, що отримані в дисертації, базуються на розробках та дослідженнях, проведених автором. В процесі виконання роботи автор виконувала теоретичні та експериментальні дослідження, аналіз і обробку результатів, зокрема, з використанням сучасної комп’ютерної техніки. Публікації відображають результати досліджень, виконаних при особистій участі автора. Внесок автора в сумісних публікаціях (у порядку переліку наведених робіт): [1, 8] - виконано аналіз показника ефективності застосування роликового окалиновідламувача на екстремум і визначено його оптимальні геометричні розміри; [2, 9] – визначено основні характеристики пристрою для тонкого очищення поверхні заготовки від залишків окалини і обґрунтовано його застосування після роликового окалиновідламувача в потоці з волочінням; [3, 5] - виконано експериментальне дослідження впливу окалини різної дисперсності в сухому мильному мастилі на антифрикційні властивості останнього і енергосилові параметри процесу волочіння; [4] - представлено теоретичні основи визначення силових умов видалення окалини в роликовому окалиновідламувачі, виконано зіставлення результатів розрахунків за запропонованим методом з відомими раніше залежностями, показаний узагальнюючий характер нової розрахункової схеми; [6, 7] - виконане теоретичне та експериментальне визначення середньої деформації подовження заготовки при її обробці в роликовому окалиновідламувачі; показана істотна відмінність цієї величини, що визначає зменшення поперечного перерізу заготовки на вході в наступну волоку, від подовження поверхневих шарів заготовки, що визначає якість очищення її поверхні.

Апробація результатів дисертації. Матеріали роботи доповідалися й були обговорені на: VI-th International Symposium of Croatia Metallurgical Society “Materials and Metallurgy” (Хорватія, м. Шибеник, 2004); Міжнародній науково-технічній конференції “Молода академія 2004”
(м. Дніпропетровськ, 2004); IV Міжнародній науково-практичній конференції “Теорія й практика рішення екологічних проблем у металургійній і гірничодобувній промисловості” (м. Дніпропетровськ, 2004); Міжнародній науково-технічній конференції “Нові методи й засоби дослідження процесів і машин обробки тиском” (м. Краматорськ, 2005); VII Міжнародній науково-технічній конференції “Пластична деформація металів”, (м. Дніпропетровськ, 2005); Об'єднаному науковому семінарі кафедри обробки металів тиском НМетАУ й прокатних відділів ІЧМ НАН України (м. Дніпропетровськ, 2005).

Публікації. Матеріали дисертації опубліковані в 9 роботах, в тому числі 7 – в спеціалізованих виданнях.

Структура дисертації. Робота складається з вступу, чотирьох розділів і висновків. Вона викладена на _140_ сторінках, включає: таблиць – _12_, рисунків – _31_, список використаних джерел з _146_ найменувань, додатків – _3_.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У Вступі приведено загальну характеристику задач щодо реалізації процесу волочіння з поточним використанням роликового окалиновідламувача. Обґрунтовано актуальність, сформульовано мету і задачі досліджень, висвітлено наукову новизну і практичну цінність наведених результатів.

У першому розділі наведено огляд літературних джерел щодо проблематики роботи. На основі досліджень І.А. Юхвеця, Ю.І. Коковіхіна, І.Л. Перліна, А.М. Должанського, А.Л. Тарнавського, Й. Тренди (Y. Trenda), Ф. Веверки (F.Veverka) та ін. визначено, що однією з найважливіших тенденцій розвитку метизної підгалузі виробництва є відмова від кислотних методів видалення окалини з поверхні заготовки та перехід до екологічно безпечного механічного видалення окалини, зокрема, в роликових окалиновідламувачах. Зроблено акцент на тому, що при поточному з волочінням використанні роликового окалиновідламувача сила протягування металу через окалиновідламувач чисельно дорівнює силі заднього натягу заготовки в першій волоці. Одночасно з іншими (міцнісними, температурно-швидкісними й геометричними параметрами деформації), величина визначає напруження волочіння , стабільність і продуктивність процесу.

