Способ производства триметаллических прутковых и проволочных изделий

Способ производства триметаллических прутковых и проволочных изделий

Реферат

Изобретение относится к обработке металлов давлением и предназначено для производства триметаллических прутковых и проволочных изделий волочением.

К триметаллическим изделиям в виде прутков проволоки относят изделия, включающие три слоя из разных металлов.

Известно, что прутки и проволоку изготавливают по технологической схеме, совмещающей прокатку или прессование заготовки с последующим волочением триметаллической заготовки через конические волоки.

При деформировании в волочильном инструменте в заготовке возникает напряжение волочения, которое может приводить к обрыву переднего конца заготовки (см. Перлин И.Л., Ерманок М.З. Теория волочения. - М.: Металлургия, 1971. - С.17).

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ волочения изделий, включающий предварительное формирование захватки с заостренным и коническим участками и последующее волочение через монолитную волоку. Формирование конического участка захватки осуществляют с углом конусности на 2-3° меньшим, чем угол конусности волоки. Перед волочением заостренную часть захватки вводят в волоку, наносят технологическую смазку и осуществляют захват заостренного конца зажимом тянущего устройства (а.с. СССР №1245375, кл. В21С 1/00, 1986). Данный способ принят в качестве прототипа.

Недостатком известного способа, принятого за прототип, является то, что он не учитывает геометрию волочильного инструмента, в частности, угол наклона образующей рабочего канала волоки к оси волочения. Угол наклона образующей рабочего канала технологического волочильного инструмента является одним из основных параметров, определяющих напряжение волочения, единичные обжатия и энергозатраты при волочении.

Признаки прототипа, совпадающие с признаками заявляемого решения - предварительное формирование на изделии захватки с заостренным и коническим участками и последующее волочение через конический канал монолитной волоки.

Задачей изобретения является снижение напряжения волочения и энергоемкости процесса волочения триметаллических прутковых и проволочных изделий, повышение единичных обжатий и качества протягиваемых триметаллических изделий за счет оптимизации угла наклона образующей рабочего канала волочильного инструмента.

Поставленная задача была решена за счет того, что в известном способе, включающем предварительное формирование на изделии захватки с заостренным и коническим участками и последующее волочение через конический канал монолитной волоки, используют волоку, угол наклона образующей рабочего канала к оси волочения которой составляет

α в о п т = a r c t g [ 1,14 f ( σ s 3 − σ q ) F 3 ¯ ln λ F 1 ¯ σ s 1 + F 2 ¯ σ s 2 + F 3 ¯ σ s 3 ] ,           ( 1 )

где λ = d 0 2 / d 1 2 - вытяжка при волочении;

d₀, d₁ - внешний диаметр триметаллического прутка или проволочной заготовки до и после деформации соответственно;

σ_s1, σ_s2, σ_s3 - усредненные по зоне деформации сопротивления деформации протягиваемых материалов триметаллической заготовки;

F ¯ 1 = F 1 F , F ¯ 2 = F 2 F , F ¯ 3 = F 3 F - относительные площади сечения каждого из слоев, составляющих триметаллическую заготовку;

f - коэффициент внешнего трения в очаге деформации при волочении;

σ_q - напряжение противонатяжения.

Признаки предлагаемого способа, отличительные от прототипа, - использование волоки, угол наклона образующей рабочего канала к оси волочения которой определяют по приведенной выше формуле.

В реальных условиях волочения напряжение волочения монометаллической заготовки определяется по формуле (см. Механика композиционных материалов и конструкций. 2010 - Том 16, №2. С.-191-196)

σ в о л = ( ln λ + 4 3 3 t g α в ) [ σ s + f c t g α П ( σ s − σ q ) ] + σ q ,           ( 2 )

где λ = d 0 2 / d 1 2 - вытяжка при волочении;

d₀, d₁ - внешний диаметр монометаллического прутка или проволочной заготовки до и после деформации соответственно;

α_в - угол наклона образующей инструмента к оси волочения;

α_П - приведенный угол волоки tgα_П=0,65tgα_в;

σ_s - среднее по зоне деформации сопротивление деформации протягиваемого материала;

f - коэффициент внешнего трения в очаге деформации при волочении;

σ_q - напряжение противонатяжения.

Триметаллическая заготовка состоит из трех слоев: центрального сердечника, промежуточного слоя и внешней оболочки. Напряжение, обеспечивающее деформацию центрального сердечника, полагая, что в формуле (2) f=0, будет равно

σ в о л 1 = ( ln λ + 4 3 3 t g α в ) σ s 1 + σ q ,           ( 3 )

где σ_s1 - сопротивление деформации металлосердечника заготовки.

Напряжению волочения (3) соответствует усилие, затрачиваемое на деформацию сердечника

P 1 = F 1 [ ( ln λ + 4 3 3 t g α в ) σ s 1 + σ q ] ,           ( 4 )

где F₁ - площадь сердечника триметаллической заготовки.

Напряжение волочения промежуточного слоя триметаллической заготовки в соответствии с формулой (2) при f=0 составит

σ в о л 2 = ( ln λ + 4 3 3 t g α в ) σ s 2 + σ q ,           ( 5 )

где σ_s2 - сопротивление деформации промежуточного слоя заготовки.

