СПОСОБ ВОЛОЧЕНИЯ ПОЛИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МНОГОСЛОЙНЫХ ПРУТКОВЫХ И ПРОВОЛОЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 2014 года по МПК B21C1/00 

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

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

При деформировании в волочильном инструменте заготовки 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 (см. патент РФ №2310533 от 20.11.2007, кл. В21С 1/00), включающий предварительное формирование захватки с заостренным и коническим участками и последующее волочение через рабочий канал монолитной волоки. Используют волоку, угол наклона образующей рабочего канала которой составляет

$${\alpha }_{в}=arctg(1,414\sqrt{\ln \lambda \cdot f}),(1)$$

где $$\lambda =d_0^2/d_1^2$$ - вытяжка при волочении; d₀, d₁ - внешний диаметр прутка или проволоки до и после деформации соответственно; f - коэффициент внешнего трения в очаге деформации при волочении. Данный способ принят в качестве прототипа.

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

Недостатком известного способа, принятого за прототип, является то, что процесс волочения имеет повышенные напряжение и энергоемкость. Это объясняется тем, что способ не обеспечивает минимальное значение напряжения волочения и приводит к повышенной энергоемкости процесса волочения. Кроме того, известный способ не учитывает влияние геометрических соотношений слоев полиметалла и их механических свойств на напряжение, поскольку в зависимости от геометрических соотношений слоев полиметалла и их механических свойств напряжение волочения будет различным.

Задачей изобретения является снижение напряжения волочения и энергоемкости процесса волочения полиметаллических многослойных прутковых и проволочных изделий, повышение единичных обжатий и качества протягиваемых полиметаллических многослойных 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 рабочий канал монолитной волоки, используют волоку, угол наклона образующей рабочего канала к оси волочения которой составляет

$${\alpha }_{в}^{опт}=arctg1,41\sqrt{\frac{f\ln \lambda \cdot ({\sigma }_{sn}-{\sigma }_0)\cdot \overline{F_n}}{{\displaystyle \sum _{i=1}^n{\sigma }_{si}\cdot \overline{F_i}}}},(2)$$

где f - коэффициент внешнего трения между волокой и наружной поверхностью заготовки;

λ=F₀/F₁ - вытяжка при волочении;

F₀ и F₁ - площадь сечения заготовки до и после прохода соответственно;

σ_sn - сопротивление деформации материала наружного слоя;

σ₀ - напряжение противонатяжения;

$$\overline{F_n}=F_n/F_1$$ - относительная площадь наружного слоя заготовки;

F_n - площадь сечения наружного слоя заготовки;

σ_si - сопротивление деформации материала i-того слоя заготовки;

$$\overline{F_i}=F_i/F_1$$ - относительная площадь сечения i-того слоя заготовки;

F_i - площадь сечения i-того слоя заготовки.

Признаки заявляемого способа, отличительные от прототипа, используют волоку, угол наклона образующей рабочего канала к оси волочения которой определяют по приведенной выше формуле 2.

В большинстве случаев волочения полиметаллических многослойных заготовок принудительное противонатяжение отсутствует (σ₀=0), поэтому формула (2) принимает вид

$${\alpha }_{в}=arctg1,414\sqrt{\frac{f\ln \lambda \cdot {\sigma }_{sn}\overline{F_n}}{{\displaystyle \sum _{i=1}^n{\sigma }_{si}\cdot \overline{F_i}}}}.(3)$$

В реальных условиях волочения напряжение волочения полиметаллической многослойной заготовки определяется по формуле (см. Механика композиционных материалов и конструкций. 2010 - Том 18, №2. С.-267-272)

$${\sigma }_{вол}=(\ln \lambda +\frac{4}{3\sqrt{3}}tg{\alpha }_{в})\left[{\displaystyle \sum _{i=1}^n{\sigma }_{si}\overline{F_i}}+fctg{\alpha }_{П}({\sigma }_{sn}-{\sigma }_0)\overline{F_n}\right]+{\sigma }_0,(4)$$

где σ_si - сопротивление деформации материала i-того слоя заготовки;

σ_sn - сопротивление деформации материала наружного слоя;

$$\overline{F_i}=F_i/F_1$$ - относительная площадь сечения i-того слоя заготовки;

$$\overline{F_n}=F_n/F_1$$ - относительная площадь наружного слоя заготовки;

λ=F₀/F₁ - вытяжка при волочении;

F₀ и F₁ - площадь сечения заготовки до и после прохода соответственно;

α_в - угол наклона образующей инструмента к оси волочения;

α_П - приведенный угол волоки tgα_П=0,65tgα_в; f - коэффициент внешнего трения между волокой и наружной поверхностью заготовки;

Σ - знак суммирования;

σ₀ - напряжение противонатяжения.