Визначено фактори процесу видалення окалини в роликовому окалиновідламувачі, які істотно впливають на подальший поточний процес волочіння та його енергосилові параметри. Обґрунтовано напрямки досліджень, щодо уточнення методів визначення силових та деформаційних умов протягування заготовки крізь ролики окалиновідламувача; експериментального дослідження якості видалення окалини з поверхні металу та впливу окалини в сухому мильному мастилі на параметри процесу волочіння. Надалі ці результати використано для визначення умов деформування металу при волочінні з поточним видаленням окалини зі зменшенням енерговитрат процесу.

В другому розділі розглянуто теоретичні основи визначення силових та деформаційних умов протягування заготовки крізь ролики окалиновідламувача. В якості основи теоретичного рішення визначення сили протягування прийнято метод балансу потужностей, відповідно до якого повна потужність протягування заготовки через окалиновідламувач може бути представлена виразом:

, (1)

де , , – повна потужність протягування й потужність протягування на i-тому ролику окалиновідламувача (i=1…) відповідно; – кількість роликів окалиновідламувача; – потужність заднього натягу на його першому ролику:

; (2)

– швидкість руху заготовки в першій волоці; – сила заднього натягу на першому ролику окалиновідламувача.

У свою чергу:

, (3)

де – потужність, затрачувана на згин заготовки на i-тому ролику окалиновідламувача; – потужність, затрачувана на розгин заготовки; – потужність тертя катання заготовки на контакті з поверхнею ролика; – потужність, затрачувана на тертя в підшипнику ролика.

При прийнятті = вираз (3) можна представити у вигляді:

, (4)

де – потужність пружно-пластичної деформації заготовки в процесі злому окалини на i-тому ролику.

З іншого боку,

, (5)

де – сила протягування заготовки через i-тий ролик окалиновідламувача;

; (6)

– частина сили протягування, що формується на нейтральній лінії деформації заготовки, забезпечуючи її пружно-пластичну деформацію в процесі злому окалини; – швидкість металу на нейтральній лінії деформації повздовжнього перерізу; – радіус нейтральної лінії деформації за цикл вигину i-тому ролику; – радіус нейтральної лінії напруження на i-тому ролику.

З урахуванням пружної віддачі металу на ролику окалиновідламувача радіус серединної лінії профілю представлений виразом:

, (7)

а радіус нейтральної лінії напружень – формулою:

, (8)

де – радіус ролика окалиновідламувача; – висота приведеної смуги; – діаметр заготовки; – коефіцієнт пружної віддачі заготовки при її вигині на ролику окалиновідламувача; – середня межа текучості заготовки; – сила заднього натягу на i-тому ролику, яка чисельно дорівнює силі протягування заготовки через (i-1)-тий ролик окалиновідламувача.

З балансу робіт при пружно-пластичному деформуванні металу на i-тому ролику:

, (9)

де робота, затрачувана відповідно на пружну та пластичну деформацію заготовки на i-тому ролику; довжина дуги повздовжнього перетину заготовки на нейтральній лінії деформації (ця довжина не змінюється за цикл вигину).

, (10)

де – зсув нейтральної лінії деформації заготовки щодо її серединної лінії під дією повздовжніх напруг, що розтягують; – координата умовної межі зон пружної та пластичної деформації.

Після інтегрування й перетворення рівняння (10) одержали:

, (11)

де – коефіцієнт пружної зони деформації.

Потужність, що витрачається на тертя заготовки на контакті її з поверхнею ролика, визначена у вигляді:

, (12)

де – окружна швидкість на поверхні ролика; – коефіцієнт тертя на поверхні ролика окалиновідламувача; – сила радіального тиску заготовки на i-тий ролик.

Потужність, що витрачається на тертя в підшипнику i-того ролика:

, (13)

де – коефіцієнт тертя в підшипнику i-того ролика окалиновідламувача; – діаметр цапфи i-того ролика окалиновідламувача.

