СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ТРИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРУТКОВЫХ И ПРОВОЛОЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 2018 года по МПК B21C1/20 B21C3/00 

Изобретение относится к обработке металлов давлением и предназначено для производства длинномерных триметаллических прутков и проволочных металлоизделий волочением.

Триметаллические прутковые и проволочные изделия состоят из трех функциональных слоев: наружный слой - оболочка; второй слой - промежуточный функциональный слой; третий слой - сердечник. Такими изделиями являются, например, низкотемпературные сверхпроводники. В сверхпроводниковых изделиях наружный слой - медь, промежуточный слой - сверхпроводниковый материал, сердечник - медь.

Известно, что триметаллические прутки и поволоку изготовляют по технологической схеме, совмещающей прокатку или прессование заготовки и ее последующее волочение через монолитные волоки. Предварительно передний конец заготовки заостряют, формируют захватку, которую вводят в инструмент (волоку), зацепляют зажимом тянущего устройства и волочат.

При деформировании в волочильном инструменте в заготовке возникает продольное напряжение волочения, которое может приводить к обрыву переднего конца заготовки. Для того чтобы исключить вероятность обрыва заготовки при волочении, напряжение волочения должно быть меньше предела прочности на разрыв протягиваемого материала (см. Перлин И.Л., Ерманок М.З. Теория волочения. - М.: Металлургия, 1971, с. 17).

Напряжение волочения играет большую роль, определяя энергосиловые параметры процесса. Актуальным при этом является определение оптимальных технологических параметров, обеспечивающих минимальное значение напряжения волочения.

Известен способ волочения (см. а.с. СССР №1245375, кл. В21С 1/00, 1986), включающий предварительное формирование захватки с заостренным и коническим участками и последующее волочение через монолитную волоку. Перед волочением заостренную часть захватки вводят в волоку, наносят технологическую смазку, осуществляют захват заостренного конца изделия зажимом тянущего устройства и производят волочение.

В начальный момент волочения происходит деформирование конического участка захватки с переменной вытяжкой. При этом напряжение волочения изменяется до выхода на установившийся режим. Напряжение волочения может достигать критической величины, что приведет к обрыву изделия.

Недостатком известного способа 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 волочительного инструмента является одним из основных параметров, определяющих напряжение волочения и единичные обжатия при волочении.

Недостатком известного способа применительно к триметаллическим прутковым и проволочным изделиям является то, что он не учитывает в полной мере технологические параметры процесса волочения, в частности наличия трех металлов в триметаллической заготовке, сопротивление деформации компонентов триметаллической заготовки, особенности геометрии волочительного инструмента, в частности длины калибрующего пояска волоки, длины очага деформации при волочении, наличия противонатяжения при волочении.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является 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. Используют волоку, угол наклона образующей рабочего канала к оси волочения которой составляет

где - 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;

, , - относительные площади сечения каждого из слоев, составляющих триметаллическую заготовку;

f - коэффициент внешнего трения в очаге деформации при волочении;

σ_q - напряжение противонатяжения, МПа (патент РФ №2492011 от 10.09.2013). Данный способ принят в качестве прототипа.

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

Недостатком известного способа, принятого за прототип, является то, что он не учитывает особенности геометрии волочильного инструмента, в частности длины калибрующего пояска волоки, а также длины очага деформации при волочении.

Задачей изобретения является снижение энергоемкости процесса волочения за счет применения волоки с оптимальным углом наклона образующей рабочего канала к оси волочения, учитывающим длину калибрующего пояска и длину очага деформации.

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

где ƒ - коэффициент трения между наружной поверхностью триметаллической заготовки и рабочей поверхностью волоки;

- коэффициент вытяжки;

d₀, d₁ - диаметр триметаллической заготовки на входе в очаг деформации и выходе из него соответственно, мм;

- относительная длина калибрующей зоны волоки;

- длина калибрующей зоны, мм;

- длина очага деформации, мм;

σ₀ - напряжение противонатяжения при волочении, МПа;

σ_s1 ^_ сопротивление деформации материала наружной поверхности триметаллической оболочки, МПа;

σ_s2 - сопротивление деформации материала промежуточного слоя триметаллической заготовки, МПа;

σ_s3 - сопротивление деформации материала сердечника триметаллической заготовки, МПа;

F - общая площадь сечения триметаллической заготовки на выходе, мм²;

- относительная площадь сечения наружной поверхности триметаллической заготовки;

F_o6 - площадь сечения наружной поверхности триметаллической заготовки, мм².