Минимальное значение напряжения волочения и соответственно усилия волочения полиметаллической многослойной 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

$$\frac{d{\sigma }_{вол}}{d(tg{\alpha }_{в})}=0(5)$$

Продифференцировав выражение (4) согласно условию (5), после преобразований получим уравнение для определения оптимального значения tgα_в

$$tg{\alpha }_{в}=1,41\sqrt{\frac{f\ln \lambda \cdot ({\sigma }_{sn}-{\sigma }_0)\cdot \overline{F_n}}{{\displaystyle \sum _{i=1}^n{\sigma }_{si}\cdot \overline{F_i}}}},(6)$$

и соответственно

$${\alpha }_{в}^{опт}=arctg1,41\sqrt{\frac{f\ln \lambda \cdot ({\sigma }_{sn}-{\sigma }_0)\cdot \overline{F_n}}{{\displaystyle \sum _{i=1}^n{\sigma }_{si}\cdot \overline{F_i}}}}.(7)$$

Соотношение (7) обеспечивает минимальное значение напряжения волочения и минимальную энергоемкость процесса волочения полиметаллической многослойной заготовки.

В случае отсутствия противонатяжения (σ₀=0) из формулы (6) получим оптимальный угол наклона образующей рабочего наклона волоки

$${\alpha }_{в}^{опт}=arctg1,41\sqrt{\frac{f\ln \lambda \cdot {\sigma }_{sn}\cdot \overline{F_n}}{{\displaystyle \sum _{i=1}^n{\sigma }_{si}\cdot \overline{F_i}}}}.(8)$$

Пример конкретной реализации предлагаемого способа.

Предлагаемый способ использован для волочения полиметаллической заготовки низкотемпературного сверхпроводника, состоящего из медного сердечника, промежуточных слоев из сверхпроводникового ниобия и медной стабилизирующей оболочки. При этом геометрические и физические соотношения составляли: $$\overline{F_1}=0,1$$ ; $$\overline{F_n}=\overline{F_1}*i(i=1\dots n)$$ , σ_si=σ_si-2=310 МПа; σ_sn-1=250 МПа. При волочении заготовки через волочильный инструмент с α_в=10° без противонатяжения и вытяжки λ=1,15 при коэффициенте трения f=0,1 среднее напряжение полиметаллической заготовки волочения составило 117 МПа.

По формуле (2) предлагаемого способа определили оптимальный угол конусности волочильного инструмента, получили $${\alpha }_{в}^{опт}=5,7^{\circ }$$ . После изготовления инструмента с оптимальной конусностью провели волочение заготовки с прежними технологическими параметрами, среднее напряжение волочения при этом оказалось равным 97 МПа.

Таким образом, снижение среднего напряжения волочения при использовании предлагаемого способа составило 17%.

При снижении напряжения волочения появляется возможность повышения обжатий при волочении и снижения кратности маршрутов волочения. Снижение напряжения волочения уменьшает также вероятность обрыва переднего конца заготовки и разрушения компонентов полиметаллической многослойной заготовки, повышая тем самым качество протягиваемых изделий.

Изобретение относится к обработке металлов давлением и предназначено для производства полиметаллических многослойных прутковых и проволочных изделий волочением. Способ включает предварительное формирование на изделии захватки с заостренным и коническим участками и последующее волочение через рабочий канал монолитной волоки. Снижение напряжения волочения и энергоемкости процесса волочения обеспечивается за счет того, что используют волоку, угол наклона образующей рабочего канала к оси волочения которой регламентируют математической зависимостью, учитывающей влияние таких факторов как сопротивление деформации материала наружного слоя, напряжение противонатяжения, соотношение площадей сечения слоев и др., что позволяет повысить единичные обжатия и качество протягиваемых изделий.

Способ волочения полиметаллических многослойных прутковых и проволочных изделий, включающий предварительное формирование на изделии захватки с заостренным и коническим участками и последующее волочение через рабочий канал монолитной волоки, отличающийся тем, что используют волоку, угол наклона образующей рабочего канала к оси волочения которой составляет
,
где f - коэффициент внешнего трения между волокой и наружной поверхностью заготовки;
λ=F₀/F₁ - вытяжка при волочении;
F₀ и F₁ - площадь сечения заготовки до и после прохода соответственно;
σ_sn - сопротивление деформации материала наружного слоя;
σ₀ - напряжение противонатяжения;
- относительная площадь наружного слоя заготовки;
F_n - площадь сечения наружного слоя заготовки;
σ_si - сопротивление деформации материала i-того слоя заготовки;
- относительная площадь сечения i-того слоя заготовки;
F_i - площадь сечения i-того слоя заготовки.