Силу радіального тиску визначали згідно даним Корольова А.А. для i-того ролика залежно від кількості роликів, що враховують при черговому етапі розрахунку, по виразу:

, (14)

де – момент пружного-пластичного деформування заготовки на i-тому ролику окалиновідламувача (для першого ролика ==0; для другого - =0; для третього враховуються всі доданки чисельника); – крок між осями сусідніх роликів окалиновідламувача в напрямку волочіння; – момент опору металу при пружно-пластичному деформуванні:

, (15)

– момент опору металу при пружному вигині; – пластичний момент опору.

З рівності виразів (4) і (5) з урахуванням формул (6), (11) і (13) знайшли:

. (16)

Остаточно, згідно (1), повна сила протягування заготовки через роликів окалиновідламувача визначається виразом:

. (17)

Розрахунками показано, що вплив уперше розглянутих фізичних особливостей процесу (наявність пружної та пластичної складових деформації, розмежування характерних ліній повздовжнього перетину заготовки, пружна віддача заготовки на ролику, зв'язок попередніх роликів з наступними через заготовку) дає уточнення сили протягування до 15% у порівнянні з відсутністю такого урахування. Зіставлення з відомими аналогічними формулами виявило узагальнюючий характер нової розрахункової схеми.

У розвиток викладених матеріалів було звернено увагу на те, що деформація металу, яка необхідна для видалення окалини з його поверхні, викликає не тільки загальне подовження заготовки до входу її у волоку, але й відповідне зменшення площі поперечного переріза профілю. З останньою обставиною пов'язана зміна розрахункових значень сили волочіння до 30% .

У зв'язку з викладеним, зроблено акцент на різниці видів ступеня деформації, пов'язаних з:

- подовженням поверхневих шарів заготовки, що забезпечує видалення окалини;

- знакозмінним вигином з розтягуванням, що спричиняє зміцнення металу заготовки;

- знакозмінним вигином з розтягуванням, що спричиняє результуюче подовження заготовки.

У результаті розгляду фізичних явищ і геометричної моделі деформування заготовки на i-тому ролику отримані вирази для визначення деформацій її згину й розгину :

; (18)

, (19)

де – радіус нейтральної лінії деформації розгину на і-тому ролику. Ці дані використано у подальшому для визначення методики розрахунку сумарного ступеня деформації подовження металу до його входу в осередок деформації волоки.

У розділі 3 представлені матеріали експериментальних досліджень процесу волочіння з урахуванням особливостей поточного видалення окалини в роликовому окалиновідламувачі. Виконано аналіз розмірностей, який дозволив визначити безрозмірні відношення параметрів, що характеризують процес видалення окалини: , і , де
– діаметр ролика окалиновідламувача; у – зсув осі натискного ролика щодо осі його опорного ролика перпендикулярно напряму волочіння.

Експеримент був спланований по ортогональних латинських квадратах 4-го порядку. Незалежними перемінними були обрані зазначені комбінації А, В и С у реальному діапазоні їхнього варіювання. Для проведення дослідів був спроектований і виготовлений роликовий окалиновідламувач (мал. 1), у якому забезпечувалася можливість необхідної зміни величин D, t й y з урахуванням використання в якості заготовки низьковуглецевої катанки номінальним діаметром 6,5 мм і відпаленого дроту діаметром 4,0 мм зі сталі Ст 1кп. Було прийнято для катанки: А=0,036…0,108, В=0,027…0,035, С=0…0,965; для відпаленого дроту: А=0,040…0,100, В=0,030…0,038, С=0…0,962.

Відповідно до методики обробки експериментальних даних, отриманих за планами ортогональних латинських квадратів, визначені відповідні апроксимуючі вирази.

При обробці катанки:

– сила протягування:

, [Н]; (20)

– частка залишкової окалини на поверхні металу:

. (21)

При обробці перероблювального дроту:

– сила протягування:

, [Н]; (22)

– частка залишкової окалини на поверхні металу:

. (23)

Проведений експеримент дозволив уперше з урахуванням відповідних теоретичних розробок обґрунтовано обчислювати результуюче подовження заготовки (зменшення її поперечного перерізу) у процесі обробки металу в роликовому окалиновідламувачі за виразом:

, (24)

де та визначаються формулами (18) і (19).

