автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.23, диссертация на тему:Обеспечение качества дюбелей совершенствованием технологических переделов производства проволоки

КОНТРОЛЬНЫЙ ЭКЗЕМПЛЯР

На правах рукописи

СОКОЛОВ Алексей Александрович

ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ДЮБЕЛЕЙ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПЕРЕДЕЛОВ ПРОИЗВОДСТВА ПРОВОЛОКИ

Специальность 05.02.23 - Стандартизация и управление качеством продукции (металлургия)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Магнитогорск - 2005

Работа выполнена в Магнитогорском государственном техническом университете им. Г.И. Носова.

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Гун Геннадий Семенович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Шеркунов Виктор Георгиевич

кандидат технических наук Корнилов Владимир Леонидович

Ведущее предприятие ОАО «Уралкорд»,

(г. Магнитогорск)

Защита состоится 06 июля 2005 г. в 15.00 на заседании диссертационного совета К 212.111.03 при Магнитогорском государственном техническом университете им. Г.И. Носова по адресу: 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, МГТУ, малый актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова.

Автореферат разослан " 04 " июня 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

><Хд/иУ1

Михайловский И.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Машиностроение, транспорт, металлургия, строительство и другие отрасли народного хозяйства потребляют в большом количестве крепежные изделия. Учитывая, что выпуск крепежных изделий является массовым и крупнотоннажным, становится ясным, что его производство должно быть рациональным, обеспечивающим наименьшие затраты труда и материальных ценностей при высокой производительности процесса и высоком качестве изделий.

Применение крепежа повышенной прочности позволяет уменьшить количество устанавливаемых изделий, снизить металлоемкость сооружений, уменьшить трудозатраты при сборке и эксплуатации. Среди используемых современной промышленностью и строительством быстроустанавливаемых крепежных изделий особое место занимает применение таких крепежных изделий, как дюбель-гвоздь.

Из анализа результатов испытаний отечественного дюбеля установлено, что его качество несколько уступает зарубежным аналогам. Необходимо отметить, что для производства 100 креплений необходимо более 120 дюбелей, при условии, что все дюбели соответствуют нормативам ТУ. В реальных условиях из-за недостаточной пластичности и повышенной хрупкости дюбеля показатель незакрепившихся изделий превышает 30% и более. В связи с этим не вызывает сомнений необходимость разработки новой технологии для усовершенствования производства дюбеля. Разработка и внедрение в производство такой технологии позволит получать высококачественный дюбель для всех отраслей промышленности.

Данная работа стала победителем в конкурсе 2004 года на соискание грантов для поддержки научно-исследовательской работы аспирантов вузов Федерального агентства по образованию (г. Санкт-Петербург).

Цель работы состоит в достижении более высокого качества дюбелей совершенствованием технологии изготовления проволочной заготовки.

Указанная цель реализуется путем решения следующих задач:

- выбор качественных и количественных характеристик исходного сырья, обусловленных бездефектным состоянием поверхности и высокой пластичностью металла для обеспечения технологичности по всем переделам при производстве изделия;

- анализ технологических параметров производства, влияющих на качество готового изделия, и разработка усовершенствованной технологии получения высококачественных дюбелей.

• Научная новизна работы заключается в следующем:

- получены новые научные знания о связи геометрических параметров волочильного инструмента и качественных характеристик проволочной заготовки с учетом межпластиночного расстояния перлита в стали;

- разработаны регрессионные модели формирования механических свойств высококачественных дюбелей после изотермической закалки;

- найдены пороговые значения поврежденности для стали 70 с исходной структурой сорбита; первый порог соответствует образованию энергетически устойчивых деформационных дефектов (микропор), «залечивание» которых носит дискретный характер, а второй, обусловлен наличием крупных полостных дефектов металла, не залечивающихся при термообработке;

- выведена зависимость коэффициента вытяжки от количества переходов при волочении углеродистой проволоки, обеспечивающая равномерность деформации и улучшающая свойства проволочной заготовки.

Практическая значимость результатов исследования заключается в следующем:

- предложен новый эффективный способ многократного волочения углеродистой проволоки из сорбитизированной катанки для изготовления дюбелей повышенного качества с использованием волок с заданными геометрией канала и маршрутом волочения;

- разработана методика проведения испытания на угол изгиба дюбеля повышенного качества;

- экспериментально доказана возможность эффективного использования волок с заданными геометрией канала волочильного инструмента и маршрутом волочения, как управляющих факторов для повышения качества углеродистой проволоки по механическим свойствам;

- усовершенствована программа расчета накопления поврежденности «Про-гноз-С» за счет введения следующих элементов: структурного фактора стали, коэффициента текущей пластичности, геометрии канала волочильного инструмента.

Реализация результатов работы заключается в следующем:

- предложенный способ волочения с использованием волок с заданными геометрией канала и маршрутом волочения с уменьшающимися с каждым переходом единичными обжатиями успешно опробован в условиях холодно-прессового цеха №2 ОАО «Магнитогорский метизно-металлургический завод»;

- применение разработанного способа волочения углеродистой проволоки с учетом исходного структурного состояния стали позволило улучшить качество проволочной заготовки и за счет этого повысить показатели качества дюбелей по механическим свойствам: твердость и угол изгиба;

- разработанные технологические предложения по повышению качества углеродистой проволоки для изготовления высококачественных дюбелей оформлены нормативно-техническими документами в виде рекомендаций и дополнений к технологической инструкции и технологической карте по производству дюбелей в условиях ОАО «МММЗ»;

- разработаны и внедрены в учебный процесс МГТУ им. Г. И. Носова методические указания для студентов специальностей 072000 «Стандартизация и сертификация» и 110600 «Обработка металлов давлением» по оценке и ис-

пользованию влияния геометрических параметров волочильного инструмента и маршрута волочения на качество углеродистой проволоки.

Апробация работы: основные положения работы обсуждены на Международных научно-технических конференциях молодых специалистов, (г. Магнитогорск) 2003, 2004, 2005 гг.; конференциях аспирантов и соискателей МГТУ им. Г.И. Носова (г. Магнитогорск) 2003, 2004, 2005 гг.; научно-технических конференциях на ОАО «МММЗ», 2003, 2005 гг., Международных научно-технических конференциях «Фазовые и структурные превращения в сталях», (Кусимово) 2003, 2004 гг., Пятом международном конгрессе прокатчиков, (г. Череповец) 2003 г.

