автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Разработка и исследование технологии волочения катанки с совмещенными операциями деформирования и удаления окалины



г г * '

¡.'П'!''!»'; '■'* К ! > 1 ' П '-•>"■> "С V» Т1 П ТК

.О- о

На правах рукописи

ПОЛЯКОВА МАРИНА АНДРЕЕВНА

РАЗРАБОТКА- И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВОЛОЧЕНИЯ КАТАНКИ С СОВМЕЩЕННЫМИ ОПЕРАЦИЯМИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ И УДАЛЕНИЯ ОКАЛИНЫ

05.16.05 - Обработо ¡,:зтс лясз давлением

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Магнитогорск -1998

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

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

БахматовЮ.Ф.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Пименов А.Ф. кандидат технических наук Коломиец Б А

Ведущее предприятие: ОАО "Магнитогорский калибровочный зпвод", г. Магнитогорск

Защита состоится " 3 * декабря 1998 г. в 1500 часов на заседании диссертационного совета Д063.04.01 в Магнитогорском государственном техническом университете им. Г.И.Носова по адресу: 455000, г.Магнигогорск, пр. Ленина, 38, Магнитогорск*"} государственный технический университет им. Г.И.Носова, малый актовый зал

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

Автореферат разослан * 03 " - ноября_1998 г.

Ученый секретарь ()

диссертационного совета Д063.04.01 '¿с$ Селиванов В.Н.

♦ - , / / ^ —^

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. На метизных заводах, перерабатывающих катанку, существует проблема удаления окалины, которая образовалась на ее поверхности поста горячей обработки. Химические методы удаления окалины оказывают вредное воздействие на здоровье обслуживающего персонала и окружающую среду. Для нейтрализации травильных растворов требуются значительные капиталовложения. Поэтому актуальным является замена химических методов на механические методы удаления окалины.

Одним из перспективных направлений создания новых технологических процессов является совмещение отдельных операций. Совмещение операций может осуществляться путем их последовательного выполнения в линии. Этот путь предполагает создание сложного оборудования, что не всегда технологически и экономически оправдано.

Другим направлением является конструирование технологических процессов ка основе системного подхода. При этом анализируются веще ственные, энергетические и информационные потоки отдельных технологических операций, которые могут быть использованы как ресурсы при проведении других операций. Так, для осуществления операции волочения катанки необходимо создать в очаге деформации поле напряжений. С другой стороны, для удаления окалины механическим способом также необходимо иметь поле напряжений, под действием которого окалина будет откалываться от поверхности металла. В данной работе сделана попытка использования поля напряжений операции волочения для разрушения и отделения слоя окалины с поверхности катанки.

Целью данных исследований является разработка нового технологического процесса с совмещенными операциями удаления окалины и волочения с использованием энергии пластической деформации для разруше-

ния окалины. Для достижения данной цели необходимо решение следующих задач: разработка технологического процесса с совмещенными операциями удаления окалины и волочения на основе современных подходов конструирования; разработка технических устройств для реализации данного технологического процесса; исследование поведения порошкового , разделительного слоя при волочении катанки; экспериментально-аналитическое исследование параметров волочения в порошковой среде.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- сформулированы особенности деформационного механизма при волочении катанки без предварительного удаления окалины в порошковой ферромагнитной среде;

- разработана методика расчета деформационных показателей технологического процесса с совмещенными операциями с учетом особенностей волочения катанки в порошковой ферромагнитной среде;

- разработан критерий, позволяющий оценить границы очага деформации при волочении катанки без предварительного удаления окалины в порошковой ферромагнитной среде. В качестве такого критерия предлагается использовать волновое сопротивление деформируемых сред.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработаны:

- технология с совмещенными операциями удаления окалины и волочения, позволяющая получать проволоку с удовлетворительными характеристиками;

- устройство для реализации данного процесса;

- ряд устройств для осуществления операции доочистки.