Для експериментальної перевірки виразу (17) при розрахунку сили протягування необхідні значення та коефіцієнта тертя на контакті поверхні ролика і заготовки. Міцнісні характеристики металу контролювалися в процесі проведення експериментів.

Визначення в умовах наявності окалини на контакті ролика і заготовки здійснювали, застосувавши вдосконалену відповідну методику Ейлера (рис. 2) для тертя гнучкої нитки на циліндровій поверхні. При додатковому урахуванні пружно-пластичної складової деформації металу відповідно до виразу (9) з рівняння

(25)

визначено шукані значення . Апроксимація отриманих даних представлена формулою:

. (26)

На наступних етапах досліджень урахували, що залишкова окалина на поверхні заготовки вноситься в ємкість із технологічним мастилом, змінюючи умови тертя при волочінні. При цьому визначений хімічний склад окалини, вилученої з поверхні заготовки в роликовому окалиновідламувачі та її дисперсність. Виявилося, що розміри часток окалини описуються біноміальним несиметричним законом розподілу випадкової величини з максимумом 0,36 мм і представницькими значеннями лівої й правої гілки розподілу 0,18 мм і 1,3 мм відповідно. Незалежно від дисперсності виявлено в окалині вміст вюститу (FeО) – 67,5...75,4%; гематиту (Fe2O3) – 1,5...4,4%;магнетиту (Fe3O4) – 20,2...30,1%

Експериментально вивчений вплив окалини різної дисперсності в сухому мильному мастилі на силу волочіння й формування мастильного шару в осередку деформації. При волочінні в якості заготовки використовували катанку зі сталі Ст 1кп, поверхню якої підготували до деформування шляхом:

– травлення з наступним вапнуванням;

– обробки в трироликовому окалиновідламувачі.

Результати експерименту показали, що наявність у мастилі окалини дрібної дисперсності (0,18 мм) у меншому ступені погіршує антифрикційні властивості мильного порошку, ніж крупнодисперсна окалина (1,8 мм) незалежно від виду підготовки металу до волочіння (спостерігається зменшення до 14% антифрикційних властивостей мильного порошку тим більше, чим крупніше частки окалини). Зокрема, це свідчить про доцільність застосування додаткового очищення від залишків окалини заготовки після її обробки в роликовому окалиновідламувачі.

Четвертий розділ присвячений технологічним розробкам, заснованим на комплексному урахуванні фізичних і технологічних особливостей поточного з волочінням застосування роликового окалиновідламувача.

Запропоновано пристрій для додаткового тонкого очищення заготовки від залишків окалини (рішення про видачу патенту України за заявкою
№ 2004031967 від 17.03.2004р.). У його основу закладена ідея приведення ємкості з абразивним матеріалом, що проводить доочищення заготовки, в колорезонансні коливання під дією нелінійності заготовки. При цьому маса пристрою визначається по отриманій у роботі формулі:

, (27)

де – кількість пружин, на яких закріплена ємність із абразивним матеріалом; G – модуль пружності матеріалу пружини; – діаметр дроту, з якого виготовлені пружини; – діаметр звивання пружини; – кількість витків пружини.

Для оцінки різних варіантів технології волочіння при поточному застосуванні роликового окалиновідламувача виконані розрахунки з використанням залежностей, отриманих у дисертації. У результаті, вперше запропоновано використовувати роликові окалиновідламувачі з диференційованим розміром роликів, а також визначені раціональні сполучення їхніх величин. Це дозволяє знизити енерговитрати процесу волочіння з поточним застосуванням роликового окалиновідламувача на 7...10%.

Розробка також дала можливість запропонувати вдосконалені маршрути волочіння: [6,5] – 5,65 – 5,1 – 4,6 – 4 мм і [6,5] – 5,5 – 4,8 –4,2 – 3,6 –3 мм замість застосовуваних у заводській практиці аналогічних маршрутів: [6,5] – 5,7 – 4,7 – 4 мм й [6,5] - 5,45 - 4,3 - 3,6 - 3 мм відповідно, що додатково зменшує енерговитрати на 2…3% у порівнянні з сучасною практикою. Тут знаком “[]” позначений номінальний діаметр заготовки.