Публикации. Результаты диссертационной работы отражены в 11 публикациях; подана заявка № 2004134111/22 с приоритетом от 22.11.04 г. на полезную модель «Волока».

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения. Она содержит 174 с. машинописного текста, 47 рис., 39 табл., список литературы из 142 наименований и 4 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приведен анализ литературных и производственных данных о влиянии различных факторов при производстве крепежных изделий на качество изготавливаемой продукции, в частности на механические свойства дюбеля.

В настоящее время ОАО «Магнитогорский метизно-металлургический завод» производит дюбели-гвозди как для ручной забивки (по ТУ 14-4-184499), так и для забивки из поршневых монтажных пистолетов (по ТУ 14-41731-92) в строительные основания, такие как бетон, кирпич и т.д.

К дюбелям, кроме соответствия определенным геометрическим параметрам, указанным в ТУ, предъявляются жесткие требования по твердости (не менее 51,5 HRG,) и сохранению целостного состояния (без разрушения)

4

при ударе свободно падающей массы. Эти требования относятся к классу обычных дюбелей. Для получения дюбелей высококачественных необходимым критерием является испытание на угол загиба с нормативными характеристиками, заложенными в соответствующей документации.

Для выявления факторов, влияющих на качество готового изделия, была составлена причинно-следственная диаграмма, приведенная на рис.1. Из анализа диаграммы Исикавы следует, что наибольший вклад в формирование качества дюбеля вносят факторы: материалы (20%); технология волочения и термообработки (30%). Исследованию этих факторов, возможности их оценки и управления с целью улучшения качества готового изделия посвящены последующие главы работы.

Многоэтапность производства дюбелей (волочение горячекатаного подката, отжиг заготовки, калибровка, холодная высадка, формирование острия, окончательная термическая обработка, покрытие) требует тщательного соблюдения заложенных технологических параметров соответствующих операций. Каждая технологическая операция вносит свой специфический вклад в формирование качественных характеристик дюбеля.

• Таким образом, проанализированные данные позволили сделать выводы, что для улучшения качества крепежного изделия необходимо выбрать и обосновать алгоритм оценки качества готовой продукции, определить требования к исходному металлу, разработать рациональные технологические схемы изготовления, назначить систему технологических ограничений формирования качества изделий, разработать нормативно-техническую документацию для реализации технологии в производственных условиях и организовать промышленное производство дюбелей повышенного качества.

Во второй главе на основе статистических методов оценки влияния различных факторов процесса на качество дюбеля исследовано качество исходного сырья и технология изготовления этого крепежного изделия.

Для оценки качества дюбеля использовался экспертный метод, которым позволил определить наибольшую степень значимости показателей качества: химического состава стали, структуры и механических свойств исходной и передельной заготовки, а также структуры и механических свойств дюбеля после изотермической закалки, оказывающих влияние на твердость и угол изгиба дюбеля.

В связи с тем, что способность металла к пластическому деформированию определяется его структурой, прослежена динамика изменения структуры стали 70 в процессе ее формирования на каждом этапе производства дюбелей. Для исследования динамики изменения прочностных и пластических свойств проволоки в процессе деформации волочением с различным исходным структурным состоянием катанки был проведен ряд экспериментов.

Проведена статистическая обработка экспериментальных данных с целью получения зависимостей для построения диаграмм пластичности и кривых сопротивления деформации для катанки диаметром 6,5 мм из стали марки 70 с различным структурным состоянием, сформированным на прокатном переделе: ускоренно-охлажденная (сталь 70КК, ОАО «ММК») и сорбитизированная (сталь 70ВК, ОАО «ММК»).

Изучено влияние межпластиночного расстояния перлита в стали на качественные показатели проволоки по механическим свойствам. Катанка из стали марки 70 КК и 70 ВК подвергалась холодному волочению с частными обжатиями, не превышающими 20%. Волочение проводилось до предельной деформируемости. В качестве критерия предельной деформируемости служила трехкратная обрывность заправочного конца в волоке.

* В работе в качестве научного консультанта принимал участие Шубин Игорь Геннадьевич.

Материалы (20%)

Технич. контроль (15%)

Условия труда (10%)

качество транспортировки (5%)

соответствие сырья, материалов и передельной заготовки треб. НД (80%)

условия хранения сырья, материалов и передельной заготовки (15%)

организация работы ОТК (40%)

сменность (15%)

оперативность системность

средства контроля (60 %)

материальное и моральное

!

надежность метролог, достоверность обеспеч.'

культура производства (5%)

возраст волочильного стан; возраст колпаковой печи (40%

обслуживание (5%)

условия'эксплуатации (15%) ^

производительность стана (5%),

рабочее место (15%)

стимулирование (65%) Освещенность

т

шум

температура

дисциплина (40%)

технол. точность (35%) квалификация (60%)

средства измерения (5%К

защитный газ (2,5%)

знанне технологии

*Г

знанне опыт,; ТБ навыку

Оборудование (15%)

Труд исполнителей (10%)

соблюдение технологии (20%)

документация (12,5%)/

--и

волочильный _ / качество заготовки, поступающей с инструмент (25%) V предыдущих операций (35%)

Технология (30%)

Рис. 1. Причинно-следственная диаграмма (Исикавы) для выявления факторов, влияющих на качество дюбеля

В процессе волочения проводился отбор образцов по маршруту волочения. По результатам механических испытаний сделан следующий вывод о качестве заготовки, заключающийся в том, что с применением сорбитизиро-ванной катанки пластические свойства проволоки увеличиваются на 9-11%, прочностные- на 12-15%.

При анализе качества проволочной заготовки для дюбелей выявлено, что основной причиной отбраковки отожженной и калиброванной проволоки является несоответствие техническим требованиям трех параметров: диаметра проволоки временного сопротивления разрыву и относительного сужения

По результатам обработки статистических данных производства ОАО «МММЗ» за 2004 год была построена диаграмма Парето для отожженной и калиброванной проволоки, наглядно показывающая уровень забракованной продукции по каждому из трех параметров, определяющих качество проволочной заготовки при действующем производстве.