Внедрение результатов работы. Предварительные результаты работы были опробованы на ОАО "Ревдинский метизно-металлургический завод" (г.Ревда). Было создано опытно-промышленное устройство для производства проволоки по разработанному процессу, которое прошло промышленные испытания.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на: Межгосударственной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития научно-технического потенциала Южно-Уральского региона" (г.Мэгнитогорск,1994); Всероссийской научно-технической конференции "Прогрессивные технологии обработки металлов давлением в машиностроении" (г.Иркутск, 1996).

Публикации. По теме диссертации имеется 11 публикаций.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 117 страницах машинописного текста, содержит 34 рисунка, 8 таблиц; состоит из введения, 4 глзв, заключения, списка использованных источников из 100 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В глава 1 преходится анализ различных путей совмещения технологических операций: их последовательным осуществлением и на основе системного анализа. Указывается, что перзый путь совмещения предполагает четкое согпасозание скоростей обработки материала на отдельных операциях, требует создания сложного оборудования. Используя же основные приемы системного анализа, можно в значительной степени упрощать конструирование технологических процессов. Модели процессов, полученные с его применением, хорошо согласуются с реальными процессами. Этот подход позволяет прогнозировать развитие того или иного технического направления.

Проводится анализ основных методов удаления окалины, образующейся при сстыпании металла, отмечаются их основные ограничения. Указывается, что а настоящее время существует тенденция по замене химических методов удаления окалины механическими. Кроме того, скоростные

показатели механических способов удаления окалины позволяют использовать их в технологических процессах с совмещенными операциями.

Для обеспечения стабильного течения процесса волочения необходимо разделять поверхности инструмента и обрабатываемого металла. На практике это осуществляется применением различных смазочных материалов. В работе рассматриваются основные типы смазок, их свойства, проведен анализ основных способов подачи смазки в волоку. Поскольку смазка в очаге деформации должна, с одной стороны, разделять поверхности инструмента и катанки, а с другой - снижать коэффициент трения, то при использовании жидких смазок они должны обладать достаточно высокой вязкостью. В настоящее время разработаны теоретические методы расчета параметров процесса нагнетания жидких смазок, в которых принято условия постоянства плотности вещества смазки. В случае использования порошкового вещества для разделения поверхностей необходимо определение реологической модели среды, так как при этом необходимо учитывать изменение его плотности при приложении внешней нагрузки. Выявлено, что существующие математические модели справедливы для описания поведения относительно больших объемов порошковых материалов при относительно больших деформациях. При волочении с порошковыми смазками в волоке находится небольшое ее количество. Однако, давление, оказываемое как со стороны инструмента, так я со стороны катанки, достигает значительных величин. Поэтому требуется поиск новых критериев, позволяющих с достаточной точностью прогнозировать изменение свойств порошковой смазки вдоль канала волоки.

Во второй главе представлено использование основных принципов системного подхода для конструирования технологического процесса с совмещенными операциями удаления окалины и волочения. Прг.чем основным условием их совмещения является одновременное выполнение этих операций в одном месте пространства. Отмечается, что существую-

щи8 способы удаления окалины нацелены либо на разрушение всего объема окалины, либо на ее преобразование в другое вещество, что требует значительных энергетических и материальных затрат. В то же время энергетически более выгодно разрушить связь только прилегающего к основному металлу слоя окалины. Это приведет к отделению всей окалины от основы. Определена возможность использования силового поля, описываемого напряженным состоянием металла в очаге деформации, для разрушения связи окалины с металлом.

При разрушении слоя окалины она дробится на блоки, которые оказывают абразивное воздействие на инструмент и могут привести к прерыванию процесса волочения. Поэтому для разделения поверхностей о работе предлагается использовать порошковое вощество. В результате анализа веществ, иг/еющихся в технологическом процессе, в качестве материала разделительного слоя выОрзнз окалина. Причем для операции удаления окалины это вещсстзо является отходным, так как на этой опэрации она нигде но используется, а идет кз дальнейшую утилизацию. Для уменьшения ез абразизнсго влияния в данной работе предлагается создать достаточно широкий зазор ме':ду инструментом и катанкой. Тогда скорость течения смазки будет !!меть нулееое значение по отношению к поверхности инструмента (рис. 1)..