Матеріали технологічних розробок були представлені у вигляді рекомендацій на ТОВ “ТЕКО” (м. Дніпропетровськ). Вони включені в перспективний план використання науково-технічних розробок на наступний період (витяг з протоколу засідання Технічного Ради від 15 листопаду 2005р.). Розробка також використовується в навчальному процесі Національної металургійної академії України при вивченні дисциплін “Проектування технологічних процесів” і “Технологічні особливості виробничих процесів” (Довідка від 7 грудня 2005р.).

ВИСНОВКИ

У дисертації наведено теоретичне узагальнення й отримано нове рішення науково-технічної задачі, що полягає в теоретичному обґрунтуванні та розробці раціональної технології сухого волочіння сталевої заготовки з поточним видаленням окалини в роликовому окалиновідламувачі при урахуванні фізичних і технологічних особливостей цієї системи, що забезпечують зменшення енерговитрат екологічно безпечного процесу деформації металу.

1. На підставі аналізу сучасного стану теорії й практики волочіння сталевого дроту з використанням механічного видалення окалини при підготовці поверхні заготовки показано, що розвиток наукових основ і технологічних прийомів застосування роликового окалиновідламувача з раціональними характеристиками є актуальним завданням.

2. Вдосконалена теорія визначення силових умов видалення окалини в роликовому окалиновідламувачі. У розробці врахований пружно-пластичний характер деформування металу, пружна віддача заготовки на ролику, зсув нейтральної лінії деформації її перетину під дією вигину й повздовжніх напруг, що розтягують. Це дозволило підвищити точність визначення енерговитрат при протягуванні заготовки крізь окалиновідламувач на 5…15% та на 2…5% при волочінні у порівнянні з відсутністю урахування вказаних вище факторів.

3. У роботі вперше представлений метод теоретичного визначення деформації подовження (зменшення перетину) заготовки після її виходу з окалиновідламувача в потоці з волочінням. Показано істотну відмінність середньої результуючої деформації металу після протягування його через ролики окалиновідламувача, що впливає на енергосилові параметри наступного волочіння, від деформації подовження поверхневих шарів заготовки, що характеризує лише ефективність видалення окалини.

4. Спроектовано та виготовлено спеціальний роликовий окалиновідламувач для вивчення умов формозміни металу, в якому передбачена можливість варіювання розмірів роликів, відстані між ними та кута обхвату ролика заготовкою.

5. Використання описаної вище установки в лабораторних умовах при плануванні дослідів за ортогональним латинським квадратам дозволило визначити основні параметри ефективності застосування роликового окалиновідламувача, що забезпечують мінімізацію сили протягування металу через нього, кількості залишкової окалини на заготовці і енерговитрат при подальшому поточному волочінні, а також її результуючого подовження. Порівняння експериментальних і розрахункових даних виявило їхню добру збіжність (не гірше 5%).

6. Одержало розвиток експериментальне визначення коефіцієнта тертя на контакті поверхні ролика із заготовкою. При цьому використовувалася відповідна схема Ейлера для тертя гнучкої нитки на циліндровій поверхні з урахуванням пружно-пластичного деформування заготовки. Отримані дані свідчать про значення коефіцієнта тертя на контакті поверхні ролика із заготовкою 0,08...0,12 залежно від відношення діаметра заготовки до діаметра ролика окалиновідламувача і дозволяють уточнити на 2...3% визначення енергосилових параметрів волочіння з поточним використанням роликового окалиновідламувача.

7. Експериментально вивчено вплив наявності окалини різної дисперсності в сухому мильному мастилі на його антифрикційні властивості та енергосилові параметри власне процесу волочіння. Дані свідчать про зменшення до 14% антифрикційних властивостей мильного порошку тим більше, чим крупніше частки окалини. Причому, основний вплив надає наявність окалини в технологічному мастилі до 10%. Результати дозволили підтвердити доцільність застосування тонкого очищення поверхні заготовки від залишків окалини.