В третьей главе был исследован процесс формирования свойств металла при холодном пластическом деформировании волочением. Для оценки деформируемости металла и прогнозирования его разрушения при обработке давлением применили программу расчета поврежденности «Прогноз-С», разработанную на основе феноменологической теории разрушения учеными УГТУ-УПИ и скорректированную нами с учетом геометрического соодноше-ния параметров канала волоки, коэффициента текущей пластичности и структурного фактора стали.

Критерий поврежденности 03 определяли экспериментально, изучая

кинетику восстановления запаса пластичности стали 70 с исходной структурой сорбита. Изменение критерия осуществляли деформированием образцов

при растяжении до различных степеней деформации сдвига , после чего

все образцы подвергались восстановительной термообработке. Результаты экспериментов представлены на рис. 2, из которого видно, что остаточная поврежденность отсутствует, если СО перед отжигом была меньше значения

СО„ = 0,35-0,38 . Это говорит о том, что все дефекты, возникшие при деформации, залечиваются восстановительной термообработкой.

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Ш накопленная поврежденность

Рис. 2. Восстановление ресурса пластичности стали 70 с учетом исходной

структуры сорбита Пороговые значения поврежденности подтверждались измерением плотности соответствующих образцов методом гидростатического взвешивания. Таким образом, критерий микроразрушения О) для стали 70 с исходной структурой сорбита, при превышении которого в изделии возникают энергетически устойчивые микропоры и микротрещины, равен СО* =0,35-0,38. Второй характерный излом на кривой зависимости СОцст~ {СО) (рис. 3) для

стали 70 той же дисперсности структуры наблюдается при

0,65, что позволяет определить еще один критический интервал накопления

поврежденности, по достижению которого в готовом изделии остается определенное количество деформационных дефектов.

Взаимосвязь структурного фактора углеродистых сталей с ее пластичностью и деформируемостью при холодном волочении определялась из расчета коэффициента текущей пластичности

к

П1

-1е.

где - соответственно сопротивление разрушению и времен-

ное сопротивление разрыву образцов, испытанных на растяжение.

По результатам экспериментов с катанкой из стали 70 КК и 70 ВК, приведенных во второй главе, построена зависимость коэффициента текущей

пластичности проволоки от степени деформации (рис. 3).

Рис. 3. Зависимости коэффициента текущей пластичности проволоки от деформации при волочении для стали марки 70 с различным структурным состоянием

После анализа и обработки полученных данных были определены эмпирические зависимости функции К[ц - 1п// с учетом фактического содержания углерода в стали Сф .

Для ускоренно-охлажденной катанки:

Для сорбитизированной катанки:

Кроме того, сопоставление пиковых значений К щ и накопления по-

врежденности в зависимости от степени деформации позволило

подтвердить величину второго порога поврежденности для стали марки 70 со структурой сорбита, равную 0,65. Уточненное пороговое значение критерия микроповрежденности ¿у** было учтено в программе «ПРОГНОЗ-С» для анализа качества процесса волочения углеродистой проволоки.

Для улучшения качественных показателей проволочной заготовки были проведены эксперименты с использованием различных маршрутов волочения. Волоки для экспериментального маршрута волочения подбирались с коэффициентами вытяжки связанными с проходами при волочении

определенным соотношением:

ц = 0,0237и2 - 0,1852« +1,5112,

при этом численные предельные значения и Мтах ограничи-

ваются величинами соответственно 1,10 и 1,40.

С использованием этой программы была рассчитана величина повреж-денности проволочной заготовки из стали 70 со структурой сорбита, изготовленной по различным маршрутам волочения, в том числе и по экспериментальному маршруту. Анализ результатов расчета поврежденности показал, что наименьшей поврежденностью обладает проволока, изготовленная по маршруту с убывающими единичными обжатиями, рассчитанными по предложенной зависимости, величина которых по проходам составила: 6,5 ^ 5,6 т 5,05 ш 4,7. Использование данного маршрута волочения при производстве углеродистой проволоки для дюбелей позволило улучшить ее качественные показатели по пластическим свойствам, не снижая уровень прочностных свойств, за счет формирования равномерной структуры в процессе волочения, обеспечивающей минимальную склонность к трещинообразованию, что подтверждено результатами расчета поврежденности и механическими испытаниями проволочной заготовки.

В четвертой главе для изучения зависимости качественных показателей по механическим свойствам и структурного фактора проволоки из стали марки 70 при волочении от геометрических параметров волочильного инструмента, величины деформации и исходной структуры катанки был поставлен полный факторный эксперимент с равномерным дублированием опытов.

В качестве независимых переменных были выбраны: угол конусности волоки , длина калибрующего пояска и межпластиночное расстояние перлита в исходной структуре стали Д. Зависимыми переменными явля-

механические свойства проволоки (временное сопротивление разрыву условный предел текучести относительное сужение

относительное удлинение ). Локальную область определения факторов

установили из анализа действующего производства. Было решено варьировать каждый из этих факторов на двух уровнях.

Исходным сырьем для волочения служила катанка диам. 6,5 мм из стали марки 70 с различной дисперсностью структуры, характерной для ускоренно-охлажденной и сорбитизированной катанки. Волочение катанки осуществлялось на волочильном стане по маршруту волоче-

ния:

После каждого прохода производился отбор образцов проволоки с целью определения их механических свойств с учетом структурного фактора.

После реализации факторного эксперимента были получены следующие уравнения регрессии:

о-012 = 922,1625-П,2625а - 17,5625/г -47,7625 Д + 12,8625а - А +

у/ = 34,6625 + 0,825а +0,5875/г -2,1875 А -0,9125а -к 35с{= 11,55 + 0,925« +0,85/г -2,325 А -1,275а-к + 1,875/г • А

Таким образом, выявлено, что качественные показатели проволочной заготовки по механическим свойствам {Сц, Сд 2) зависят от межпластиночного расстояния перлита в структуре исходного материала; в меньшей степени оказывает влияние высота калибрующего пояска; еще менее ощутимо изменение угла конусности волоки и совместное влияние угла рабочей

зоны и высоты калибрующего пояска. Для пластических характеристик

и также можно отметить подавляющее влияние межпластиночного расстояния перлита на качество проволочной заготовки; несколько меньше влияние двойного взаимодействия между углом конусности волоки и высотой калибрующего пояска; еще менее выражен эффект от угла конусности волоки.