Напряжению волочения (5) соответствует усилие, затрачиваемое на деформацию промежуточного слоя

P 2 = F 2 [ ( ln λ + 4 3 3 t g α в ) σ s 2 + σ q ] ,           ( 6 )

где F₂ - площадь промежуточного слоя триметаллической заготовки.

Для внешней оболочки, находящейся в контакте с волочильным инструментом, напряжение волочения составит

σ в о л 3 = ( ln λ + 4 3 3 t g α в ) [ σ s 3 + f c t g α П ( σ s − σ q ) ] + σ q .           ( 7 )

где σ_s3 - сопротивление деформации внешнего слоя заготовки.

Напряжению волочения (7) соответствует усилие, затрачиваемое на деформацию оболочки

P 3 = F 3 ( ln λ + 4 3 3 t g α в ) [ σ s 3 + f c t g α П ( σ s 3 − σ q ) ] + σ q .           ( 8 )

где F₃ - площадь внешней оболочки триметаллической заготовки.

Общее усилие, необходимое для пластической деформации триметаллической заготовки, составит

P = P 1 + P 2 + P 3 .             ( 9 )

После подстановки соотношений (4), (6) и (8) в формулу (9), преобразований и перехода к среднему напряжению волочения триметаллической заготовки получим

σ в о л = ( ln λ + 4 3 3 t g α в ) [ σ s 1 F ¯ 1 + σ s 2 F ¯ 2 + σ s 3 F ¯ 3 + f c t g α П ( σ s − σ q ) F ¯ 3 ] + σ q ,           ( 10 )

где F ¯ 1 = F 1 F , F ¯ 2 = F 2 F , F ¯ 3 = F 3 F - относительные площади сечения каждого из слоев, составляющих триметаллическую заготовку.

Минимальное значение напряжения волочения и соответственно усилия волочения триметаллической заготовки, а также энергоемкости процесса, обеспечивается из условия равенства нулю производной от напряжения волочения по тангенсу угла наклона образующей рабочего канала волочильного инструмента, а именно

d σ в о л d ( t g α в ) = 0.           ( 11 )

Продифференцировав выражение (10) согласно условию (11), после преобразований получим уравнение для определения оптимального значения тангенса угла наклона образующей рабочего канала волоки к оси волочения

t g α в о п т = 1,14 f ( σ s 3 − σ q ) F 3 ¯ ln λ F ¯ 1 σ s 1 + F 2 ¯ σ s 2 + F ¯ 3 σ s 3 ,           ( 12 )

и соответственно

α в о п т = a r c t g [ 1,14 f ( σ s 3 − σ q ) F 3 ¯ ln λ F ¯ 1 σ s 1 + F 2 ¯ σ s 2 + F 3 ¯ σ s 3 ] .           ( 1 )

Соотношение (1) позволяет определить оптимальный угол наклона образующей рабочего канала волоки к оси волочения, что обеспечивает минимальное значение напряжения волочения и минимальную энергоемкость процесса волочения триметаллической заготовки.

Пример реализации предлагаемого способа.

Предлагаемый способ использован для волочения триметаллической заготовки низкотемпературного сверхпроводника, состоящего из медного сердечника, промежуточного сверхпроводникового ниобия и медной стабилизирующей оболочки. При этом геометрические и физические соотношения составляли: F ¯ 1 = 0,3 ; F ¯ 2 = 0,4 ; F ¯ 3 = 0,3 ; σ_s1=σ_s3=300 МПа; σ_s2=500 МПа. При волочении заготовки через волочильный инструмент с α_в=12° без противонатяжения и вытяжки λ=1,2 при коэффициенте трения f=0,1 среднее напряжение триметаллической заготовки волочения составило 154 МПа.

По формуле (1) предлагаемого способа определили оптимальный угол конусности волочильного инструмента, получили α в о п т = 5,3 ∘ . После изготовления инструмента с оптимальной конусностью провели волочение заготовки с прежними технологическими параметрами, среднее напряжение волочения при этом оказалось равным 134,3 МПа.

Таким образом, снижение среднего напряжения волочения при использовании предлагаемого способа составило 12,8%.

Способ производства триметаллических прутковых и проволочных изделий, включающий предварительное формирование на изделии захватки с заостренным и коническим участками и последующее волочение через конический канал монолитной волоки, отличающийся тем, что используют волоку, угол наклона образующей рабочего канала к оси волочения которой составляет α в о п т = a r c t g [ 1,14 f ( σ s 3 − σ q ) F 3 ¯ ln λ F 1 ¯ σ s 1 + F 2 ¯ σ s 2 + F 3 ¯ σ s 3 ] , где λ = d 0 2 / d 1 2 - вытяжка при волочении;d₀, d₁ - внешний диаметр триметаллического прутка или проволочной заготовки до и после деформации, соответственно, мм;σ_s1, σ_s2, σ_s3 - усредненные по зоне деформации сопротивления деформации протягиваемых материалов триметаллической заготовки, МПа; F ¯ 1 = F 1 F , F ¯ 2 = F 2 F , F ¯ 3 = F 3 F - относительные площади сечения каждого из слоев, составляющих триметаллическую заготовку;f - коэффициент внешнего трения в очаге деформации при волочении;σ_q - напряжение противонатяжения, МПа.