Признаки предлагаемого способа, отличительные от прототипа - использование волоки, угол наклона образующей к оси волочения который определяется соотношением (1).

В реальных условиях общее напряжение волочения определяется суммой составляющих по формуле:

где σ_в - общее напряжение волочения триметаллической заготовки;

σ_об, σ_пр, σ_с - доли общего напряжения, соответствующие напряжениям волочения оболочки, промежуточного слоя и сердечника соответственно.

Определив по отдельности напряжения волочения для компонентов триметаллической заготовки, получили формулу для общего напряжения волочения триметаллической заготовки, с учетом наличия калибрующего пояска волоки:

где α_в - угол наклона образующей рабочего канала волоки к оси волочения;

Как следует из соотношения (3), напряжение волочения триметаллической заготовки зависит от тангенса угла наклона образующей рабочего канала волочильного инструмента к оси волочения tgα_в.

Напряжение волочения определяет полное усилие волочения:

Минимальное значение усилия волочения и снижение энергоемкости процесса волочения обеспечиваются снижением напряжения волочения до минимального значения, которое определяется из условия равенства нулю производной от напряжения волочения (3) по тангенсу угла наклона образующей рабочего канала волоки, а именно:

Продифференцировав соотношение (3) в соответствии с условием (5), после преобразований и упрощений получили оптимальное значение угла α_в:

Соотношение (1) обеспечивает уточненное значение напряжения волочения триметаллической заготовки и минимальную энергоемкость процесса волочения с учетом калибрующего пояска волоки. При снижении напряжения волочения появляется возможность повышения обжатий при волочении и снижение при этом кратности маршрутов волочения. Снижение напряжения волочения уменьшает вероятность обрыва переднего конца триметаллической заготовки, повышая тем самым качество протягиваемых изделий.

По формуле (1) заявленного способа выполнили уточненный расчет оптимального угла конусности волоки при производстве триметаллической заготовки сверхпроводникового изделия, состоящего из медной оболочки, промежуточного слоя из сверхпроводникового сплава ниобия и титана, медного сердечника. Для данных материалов σ_s1=σ_s3=300 МПа (Cu), σ_s2=600 МПа (сплав Nb-Ti). Относительные площади компонентов триметаллической сверхпроводниковой заготовки ; ; , коэффициент трения ƒ=0,1; λ=1,3, противонатяжение σ₀=0.

По формуле прототипа оптимальный угол составил α_в=4°. Для реализации значений выполнили расчеты оптимального угла волоки. При , при , при . Из результатов расчета следует существенное влияние длины калибрующего пояска волоки на величину оптимального угла.

Изобретение позволяет снизить энергоемкость процесса волочения за счет применения волоки с оптимальным углом наклона образующей рабочего канала к оси волочения, учитывающим наличие калибрующего пояска волоки.

Изобретение предназначено для производства триметаллических прутковых и проволочных изделий волочением. Способ включает предварительное формирование на изделии захватки с заостренным и коническим участками и последующее волочение через конический канал монолитной волоки. Используют волоку с заданным углом наклона образующей конического канала к оси волочения. Изобретение позволяет снизить энергоемкость процесса волочения за счет применения волоки с оптимальным углом наклона образующей рабочего канала к оси волочения.

Способ производства длинномерных триметаллических изделий, включающий 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 конического канала к оси волочения которой составляет:

где ƒ - коэффициент трения между наружной поверхностью триметаллической заготовки и рабочей поверхностью волоки;

- коэффициент вытяжки;

d₀, d₁ - диаметр триметаллической заготовки на входе в очаг деформации и выходе из него соответственно, мм;

- относительная длина калибрующей зоны волоки;

- длина калибрующей зоны, мм;

- длина очага деформации, мм;

σ₀ - напряжение противонатяжения при волочении, МПа;

σ_s1 - сопротивление деформации материала наружной поверхности триметаллической оболочки, МПа;

σ_s2 - сопротивление деформации материала промежуточного слоя триметаллической заготовки, МПа;

σ_s3 - сопротивление деформации материала сердечника триметаллической заготовки, МПа;

F - общая площадь сечения триметаллической заготовки на выходе, мм²;

- относительная площадь сечения наружной поверхности триметаллической заготовки;

F_o6 - площадь сечения наружной поверхности триметаллической заготовки, мм².