Из анализа результатов механических испытаний проволочной заготовки, а также проведенных замеров микротвердости по сечению проволоки следует, что с увеличением угла волоки и высоты калибрующего пояска относительная разница между рассчитанной величиной поврежденности в центре и на поверхности проволоки уменьшается, что свидетельствует о равномерности деформации по сечению проволоки и соответственно улучшении качества проволоки. Увеличение угла волоки при изготовлении проволоки с обжатиями, не превышающими (25-30%), способствует повышению пластических свойств проволочной заготовки на 9-17%; дальнейшее повышение величины обжатия проволоки приводит к резкому спаду пластических свойств и увеличению прочностных показателей. Переход высоты калибрующего пояска с меньшей величины на большую создает в металле благоприятные условия для увеличения пластических свойств проволоки на 1023%.

В результате анализа полученных экспериментальных данных при изготовлении волок для производства проволоки диаметром до 15,0 мм предложено использовать соотношение для рационального выбора геометрии канала волочильного инструмента, повышающее качество проволочной заготовки. В таких волоках рабочий канал включает входную зону, обжимную коническую и сопряженную с ней цилиндрическую калибрующую зоны, отличительной особенностью является то, что угол конусности обжимной зоны

и высота калибрующей зоны волоки связаны между собой соотношением:

a/h=-11,039 ln(rf) + 29,553,

где ОС - угол конусности обжимной зоны (10-12°);

- высота калибрующей зоны, мм;

d -диаметр готовой проволоки, мм (до 15,0мм).

Данная конструкция волок позволяет улучшать качество проволоки за счет: снижения неравномерности деформации, низкой склонности к трещи-нообразованию, повышения пластических свойств.

В пятой главе исследовано влияние режимов термической обработки на качественные показатели готового изделия по механическим свойствам с выявлением его структуры при соответствующей ему твердости и углу изгиба дюбеля.

Для этого был поставлен полный факторный эксперимент 24 с равномерным дублированием опытов. Заготовкой для изготовления дюбелей служила проволока диам. 4,5 мм из стали марки 70, изготовленная из сорбитизи-рованной катанки с применением в процессе волочения разработанных геометрических параметров волочильного инструмента и убывающего маршрута волочения. Структура дюбелей до закалки представляла собой 90%-й зернистый перлит. Нагрев и закалка изделия осуществлялись в лабораторных условиях, нагрев - в муфельной печи с окислительной атмосферой, закалка-в шахтной печи в расплавах солей (45%NaN03 и 55% KNOj).

В качестве независимых переменных были выбраны: температура

печи выдержка в печи выдержка в соляной ванне и температура соляной ванны Зависимыми переменными являлись механические свойства дюбеля (твердость и угол изгиба), а также его микроструктура после термической обработки. Интервалы варьирования факторов осуществлялись на основном, верхнем и нижнем уровнях.

Таким образом, после реализации факторного эксперимента 24 были получены следующие уравнения регрессии:

НКС = 50,26-0,76Т^- 1,07Гд-2,7ТВ-2,Ъ%Т ^ -тп-\,59Тп -Тп -Тв аизг = 44,17+24,97Тв +24,61 Тп ■Тп+2,2бТп -ТВ+2\,04ТП ■Тп -Тв

Из анализа регрессионных уравнений и построенных по ним диаграммам можно сделать следующие выводы: в большей степени воздействовать на угол изгиба и твердость дюбеля возможно изменением температуры соляной ванны, с уменьшением температуры твердость дюбелей увеличивается на 14-18%, а угол изгиба уменьшается на 60-72%; чуть меньше - при взаимодействии двух факторов: температуры печи и выдержки в печи. В частности, на твердость дюбеля, впрочем, как и на угол изгиба оказывают влияние еще ряд менее существенных факторов, таких как температура печи и тройное взаимодействие температуры печи, времени выдержки в печи и температуры соляной ванны.

Дальнейшим исследованиям подверглись дюбели, которые в результате такой термообработки приобрели различную твердость. Из отобранных дюбелей были изготовлены шлифы для металлографического исследования, а также фольги для электронно-микроскопического исследования. Электронно-микроскопические исследования были проведены на микроскопе ^М -200СХ при ускоряющем напряжении 160 кВ по методу просмотра тонких фольг на просвет.

По результатам исследования можно заключить, что структура дюбеля, обладающего повышенной твердостью, состоит из смеси нижнего бейнита (95%) и остаточного аустенита (5%). Напротив, структура дюбеля, имеющего низкую твердость, состоит из тонкопластинчатого перлита с небольшой долей верхнего бейнита - продуктов высокотемпературного распада переохлажденного аустенита. В то же время необходимо отметить, что структура нижнего бейнита, обеспечивающая необходимые прочностные свойства

(твердость), является наиболее подходящей для достижения пластических свойств (угол изгиба) дюбелей повышенного качества.

В шестой главе приведены результаты опытно-промышленной переработки подката диам. 6,5 мм из стали марки 70 с сорбитной структурой класса ВК в условиях холодно-прессового цеха №2 ОАО «МММЗ».

При проведении промышленных экспериментов были использованы технологические разработки, которые были раскрыты в третьей, четвертой и пятой главах, учитывающие выбор наилучшей исходной структуры катанки, использование геометрии волок с заданным соотношением угла рабочего конуса к высоте калибрующего пояска и рационального маршрута волочения, необходимых параметров изотермической закалки.

Таким образом, изготовленные дюбели были испытаны на угол изгиба при помощи специального приспособления, предназначенного для осуществления данного вида испытания по разработанной нами методике. Угол изгиба дюбелей по усредненной величине составил 40-50°, что для структуры нижнего бейнита (95%) и троостита (5%) является величиной оптимальной, максимально приближенной к требованиям по углу изгиба немецкого стандарта.

