СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ТРИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРУТКОВЫХ И ПРОВОЛОЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 2013 года по МПК B21C1/00 

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

$${\alpha }_{в}^{опт}=arctg\left[\mathrm{1,14}\sqrt{\frac{f\left({\sigma }_{s3}-{\sigma }_q\right)\overline{F_3}\ln \lambda }{\overline{F_1}{\sigma }_{s1}+\overline{F_2}{\sigma }_{s2}+\overline{F_3}{\sigma }_{s3}}}\right],\left(1\right)$$

где $$\lambda =d_0^2/d_1^2$$ - 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;

$${\overline{F}}_1=\raisebox{1ex}{$F_1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$F$}\right.$$ , $${\overline{F}}_2=\raisebox{1ex}{$F_2$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$F$}\right.$$ , $${\overline{F}}_3=\raisebox{1ex}{$F_3$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$F$}\right.$$ - 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)

$${\sigma }_{вол}=\left(\ln \lambda +\frac{4}{3\sqrt{3}}tg{\alpha }_{в}\right)\left[{\sigma }_s+fctg{\alpha }_{П}\left({\sigma }_s-{\sigma }_q\right)\right]+{\sigma }_q,\left(2\right)$$

где $$\lambda =d_0^2/d_1^2$$ - 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

$${\sigma }_{вол1}=\left(\ln \lambda +\frac{4}{3\sqrt{3}}tg{\alpha }_{в}\right){\sigma }_{s1}+{\sigma }_q,\left(3\right)$$

где σ_s1 - сопротивление деформации металлосердечника заготовки.

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

$$P_1=F_1\left[\left(\ln \lambda +\frac{4}{3\sqrt{3}}tg{\alpha }_{в}\right){\sigma }_{s1}+{\sigma }_q\right],\left(4\right)$$

где F₁ - площадь сердечника триметаллической заготовки.

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

$${\sigma }_{вол2}=\left(\ln \lambda +\frac{4}{3\sqrt{3}}tg{\alpha }_{в}\right){\sigma }_{s2}+{\sigma }_q,\left(5\right)$$

где σ_s2 - сопротивление деформации промежуточного слоя заготовки.

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

$$P_2=F_2\left[\left(\ln \lambda +\frac{4}{3\sqrt{3}}tg{\alpha }_{в}\right){\sigma }_{s2}+{\sigma }_q\right],\left(6\right)$$

где F₂ - площадь промежуточного слоя триметаллической заготовки.

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

$${\sigma }_{вол3}=\left(\ln \lambda +\frac{4}{3\sqrt{3}}tg{\alpha }_{в}\right)\left[{\sigma }_{s3}+fctg{\alpha }_{П}\left({\sigma }_s-{\sigma }_q\right)\right]+{\sigma }_q.\left(7\right)$$

где σ_s3 - сопротивление деформации внешнего слоя заготовки.

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

$$P_3=F_3\left(\ln \lambda +\frac{4}{3\sqrt{3}}tg{\alpha }_{в}\right)\left[{\sigma }_{s3}+fctg{\alpha }_{П}\left({\sigma }_{s3}-{\sigma }_q\right)\right]+{\sigma }_q.\left(8\right)$$

где F₃ - площадь внешней оболочки триметаллической заготовки.

Общее усилие, необходимое для пластической деформации триметаллической заготовки, составит

$$P=P_1+P_2+P_3.\left(9\right)$$

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

$${\sigma }_{вол}=\left(\ln \lambda +\frac{4}{3\sqrt{3}}tg{\alpha }_{в}\right)\left[{\sigma }_{s1}{\overline{F}}_1+{\sigma }_{s2}{\overline{F}}_2+{\sigma }_{s3}{\overline{F}}_3+fctg{\alpha }_{П}\left({\sigma }_s-{\sigma }_q\right){\overline{F}}_3\right]+{\sigma }_q,\left(10\right)$$

где $${\overline{F}}_1=\raisebox{1ex}{$F_1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$F$}\right.,$$ $${\overline{F}}_2=\raisebox{1ex}{$F_2$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$F$}\right.,$$ $${\overline{F}}_3=\raisebox{1ex}{$F_3$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$F$}\right.$$ - 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

$$\frac{d{\sigma }_{вол}}{d\left(tg{\alpha }_{в}\right)}=0.\left(11\right)$$

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

$$tg{\alpha }_{в}^{опт}=\mathrm{1,14}\sqrt{\frac{f\left({\sigma }_{s3}-{\sigma }_q\right)\overline{F_3}\ln \lambda }{{\overline{F}}_1{\sigma }_{s1}+\overline{F_2}{\sigma }_{s2}+{\overline{F}}_3{\sigma }_{s3}}},\left(12\right)$$

и соответственно

$${\alpha }_{в}^{опт}=arctg\left[\mathrm{1,14}\sqrt{\frac{f\left({\sigma }_{s3}-{\sigma }_q\right)\overline{F_3}\ln \lambda }{{\overline{F}}_1{\sigma }_{s1}+\overline{F_2}{\sigma }_{s2}+\overline{F_3}{\sigma }_{s3}}}\right].\left(1\right)$$

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: $${\overline{F}}_1=\mathrm{0,3};$$ $${\overline{F}}_2=\mathrm{0,4};$$ $${\overline{F}}_3=\mathrm{0,3};$$ 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 $${\alpha }_{в}^{опт}={\mathrm{5,3}}^{\circ }$$ . 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%.

Изобретение предназначено для снижения энергоемкости процесса волочения и повышения качества протягиваемых триметаллических изделий. Способ включает предварительное формирование на изделии захватки с заостренным и коническим участками и последующее волочение через конический канал монолитной волоки. Снижение напряжения волочения и повышение единичных обжатий при волочении обеспечивается за счет того, что угол наклона образующей рабочего канала к оси волочения волоки регламентирован математической зависимостью, учитывающей вытяжку, параметры материалов, составляющих слои заготовки, и относительные площади сечения каждого из слоев, составляющих триметаллическую заготовку. 1 пр.

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
$${\alpha }_{в}^{опт}=arctg\left[\mathrm{1,14}\sqrt{\frac{f\left({\sigma }_{s3}-{\sigma }_q\right)\overline{F_3}\ln \lambda }{\overline{F_1}{\sigma }_{s1}+\overline{F_2}{\sigma }_{s2}+\overline{F_3}{\sigma }_{s3}}}\right],$$
где $$\lambda =d_0^2/d_1^2$$ - 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;
$${\overline{F}}_1=\raisebox{1ex}{$F_1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$F$}\right.$$ , $${\overline{F}}_2=\raisebox{1ex}{$F_2$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$F$}\right.$$ , $${\overline{F}}_3=\raisebox{1ex}{$F_3$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$F$}\right.$$ - относительные площади сечения каждого из слоев, составляющих триметаллическую заготовку;
f - коэффициент внешнего трения в очаге деформации при волочении;
σ_q - напряжение противонатяжения, МПа.