8. Розроблено пристрій тонкого очищення поверхні заготовки від залишків окалини (рішення про видачу патенту України за заявкою №2004031967 від 17.03.2004 р.), застосування якого дозволило поліпшити умови тертя при волочінні. Частково основні ознаки цього пристрою знайшли промислове використання на ПП “Аоріст”, м. Дніпропетровськ (Акт впровадження від 15 грудня 2005р.).

9. Описані матеріали були представлені у вигляді рекомендацій на ТОВ “ТЕКО” (м. Дніпропетровськ). Вони включені в перспективний план використання науково-технічних розробок на наступний період (Витяг з протоколу засідання Ради від 15 листопада 2005р.). Розробка також використовується в навчальному процесі Національної металургійної академії України при вивченні дисциплін “Проектування технологічних процесів” і “Технологічні особливості виробничих процесів” (Довідка від 7 грудня 2005р.).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНИЙ У РОБОТАХ:

1. Ломов И.Н., Ермакова О.С., Должанский А.М. Исследование процесса протяжки катанки через ролики окалиноломателя // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2004. – №3. – С. 59–62.

2. Должанский А.М., Ермакова О.С. Устройство для дополнительной поточной очистки катанки от остатков окалины после роликового окалиноломателя перед волочением // Наукові вісті. Пластична деформація металів. – Дніпропетровськ. – НМетАУ, 2005. – С.356-358

3. Должанский А.М., Ермакова О.С. Влияние окалины в сухой мыльной смазке на её антифрикционные свойства при волочении // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2005. – №6. – С. 57–61.

4. Должанский А.М., Ермакова О.С. Силовые условия удаления окалины в роликовом окалиноломателе // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Тематичний збірник наукових праць. - Краматорськ: ДДМА, 2005.- С. 513-517.

5. Должанский А.М., Ермакова О.С. Определение энергозатрат при сухом волочении катанки со смазкой, загрязнённой порошкообразной окалиной // Теория и практика металлургии. – 2005. – №3. – С. 46-48.

6. Должанский А.М., Ермакова О.С. Деформация катанки в роликовом окалиноломателе. Сообщение 1 // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2005. – №2. – С. 52–54.

7. Должанский А.М., Ермакова О.С. Деформация катанки в роликовом окалиноломателе. Сообщение 2 // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2005. – №4. – С. 51–55.

Додатково одержані результати відображено у роботах:

8. Dolzhanskiy А.М., Lomov I.N., Yermakova O.S. Rational Parameters of Roller Scale Breaker for Steel Rod // Metallurgija. – 2004. – Vol. 43, № 3. – P.248.

9. Заявка на патент № 2004031967, Україна, МПК 7 В21С43/04. Пристрій для додаткової очистки довгомірної сталевої заготовки від окалини після роликового окалиновідламувача в потоці з волочінням/
Должанський А.М., Єрмакова О.С., Ломов І.М., Орлович Д.Є.; Заявлено 17.03.04; Рішення про видачу патенту прийнято 01.11.05р.

АНОТАЦІЯ

Єрмакова О.С. Обґрунтування та розробка раціональної технології сухого волочіння з поточним деформуванням сталевої заготовки у роликовому окалиновідламувачі. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05 – Процеси і машини обробки тиском. – Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2005.

Дисертація присвячена розвитку наукових основ і розробці раціональних режимів волочіння з поточним використанням роликового окалиновідламувача із забезпеченням мінімізації енерговитрат процесу.

Вдосконалений метод визначення силових умов видалення окалини з поверхні заготовки при врахуванні фізичних і технологічних особливостей цього процесу, вперше розроблений метод теоретичного визначення результуючої деформації подовження (зменшення перетину) заготовки після її виходу з роликів окалиновідламувача. Одержало розвиток експериментальне вивчення за допомогою планування дослідів по ортогональним латинським квадратам впливу характерних розмірів роликового окалиновідламувача на силові й деформаційні умови, а також на якість очищення поверхні заготовки від окалини. Експериментально визначено коефіцієнт тертя на контакті поверхні ролика і заготовки, одержані відповідні залежності. Експериментально досліджено вплив часток окалини в мильному технологічному мастилі на його антифрикційну ефективність при волочінні. Результати досліджень зумовили необхідність розробки вдосконаленого пристрою тонкого очищення заготовки від залишкової окалини. Одержані результати являють інтерес для розвитку теорії і технології волочіння.