На этапе изготовления проволочной заготовки с учетом исходного структурного состояния осуществлена количественная оценка влияния геометрических и технологических факторов на достигнутые показатели качества проволоки: временное сопротивление разрыву и относительное сужение. Анализ диаграмм Парето после принятия корректирующих мер показал, что в сравнении с исходной диаграммой, построенной до корректировки технологического процесса производства проволоки, количество несоответствующей продукции по всем контролируемым параметрам в абсолютном значении уменьшилось на 83-88%, что свидетельствует о значительном повышении качества проволочной заготовки для изготовления высококачественных дюбелей.

Основные выводы по работе:

1. Проведена оценка влияния различных факторов процесса на качество дюбеля; построены диаграмма Исикавы и диаграмма Парето; установлены приоритетные показатели качества, которые отвечают соответствующим технологическим операциям, при помощи которых можно влиять на формирование свойств готового изделия.

2. На основе экспериментальных исследований получены эмпирические зависимости между геометрическими параметрами волочильного инструмента, структурным фактором стали и механическими свойствами проволочной заготовки для изготовления дюбелей повышенного качества.

3. В результате обработки статистических данных, полученных путем проведения планирования экспериментов, определена эмпирическая зависимость между механическими свойствами дюбеля (твердость, угол изгиба) и режимами изотермической закалки изделия в виде регрессионных уравнений.

4. Уточнены пороговые значения поврежденности углеродистой проволоки с учетом использования в качестве исходной заготовки сорбитизированной

катанки: СО *, равный 0,35-0,38 для случая термообработки, в результате которой ресурс пластичности стали восстанавливается частично, и соответствующий образованию крупных полостных дефектов, не способных к «залечиванию» при последующей термообработке.

5. Скорректирована программа расчета поврежденности углеродистой проволоки «Прогноз-С»: дополнительно введен структурный фактор стали, коэффициент текущей пластичности металла и отношение угла обжимной зоны к высоте калибрующего пояска.

6. Предложен способ многопроходного волочения углеродистой проволоки с использованием разработанной конструкции волок со следующим соотношением геометрических параметров волочильного инструмента

в зависимости от диаметра проволоки, а также в соответствии с разработанным маршрутом волочения, в котором коэффициенты вытяжки связаны с количеством проходов при волочении

отношением Предложенный способ

волочения позволяет повысить пластические свойства углеродистой проволоки за счет минимизации накопления деформационных дефектов и обеспечения более равномерной структуры по сечению проволоки.

7. Предложена усовершенствованная технология производства углеродистой проволоки из сорбитизированной катанки для изготовления высококачественных дюбелей с использованием волок с заданными геометрией канала и маршрутом волочения.

8. Разработанная технология успешно опробована в условиях ОАО «МММЗ» в холодно-прессовом цехе №2, ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов работы составляет 857 455 руб.

9. Разработаны нормативно-технические документы в виде рекомендаций и дополнений к технологической инструкции и технологической карте по производству дюбелей повышенного качества; разработана методика по определению угла изгиба дюбелей.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Веремеенко В.В., Соколов А.А., Большакова А.В. Влияние качества катанки на свойства готовой проволоки // Эффективные технологии производства метизов: Сб. науч. тр. / Под ред. Е.Н. Тефтелева. - Магнитогорск: МГТУ, 2001. С. 17-23.

2. Трефилов В.А., Соколов А.А., Гусева Е Н. Опыт применения подката из непрерывнолитых заготовок при изготовлении крепежных изделий // Эффективные технологии производства метизов: Сб. науч. тр.,/ Под ред. Е.Н. Тефтелева. - Магнитогорск: МГТУ, 2001. С. 12-17.

3. Соколов А.А., Артюхин В.И. Выбор материала и технологических параметров процесса производства проволоки для изготовления высококачественных дюбелей // Материалы докладов Международной научно-технической конференции молодых специалистов, инженеров и техников ОАО «ММК». - Магнитогорск, 2003. С. 189-190.

4. Изучение структурного состояния дюбелей после проведения изотермической закалки / А.А. Соколов, И.Г. Шубин, В.М. Счастливцев и др. // Современные технологии и материаловедение: Сб. науч. тр. / Под ред. Ю.А Баландина. - Магнитогорск: МГТУ, 2003. С. 234-243.

5. Соколов А.А., Артюхин В.И. Критерии выбора материала и технологических параметров процесса производства проволоки и изготовление из нее крепежных изделий // Фазовые и структурные превращения в сталях: Сб. науч. тр., вып. 3 / Под ред. В.Н. Урцева- Кусимово, 2003. С. 483-496.

6. Анализ влияния параметров калибрующего пояска на распределение продольных напряжений / И.Г. Шубин, К.М. Ибатуллина, В.П. Манин, А.А. Соколов, СВ. Адамчук, М.В. Зайцева // Математика. Приложение математики в экономических, технических и педагогических исследованиях: Сборник научных трудов / Под ред. М.В. Бушмановой. Магнитогорск: МГТУ, 2003. С. 220-226.

7. Шубин И.Г., Соколов А.А., Соколов А.А. Влияние предварительной деформации на механические свойства и структуру проволоки из углеродистых сталей после термической обработки //Моделирование и развитие технологических процессов: Сб. науч. тр. - Магнитогорск: МГТУ, 2004. С. 118-124.

8. Некоторые подходы к выбору материала и технологии изготовления проволоки под холодную высадку / Ал-р.А. Соколов, В.И. Артюхин, Г.С. Гун, Ал-й. А. Соколов // Труды пятого конгресса прокатчиков. М.: Черметин-формация. 2004. С. 450-452.

9. Гун ПС, Шубин И.Г., Соколов А.А. О выборе структурного состояния исходной заготовки для достижения повышенных свойств дюбеля // Материалы 63-й научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ за 2003-2004 гг.: Сб. докл. Т. 1. Магнитогорск: М ПТУ, 2004. С. 251.

