Повышение эффективности технологических процессов обеспечивается разработкой операций имеющих близкие значения оперативного времени, позволяющих создавать непрерывные блоки технологических операций [1]. Такой подход приводит, кроме всего прочего, к уменьшению времени переходных процессов, влияющих на экономические показатели и показатели качества продукции. Так как определяющей операцией при обработке катанки является волочение, то операции подготовки поверхности катанки к волочению должны иметь оперативное время близкое со временем пластической деформации. Имеется много технологических решений конструирования таких операций, в частности [2], в которых собственно операция волочения производится на традиционном волочильном инструменте. Именно это создает определенные трудности, связанные с износостойкостью волок. Те же проблемы возникают в процессах знакопеременного изгиба с растяжением – окалиноломанием. Но развитие этого направления, связанного со значительным увеличением вытяжки до 1.5- 2.0, позволяет совместить две операции без использования волок на первых проходах [3, 4, 5, 6, 16, 17,18]. Проведенные исследования в этом направлении позволили создать новый инструмент для решения задачи совмещения двух операций: удаления окалины и пластической деформации [2]. Операция вытяжки проволоки без использования волоки по современной терминологии попадает под понятие – «бесфильерное волочение», операция предполагает ввод в очаг деформации дополнительной энергии: тепловой – нагрев, механической – изгиб, – ультразвук и т. д. [4, 3, 16,17,18].
Цель исследований. Для оценки возможности дальнейшей обработки проволоки волочением были исследованы геометрические характеристики проволоки и причины возникновения дефектов формы.
Материалы и методы исследования
Для исследования процесса бесфильерного волочения создана экспериментальная установка с кинематически заданной вытяжкой (рис. 1). В исследованиях образцов оценивались: дефекты формы и другие свойства проволоки. Образцы подготавливались из стальной проволоки «Сталь 10» после светлого отжига. В экспериментах варьировались степени деформации и энергия ультразвукового поля. Исследования проводились в соответствии с методами испытаний, определения и описания параметров результатов, которые установлены стандартами: ГОСТ 5639-82, ГОСТ Р 50708-94, ГОСТ 1579-93, ГОСТ 2789-73, ГОСТ 9450-76 и другими.
Конструкция технологической установки для реализации способа для бесфильерного волочения включает в себя бесфильерную волоку (рис. 1) с отражательным элементом, создающим режим стоячей волны для ультразвуковых колебаний. Схема предусматривает изменение кинематики движения проволоки (рис. 2), которое создает дополнительные напряжения изгиба суммирующиеся с продольными растягивающими напряжениями. В определенных случаях эти напряжения приводят к пластической деформации. Упрощенно схему деформации проволоки можно представить как два очага деформации на изгибе и разгибе (рис. 3).
В устройстве поверхность металла испытывает растяжение-сжатие, аналогично протяжке в роликовых окалиноломателях, но при значительном растяжении, вплоть до достигаемых в фильерах вытяжек и более. Внешний вид устройства бесфильерного волочения показан на рис. 1. Для снижения сопротивления металла деформации и снижения сил трения, увеличения пластической деформации, вытяжка происходит с наложением силового ультразвука, подводимого в зону деформации через волновод (источник ультразвука на рисунке не показан).
Рис. 1. Конструкция инструмента для установки бесфильерного волочения и лабораторная установка для исследования параметров бесфильерного волочения проволоки. Цифрами показаны: 1 – проволока, 2 – инструмент для бесфильерного волочения, 3 – генератор ультразвука, 4 – барабаны натяжной станции, 5 – привод установки
Предварительные исследования [1, 6] показали необходимость перехода от цилиндрических к конусообразным роликам. Траектория движения изделия в инструменте, образованным конусным роликом и плоскостью волновода показана на рис. 2.
Рис. 2. Схема и фотография траектории движения катанки (проволоки) в инструменте, а также схема области схода катанки с ролика
Результаты исследования и их обсуждение
Исследования [5,6] показали, что эти деформации и обрывность зависят от факторов: диаметра проволоки и диаметра отражательного элемента; силы протяжки, зависящей от вытяжки; дробности деформации; мощности ультразвука. На проволоке Сталь 10 диаметром 1,20 мм на лабораторном волочильном стане с бесфильерной волокой реально достигнуты обжатия 0,50-0,55.
В процессе волочения возникает необходимость обрабатывать проволоку со сварными швами. Проволока со сварными швами имеет закаленные участки с большой твердостью, не поддающиеся изгибу на отражательных элементах. Такая проволока сильнее изгибается и растягивается на участках прилегающих ко шву, там образуются шейки, что приводит к обрыву (рис. 3) при дальнейшем волочении в волоках. Для проволоки со сварными швами достигнуты обжатия до 28 %.
Рис. 3. Сварной шов и шейки на проволоке после бесфильерного волочения изгибом – растяжением, обжатия 30 %
Процесс волочения удалось вести без противонатяжения. При нескольких проходах с обжатиями до 70 % образуются шейки (рис. 4). Для исключения процесса образования шеек предложено использовать наложение ультразвуковых колебаний на очаг деформации. Уменьшает склонность к образованию шеек жесткость системы проволока – ролик.
Рис. 4. Шейки. Слева фотография неравномерности толщины проволоки по длине при 75 % обжатиях и 6-ти кратном изгибе-разгибе, толщина проволоки от 0,42 до 0,52 мм, и справа схема шейки
Овальность проволоки приблизительно: 5 % при обжатии 30 %, 10 % при обжатии 50 %, овальность можно скомпенсировать, изгибая проволоку в разных плоскостях на волноводах с канавками. Вид сечения проволоки показан на рис. 5.
Рис. 5. Деформация круглого сечения проволоки, слева схема при одном изгибе и справа фото сечения при 3-х изгибах-разгибах и обжатии 50 %
Устойчивое волочение изгибом-растяжением при отношении диаметров проволоки и роликов , при количестве последовательных проходов волочения N=4...6 и напряжениях растяжения 90 % от предела текучести позволяет стабильно получать обжатия до 40-50 % без обрывов на низко и среднеуглеродистой отожженной проволоке.
Заключение
Проволока полученная бесфильерным волочением методом изгиба-растяжения по предложенной технологии имеет отклонения формы поперечного сечения от круга и периодические колебания толщины по длине. Величина шероховатости сопоставима с размерами поперечного сечения проволоки. По причине неудовлетворительной геометрии бесфильерная проволока нуждается в дальнейшем в калибровании или в волочении. Волочение возможно фильерным способом, но для значительных дефектов формы возникают трудности с подачей смазки в очаг деформации. Поэтому для дальнейшей обработки такой проволоки предпочтительней волочение в роликовых волоках.
Для оценки возможности дальнейшей обработки проволоки волочением были исследованы механические свойства и микроструктура проволоки, полученной фильерным и безфильерным способами. Исследования позволили построить аналитическую модель для ресурса пластичности [4,6], усталостной прочности для проволоки при знакопеременных нагрузках изгиба-растяжения. Такая модель актуальна для решения задач механики сплошных сред при прогнозировании работоспособности алмазно-канатного инструмента. [7-15].