Ключові слова: волочіння, заготовка, окалина, роликовий окалиновідламувач, технологічне мастило, енергозбереження.

АННОТАЦИЯ

Ермакова О.С. Обоснование и разработка рациональной технологии сухого волочения с поточным деформированием стальной заготовки в роликовом окалиноломателе. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 – Процессы и машины обработки давлением. – Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2005.

Диссертация посвящена развитию научных основ и разработке рациональных режимов волочения с поточным применением роликового окалиноломателя с обеспечением минимизации энергозатрат процесса.

Усовершенствован метод определения силовых условий удаления окалины с поверхности заготовки при учёте физических и технологических особенностей этого процесса: упруго-пластический характер деформирования заготовки, ее упругая отдача на поверхности ролика, смещение нейтральной линии деформации в процессе изгиба от своего исходного положения.

Впервые разработан метод теоретического определения результирующей деформации удлинения заготовки после её выхода из роликов окалиноломателя. Показано существенное отличие (до нескольких раз) этой деформации, характеризующей уменьшение сечения заготовки, от деформации удлинения поверхностных слоёв металла, характеризующей лишь качество очистки от окалины. Получило развитие экспериментальное исследование с помощью планирования опытов по ортогональным латинским квадратам влияния характерных размеров роликового окалиноломателя на силовые и деформационные условия, а также на качество очистки поверхности заготовки от окалины.

Экспериментально определён коэффициент трения на контакте поверхности ролика и заготовки, получены соответствующие зависимости. При этом использована соответствующая схема Эйлера трения гибкой нити на цилиндрической поверхности с дополнительным учётом упруго-пластического деформирования металла на ролике.

Экспериментально исследовано влияние частиц окалины в мыльной технологической смазке на ее антифрикционную эффективность при волочении. Результаты исследований обосновали разработку усовершенствованного устройства тонкой очистки заготовки от остаточной окалины. Полученные результаты представляют интерес для развития теории и технологии волочения.

Ключевые слова: волочение, заготовка, окалина, роликовый окалиноломатель, технологическая смазка, энергосбережение.

SUMMARY

Yermakova O.S. Substantiation and Development of Dry Wire-drawing Rational Technology after Steel Rod Deformation in a Roller Scale Breaker. – Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of technical sciences on speciality 05.03.05 – Processes and Machines of Metal Forming. – National metallurgical academy of Ukraine, Dnepropetrovsk, 2005.

Dissertation is devoted to development of the rational modes of drawing with application of the roller scale breaker, providing the energy saving process.

The method of the theoretical determination of power conditions of descaling from the rod surface in the roller scale breaker is improved taking in account physical and technological features of the process. Theoretical approaches are here developed to total degree determination of metal deformation in the indicated terms. The research by planning experiments of roller scale breaker parameters influence on power and deformations terms, and also on quality of cleaning of surface of purveyance from dross is developed. The coefficient of friction on the contact of roller surface and wire is experimentally determined. The influence of scale greasing fractions on antifriction technological lubricant properties by last is appreciated. It is shown, that scale presence reduces antifriction properties of technological lubricant. As the result the new equipment providing high cleaning quality of rod surface from scale after scale breaker in a stream with wire-drawing is developed. These results may be useful at the choice of rational terms of wire-drawing process with the roller scale breaker using.

Keywords: wire-drawing, steel-rod, scale, roller scale breaker, technological lubricant, energy saving.

Підписано до друку 28.12.05. Формат 60х84 1/16. Папір друк. Друк плоский.

Облік.-вид. арк. 2,94. Умов. друк. арк. 2,90. Тираж 100 пр. Замовлення № 157.

Національна металургійна академія України

49600, Дніпропетровськ-5, пр. Гагаріна, 4

____________________________________

Редакційно-видавничий відділ НМетАУ