10. Соколов А.А., Шубин И.Г., Соколов А.А. Влияние холодной деформации на структуру и свойства углеродистой проволоки после термической обработки // Материалы докладов Международной научно-технической конференции молодых специалистов ОАО «ММК». - Магнитогорск, 2004. С. 284-285.

11. Гун ПС, Шубин И.Г., Соколов А.А. и др. / Качество дюбеля и технология его производства // Вестник МГТУ, 2005. №1. С. 58-63.

Подписано в печать 02.06.05. Формат 60x84 1/16. Бумага тип.№ 1.

Плоская печать. Усл.печ.л.1,0. Тираж 100 экз. Заказ 423.

455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38 ^

Полиграфический участок МГТУ ^ \

¿чизшлад* | 4 1/17

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА ДЮБЕЛЕЙ.

1.1. Пути улучшения качества дюбелей.

1.2. Анализ методик оценки качества продукции.

1.3. Выбор и обоснование параметров состояния заготовки и технологии производства дюбелей.

1.3.1. Требования к исходному металлу для производства дюбелей.

1.3.2. Анализ технологических параметров производства проволочной заготовки для изготовления дюбелей.

1.3.3. Влияние однородности деформации при формировании свойств проволоки в процессе волочения.

1.3.4. Влияние суммарных и единичных обжатий на свойства проволоки

1.3.5. Формирование структуры при деформации волочением.

1.3.6. Формирование структуры стали после сфероидизирующего отжига.

1.3.7. Калибровка заготовки под холодную высадку.

1.3.8. Изготовление крепежных изделий холодной пластической деформацией.

1.3.9. Изотермическая закалка дюбелей.

1.4. Применение феноменологических подходов теории разрушения к процессу волочения.

1.5. Выводы и задачи исследования.

2. ОЦЕНКА ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ДЮБЕЛЕЙ СТАТИСТИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ.

2.1. Анализ качества дюбелей методом экспертных оценок.

2.2. Исследование влияния структурного состояния стали на качество проволоки при волочении.

2.3. Построение диаграммы Парето по количеству несоответствующей продукции действующего производства.

2.4. Выводы по главе.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ВОЛОЧЕНИЯ УГЛЕРОДИСТОЙ ПРОВОЛОКИ.

3.1. Оценка способности материала к волочению с учетом поврежденности стали.

3.2. Совершенствование программы расчета поврежденности «Прогноз-С» на основе феноменологической теории разрушения.

3.3. Исследование маршрутов волочения в зависимости от структурного состояния стали и поврежденности проволоки.

3.4. Выводы по главе.

4. ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ГЕОМЕТРИИ КАНАЛА ВОЛОЧИЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА НА СВОЙСТВА И СТРУКТУРУ ПРОВОЛОКИ.

4.1. Выбор варьируемых факторов и определение значений функций отклика.

4.2. Обработка экспериментальных данных механических испытаний проволоки.

4.3. Определение величины микротвердости по маршруту волочения.

4.4. Выводы по главе.

5. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ И СТРУКТУРЫ ДЮБЕЛЯ ПОСЛЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ.

5.1. Изучение влияния режимов термической обработки на механические свойства дюбеля.

5.2. Исследование структуры дюбелей после изотермической закалки.

5.3. Выводы по главе.

6. ВНЕДРЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРОВОЛОКИ ДЛЯ

ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫХ ДЮБЕЛЕЙ.

6.1. Разработка рекомендаций к волочильному инструменту для производства проволоки.

6.2. Разработка рекомендаций к маршруту волочения для производства проволоки.

6.3. Производственное апробирование результатов исследования.

6.4. Построение диаграммы Парето после совершенствования технологии производства проволоки.

6.5. Выводы по главе.

Крепежные изделия относятся к наиболее распространенным деталям машин и сооружений, потребность в которых составляет 1,2-1,5% от количества выплавляемой стали.

Машиностроение, транспорт, металлургия, строительство и другие отрасли народного хозяйства потребляют в очень большом количестве крепежные изделия. Учитывая, что выпуск крепежных изделий является массовым, крупнотоннажным, становится ясным, что его производство должно быть наиболее рациональным, обеспечивающим наименьшие затраты труда и материальных ценностей при высокой производительности и высоком качестве изделий.

Применение крепежа повышенной прочности позволяет уменьшить количество устанавливаемых изделий, снизить металлоемкость сооружений, уменьшить трудозатраты при сборке и эксплуатации. Среди используемых современной промышленностью и строительством быстроустанавливаемых крепежных изделий особое место занимает применение таких крепежных изделий, как дюбель-гвоздь.

Дюбели предназначены для крепления деталей, оборудования, изделий и материалов электротехнического, общестроительного, тепло- и гидроизоляционного назначения к кирпичным, бетонным, железобетонным и металлическим основаниям, конструкциям и элементам зданий и промышленных сооружений. В настоящее время дюбели получают широкое применение: в металлострои-тельстве - для скрепления металлических конструкций различного назначения взамен соединения их резьбовыми крепежными элементами, заклепками и электросваркой; в судостроении - для крепления плит покрытий в помещениях и отсеках судов к элементам корпуса; в металлургии - для пристрелки металлических заплат на ковшах, бирок к поверхности блюма и сляба, а также для крепления колосниковых решеток и сменной футеровки в изложницах и других металлургических устройствах и конструкциях [1-3], поэтому задача достижения гарантированных свойств изделия с повышенными механическими характеристиками актуальна и заслуживает серьезного внимания.

Увеличивающийся с каждым годом объем применения дюбельного соединения в строительных и монтажных работах объясняется высокой производи- • тельностью процесса и надежностью крепления деталей к строительным основаниям [4,5].

Одним из наиболее крупных производителей дюбелей-гвоздей является ОАО "Магнитогорский метизно-металлургический завод". В настоящее время завод производит дюбели-гвозди как для ручной забивки (по ТУ 14-4-1844-99), так и для забивки из поршневых монтажных пистолетов (по ТУ 14-4-1731-92) в строительные основания, такие как бетон, кирпич и т.д.