Для разномерной подачи порошковой окалины в очзг деформации необходимо обеспечить связи как между отдельными ее частицами, так и между окалиной разделительного слоя и катанкой. Для обеспечения этих связей используется магнитное поле.

На рис. 2 представлена схема протекания процесса. В ходе данного процесса катанка с окалиной поступает в волоку, захватывая из мыльницы волочильной стана под действием магнитного поля порошковую окалину разделительного слоя. При растяжении хата^. :1 окалина, находящаяся на ее поверхности, вследствие своей хрупкости дробится на блоки. В про-

,У

У

Ь,

У/////У

—"X 2 V-)-

У=0

/71Х///1

а

2 V-*

Рис.1. Эпюра скоростей течения вещества промежуточного слоя при различной его толщине :

а - по В.Л.Колмогорову

б - в разрабатываемом процессе

1 - инструмент;

2 - катанка

V - скорость движения; И - величина зазора < И2)

межутки между блоками проникает порошковая окалина разделительного слоя, которая усредняет давление между инструментом и катанкой. Это не позволяет блокам внедряться в поверхность металла, а с другой стороны -не оказывает абразивного влияния на инструмент. По мара продвижения вдоль канала волоки катанка уменьшает свой начальный диаметр. Таким образом, в очаге деформации одновременно осуществляется и опеоация удаления окалины, и волочение.

После выхода из очага деформации на проволоке остается слой напрессованной окалины, который связан с ней механически. Этот слой необходимо удалить, т. е. в технологический процесс необходимо свести операцию ДС1ЧИСТКИ. В работе предлагается несколько вариантов операции до-очистки (магнитно-абразивная, трением рабочих элементов, растяжением с изгибом на ролике), описываются принципы их работы, представлены чертежи

Рис.2. Схема протекания совмещенного процесса "удаление окалины -волочение":

1 - проволока; 3 - волоха;

2 - источник магнитного поля; 4 - корпус

В третьей главе приводится теоретическое исследование поведения порошкового разделительного слоя в волоке. Поведение композиции "окалина разделительного слоя - окалина поверхностного слоя - катанка" в очаге деформации предлагается описывать с позиции теории совместной пластической деформации разных металлов (СПДРМ), разработанной Г.Э.Аркулисом. Согласно данной теории при деформировании твердого (Т) и мягкого (М) металлов их совместная деформация начнется при условии равенства их пределов текучести. В проектируемом процессе деформирование композиции сначала будет протекать по схеме М - Т - М, где мягкой (М) составляющей будет уплотняющаяся окалина разделительного слоя в замкнутом объеме, а твердой (Т) - катанка со слоем прокатной окалины. В момент, когда начнет деформироваться катанка, схема изменится на Т - М -Т. Здесь твердой составляющей (Т) будет достаточно плотный слой окалины, а мягкой (М) - катанка.

В данной работе очаг деформации представлен состоящим из трех зон (рис. 3):

I - зона избирательной деформации, в которой происходит изменение плотности порошковой окалины разделительного слоя за счет перегруппировки ее частиц;

II - зона деформирования уплотняющейся порошковой окалины, где увеличение ее плотности происходит вследствие достижения максимально плотной упаковки частиц. Поведение порошковой среды в данных условиях адекватно описывает реологическая модель Шведооз-Бингама, которую можно представить в виде параллельного соединения вязкого и пластического элементов;

III - зона пластического деформирования материала катанки.