Из анализа результатов испытаний отечественного дюбеля установлено, что его качество несколько уступает зарубежным аналогам. Необходимо отме- • тить, что для производства 100 креплений необходимо более 120 дюбелей, при условии, что все дюбели соответствуют нормативам ТУ. В реальных условиях из-за недостаточной пластичности и повышенной хрупкости дюбеля показатель незакрепившихся изделий превышает 30% и более. В связи с этим не вызывает сомнений необходимость разработки новой технологии для усовершенствования производства дюбеля. Разработка и внедрение в производство новой усовершенствованной технологии позволит получать высококачественный дюбель для всех отраслей промышленности.

Высокое качество крепления деталей к строительным основаниям дюбелем • достигается тем, что он под действием энергии порохового заряда, действующего на поршень, внедряется в строительное основание, частично вытесняет его материал и уплотняет его вокруг себя, создавая при этом поля напряжений, определяющие несущую способность соединения. Кроме того, при забивании дюбеля в металлические конструкции возникают дополнительные силы сцепления, благодаря диффузионному схватыванию и привариванию его к металлу основания. Оптимальная глубина проникания дюбеля, обеспечивающая высокое качество соединения, для строительных оснований из бетона составляет 25

40 мм, а для металлических конструкций с временным сопротивлением ст^ около 500 Н/мм - 15-20 мм. Чтобы соответствовать этим требованиям, дюбели должны обладать высокой динамической прочностью, продольной устойчивостью, твердостью HR-Сэ 53-56 и высокой пластичностью и вязкостью, определяемыми углом их изгиба [1, 6, 7]. Из опыта производства монтажных работ дюбель должен без разрушения выдерживать изгиб на угол до 90°.

За рубежом ведущими производителями монтажных пистолетов и дюбелей ' являются фирмы: «Hilti» («Хилти»); «Ramset» («Рамзет»), США; «Speed-Matic» («Спид-Матик»), Франция; «Gunnebo Brucks» («Гуннебо Брукс»), Швеция; «Iwka» («Ивка»), ФРГ; «La chausse» («Ля шоссе»), Бельгия; «Electrochimica Bos-song» («Электрохимика Боссонг»), Италия; «Carl Bauer» («Карл Бауэр»), ФРГ и др. Эти фирмы выпускают дюбели - гвозди со стержнем диам. 3,4-4,5 мм и длиной 15-100 мм; дюбели-винты с резьбой М4 - М10 с длиной заостренного стержня, который внедряется в строительные основания на глубину от 15 до 50 мм [8].

К дюбелям, кроме соответствия определенных геометрических параметров, указанных в ТУ, предъявляются жесткие требования по твердости (не менее 51,5 HRC3) и сохранение целостного состояния (без разрушения) при ударе свободно падающей массы. Эти требования относятся к классу обычных дюбелей. Для получения дюбелей высококачественных необходимым критерием является испытание на угол загиба с нормативными характеристиками, заложенными в соответствующей документации. Угол загиба является переменным в зависимости от диаметра и длины готового изделия.

Крепежные изделия повышенной прочности (дюбели-гвозди, дюбели-винты) применяются для крепления деталей к бетонным основаниям и металлическим конструкциям при помощи монтажных пистолетов. Использование в промышленности и строительстве низколегированных и легированных сталей

•у больших толщин прочностью 450.510 Н/мм требует организации производства дюбелей с улучшенными эксплуатационными характеристиками [9], к которым относят продольную устойчивость, ударную прочность и проникающую способность при забивании.

Целью данной работы является получение высококачественных дюбелей путем совершенствования технологических параметров процесса волочения и геометрических параметров волочильного инструмента с учетом структурного фактора.

Для достижения этой цели поставлены и решены следующие задачи:

- анализ и выбор факторов, оказывающих наибольшее влияние на качество готовой продукции;

- выбор качественных и количественных характеристик исходного сырья для обеспечения технологичности по всем переделам при производстве изделия;

- анализ технологических параметров производства и разработка усовершенствованной технологии получения высококачественных дюбелей;

- создание нормативно-технической документации для обеспечения заданного качества дюбелей-гвоздей.

6.5. Выводы по главе

1. Разработана конструкция волоки с рациональным соотношением геометрических параметров волочильного инструмента. Выведена эмпирическая зависимость, позволяющая оптимизировать геометрию канала волочильного инструмента alh = -11,0391п(й?) + 29,553 в зависимости от диаметра проволоки.

Построена графическая зависимость отношения угла рабочего конуса волоки к высоте калибрующего пояска от диаметра проволоки.

2. Предложен новый способ многократного волочения углеродистой проволоки, суть которого заключается в выборе рациональных обжатий по проходам, причем коэффициенты вытяжки {л, связаны с проходами п при волочении 2 определенным соотношением: ju = 0,0237л - 0,1852л +1,5112.

3. Технология производства высококачественных дюбелей была успешно апробирована на ОАО «МММЗ» в холодно-прессовом цехе №2. В результате чего были выданы следующие рекомендации:

3.1. Для изготовления дюбелей повышенного качества в качестве исходного сырья использовать сорбитизированную катанку диам. 6,5 мм класса «ВК» из стали марки 70.

3.2. Для волочения углеродистой проволоки диаметром до 15 мм использовать волоки с заданным в работе соотношением геометрических параметров канала волочильного инструмента и в соответствии с разработанным маршрутом волочения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основе известных методов оценки влияния различных факторов процесса на качество дюбеля установлены приоритетные показатели, которые отвечают соответствующим технологическим операциям, при помощи которых можно влиять на формирование свойств готового изделия.

2. На основе экспериментальных исследований получены эмпирические зависимости между геометрическими параметрами волочильного инструмента, структурным фактором и механическими свойствами проволочной заготовки для изготовления дюбелей повышенного качества.

3. На базе экспериментальных исследований получена эмпирическая зависимость между механическими свойствами дюбеля (твердость, угол изгиба) и режимами изотермической закалки изделия в виде регрессионных уравнений.

4. Найдены пороговые значения поврежденности углеродистой проволоки с учетом использования в качестве исходной заготовки сорбитизированной катанки равные 0,35-0,38 для случая термообработки, в результате которой ресурс пластичности восстанавливается частично, и 0,62-0,65, соответствующий образованию крупных полостных дефектов не способных к «залечиванию» при последующей термообработке.

5. Усовершенствована программа расчета поврежденности углеродистой проволоки «Прогноз-С» за счет введения дополнительных элементов: структурного фактора стали, коэффициента текущей пластичности металла и отношения угла обжимной зоны к высоте калибрующего пояска.

6. Предложен способ многопроходного волочения углеродистой проволоки с использованием разработанной конструкции волок со следующим соотношением геометрических параметров волочильного инструмента alh = -11,0391п(й?) +29,553 в зависимости от диаметра проволоки, а также в соответствии с разработанным маршрутом волочения, в котором коэффициенты вытяжки связаны с количеством походов при волочении отношением л = 0,0237я — 0,1852« +1,5112. Данный способ волочения позволит повысить пластические свойства углеродистой проволоки за счет минимизации накопления деформационных дефектов и обеспечения более равномерной структуры по сечению проволоки.

7. Разработанная промышленная технология производства углеродистой проволоки из сорбитизированной катанки для изготовления высококачественных дюбелей с использованием волок с заданной геометрией канала и маршрута волочения успешно опробована в условиях ОАО «МММЗ» в холодно-прессовом цехе №2, что подтверждено нормативными и техническими документами в виде изменений и рекомендаций к технологической инструкции по производству дюбелей повышенного качества.

1. Bauer К.О. Bolzensetzverfahren sicher und schnell "Erweiterter Sonderdruck aus" Industirie Anzeiger" Ausgaben № 9, 10 und 11 - Wuppertal - 1978. - 14c.

2. Отечественный и зарубежный опыт применения нагельного соединения в строительстве./ Е.С. Марков, Ю.А. Жариков, В.В. Малов и др. / ЦБНТИ Минмонтажспецстрой: Обзорная информация. Сер. Монтажные работы. -М. 1980-вып. 7-60с.

3. Hilti Technick. Welterfolg bahn brechen Problem Losung /Каталог "Хилти АГ": шифр Ф № 9735-70-2; Фк № 1127-72 // М.: ГПНТБ. Фонд промышленных каталогов. 1972.

4. Illgner К.Н. Qualitats und Kostenvorteile mit Zwischen - stufenvergutungsanla-gen im Vergleich zu normalen Vergutungsanlagen Sonderdruck aus Fachberichte Huttenpraxis: Metall weiter verarbeitung Heft-Aichelin, 1979 -№: 4 (79) - 15S.

5. Дюбели фирмы "Електрохимика Боссонг". Каталог фирмы, 1980.

6. Технология и оборудование для производства дюбелей / Ю.А. Афанасьев, Р.К. Ведерников, Б.М. Ригмант, Н.Н. Евдокимова. М.: 1987 (Обзорная информация / ин-т "Черметинформация ", сер. Метизное производство, вып.2,28 е.).

7. Лякишев И.П., Тулин И.А., Плинер H.JI. Легирующие сплавы и стали с ниобием. М.: Металлургия, 1981.

8. Рашников В.Ф., Салганик В.М., Шемшурова Н.Г. Квалиметрия и управление качеством продукции: Учеб. пособие. Магнитогорск: МГТУ им. Г.И. Носова, 2000.-184 с.

9. Повышение качества высокопрочных дюбелей для крепления металлических конструкций / Ю.А. Афанасьев, Б.М. Ригмант и др. Сталь, 1986, № 5, с. 6768.

10. Сравнительное исследование уровня и стабильности механических свойств и технологичности ускоренно и обычно охлажденной низкоуглеродистой и канатной катанки производства ММК. Часть 2. Отчет НИИметиз. Магнитогорск. 1974.

11. Новые технологические процессы и оборудование в метизном производстве. Павлов A.M., Анашкин А.В., Аркулис Г.Э. и др. Тематический сборник научных трудов, г. Москва, 1986. 86с.

12. Производство метизов. Шахпазов Х.С., Недовизий И.Н., Ориничев В.И., М., «Металлургия», 1977. 392с.

13. Изготовление высококачественных метизов. Кулеша В.А., Клековкина Н.А., Белалов Х.Н. и др. Коллективная монография, г. Белорецк, 1999. 328с.

14. Технический прогресс в метизном производстве. Недовизий И.Н., Аркулис Г.Э., Бараз Р.Б. и др. Тематический отраслевой сборник № 1, г. Москва, • 1978.95с.

15. Herstellung von Stahldraht, Teil 1, Dusseldorf, 1969. S. 175-225.

16. Stahldraht, Herstellung und Anwendung, Leipzig, 1973, S. 83-98.

17. Steininger Z. Ciagnienie drutow stalowych Katowice Slansk, 1975, S. 71-100.

18. Булат С.И., Тихонов A.C., Дубровин A.K. Деформируемость структурно неоднородных сталей и сплавов. М.: Металлургия, 1975. -352с.

19. Белалов Х.Н., Савельев Е.В. Упрочнение стальной проволоки при волочении // Моделирование и развитие процессов В ОМД. Сб. науч. тр. Магнитогорск: МГМА, 1998.

20. Бэкофен В. Процессы деформации: Пер. с англ. М.: Металлургия, 1977. -288с.

21. Параметр формы зоны деформации при волочении проволоки / В.А. Харитонов, JI.B. Радионова, Т.Р. Исмагилов, В.И. Зюзин // Вопросы прикладной « химии: Сб. науч. тр. Магнитогорск: МГТУ, 1999. - 158-164.

22. Туленков К.И., Гайдученко Б.И. Влияние остаточных напряжений на работоспособность канатов. Сталь, 1964, №3.

23. Брабец В.И. Проволока из тяжелых цветных металлов и сплавов: Справ, изд. М.: Металлургия, 1984. - 296с.

24. Красильников Л.А., Красильников С.А. Волочильщик проволоки М., Металлургия, 1977,240с.

25. Волочильщик метизных цехов. Красильников Л.А., Изд-во «Металлургия», 1968. 284с.

26. Технология производства хлопкоувязочной проволоки с регламентированным уровнем механических свойств / JI.M. Капустина, В.А. Трусов, О.В. Урусова и др. // Сталь. 1996. - №3. - с. 46-49.32.