Передача энергии деформирования через окалину разделительного

слоя начнется, когда ее плотность достигнет определенного значения. Плотность порошкового материала в любой точке конического очага де-

У

Рис.3. Схема очага деформации при совмещении операций удаления окалины и волочения:

1 -волока;

2 - катанка;

3 - елей окалины, находящийся на поверхности катанки;

4 - окалина разделительного слоя;

5 - нспрессозанный слой окалины;

6 - проволока

формации предлагается оценивать через другие характеристики, связанные с ней определенными соотношениями, например, коэффициент Пуассона, модуль Юнга. В свою очередь эти характеристики легко определить по скорости прохождения звука в материале.

В соответствии с законом отражения волн при прохождении звуковой волны через границу раздела двух фаз, обладающих различными плотностями и скоростями прохождения звука, условием отсутствия отражения является равенство акустических сопротивлений сред:

Р1С1 = р2С2 , (1)

где р(, р2 - плотности первого и второго материалов соответственно;

С1, С2 - скорости прохождения звука в первом и втором материалах соответственно.

В данной работе это соотношение предлагается использовать в качестве критерия, определяющего начало процесса совместной деформации разных материалов: слоя окалины и катанки.

Для определения знерго-силовых параметров проектируемого процесса в работе процесс волочения композиции рассматривается как волочение трубы на подвижной деформируемой оправке. Слои окалины считается трубой, а катанка - оправкой. Используя известные выражения И.Л.Перлина и С.И.Губкина в принятых ими обозначениях для определения напряжений волочения стержня и трубы, а также выражение А.В.Степаненко , описывающее поведение порошкового материала в коническом очаге деформации, получено аналитическое выражение для определения общего усилия волочения композиции:

-Л

Р ст«.+°.

вол >

18

1+-

1-

\

\

а,

2р* п( , tga

+ 1,15

а, +1

(1,1 1 +

s

] — (-is-),Ea S/

+

а,

D/

где ство, сгв - предел прочности металла на входе и выходе из очага деформации соответственно; dH, dk - начальный и конечный диаметр сплошного профиля соответственно; a - полуугол волоки; ц-коэффициент трения; Dh.D,- начальный и конечный наружный диаметр трубы; Ри - плотность компактного материала трубы;

cos a '

= 1

d k

+ t„ + t,.

(3)

a' - приведенный полуугол волоки; dH, dK- начальный и конечный внутренний диаметр трубы соот взтственно;

t„ Л - начальная и конечная толщина стенки трубы соответственно;

S„, Sk - начальная и конечная площадь поперечного сечения трубы соответственно

Поскольку порой ;овзп окалина является твердым неупрочняющимся материалом, то для определения напряжения волочения предлагается использовать уравнение, описывающее поведение данного материала при приложение внешней нагрузки. Данное уравнение получено в результате математической обработки экспериментальных данных.

ат гр = 54,75 р2 - 6,45 р + 98,75, (4)

где Стттр-закон упрочнения материала трубы;

Р - плотность окалины в очаге деформации. Тогда напряжение волочения трубы артр из порошковой окалины запишется так:

- и.ч-^ р т 170, I О) л

л

артр= (54,75р2 - 6,45 р + 98,75) х

Г

/

и

1+

V

А2Цу

А2ц

1-е»

+Ц5Ь+1

а,

. V

с

V

(5)

У

В четвертой главе приводятся результаты исследований механических свойств проволоки, полученной в ходе сконструированного технологического процесса. Исследования показали, что количество остаточной окалины на ее поверхности не ухудшает характеристик полученной проволоки и не оказывает влияние при ее последующей переработке.

В работе приводятся результаты исследований возможности управления процессом. Определено, что основным управляющим фактором является энергия магнитного поля (рис.4). Результаты исследований показывают, что изменяя параметры источника магнитного поля, можно в значительной степени изменять количество вносимой в очаг деформации окалины разделительного слоя. Это будет влиять на силовое поле, создаваемое в очаге деформации. При увеличении напряженности магнитного поля количество вносимой окалины будет больше, при этом толщина разделительного слоя окалины в очаге деформации увеличится. Это приведет к увеличению давления на катанку, т.е. уменьшение ее диаметра начнет протекать интенсивнее (рис. 5).

Следовательно, изменяя энергию магнитного поля, можно управлять процессом деформирования катанки, и даже в одной волоке изменять диаметр проволоки в пределах 0,05 мм (см рис. 5).

ч

= 13

и У

о с; о

«э

о 11

га с!

12 24 33 -18 Энергия магнитного поля, кДж

Рис. 4. Зависимость диаметра оболочки окалины перед очагом деформации от энергии магнитного поля: -х- - окалина; -о- - окалина + 5 об.% Ыа мыла

5,75

5,7

о о. с о.

5,65

5,6

8

9

10

11

Диаметр оболочки окалины

12 мм

Рис.5. Засисимось диаметра проволоки после совмещенного процесса от диаметра оболочки окалины: -о- - окалина + 5с5.% № мыла; -х- - окалина

С другой стороны, при износе волоки давление со стороны инструмента уменьшится. Это приведет к увеличению диаметра проволоки на выходе из волоки. Износ инструмента можно также компенсировать увеличением подачи окалины разделительного слоя в очаг деформации за счет увеличения напряженности магнитного поля. Проведенные исследования показали, что таким образом можно компенсировать износ инструмента порядка 0,1 - 0,2 мм.

Проведен анализ свойств полученной проволоки с использованием методик планирования эксперимента. В качестве параметров оптимизации были выбраны величина остаточной окалины и шероховатость поверхности проволоки, которые в значительной степени будут определять эффективность дальнейшей переработки проволоки. После расчета быт; получены следующие уравнения:

Яа = 4,715 + 4{к - 0,18} + 15,5(е - 0,18) (т - 0,3) - 12(с - 0,18)0 - 0,4)+ +106,9(е - 0,18) (т - 0,3) 0,4); (6)

О = 0,57 - 3,025(с - 0,18) +0,23(т - 0,3) - 3,625(с - 0,18) (т - 0,3) -

- 1,225(01-0,3) (Г-0,4), (7)

где Иа - шероховатость поверхности проволоки;

О - количество остаточной окалины на поверхности проволоки; с - величина относительного обжатия в волоке; т - количество мыла в окалине разделительного слоя; f - фракция окалины разделительного слоя. Определено, что выбранные параметры оптимизации существенно зависят от технологических режимов проектируемого процесса, а частности, в значительной степени от величины степени деформации в очаге деформации.

Основные технологические режимы процесса: диаметр горячекатаной заготовки, мм 6,5 ± 0,5

начальная фракция порошка магнитной прокатной окалины,

используемой в качестве смазки, мкм количество № мыла в окалине разделительного слоя, об.% линейная скорость протяжки первого барабана волочильного стана, м/мин

величина единичного обжатия, %

250 - 300

50-150

15-20

5-20

Данный технологический процесс рекомендуется использовать в линии грубого волочения. Техническое устройство для реализации данного процесса достаточно компактно и встраивается в мыльницу первого блока волочильного стана.

1. Системный анализ операций технологического процесса производства проволоки позволяет определить их оперативное время, ресурсные вещества, энергетические, вещественные и информационные потоки с целью возможности их одновременного осуществления в одном месте пространства. Это позволяет установить возможность совмещения операций удаления окалины и волочения в одной оперативной зоне, которой является очаг деформации. В качестве источника энергии для операции удаления окалины можно использовать ресурс операции волочения - энергию пластической деформации.

2. Для разделения поверхностей инструмента и катанки можно использовать ресурсное вещество операции удаления окалины - окалину. Для устранения абразивного влияния окалины разделительного слоя на инструмент необходимо обеспечить широкий зазор между ними.

3. Пластическая деформация катанки в очаге деформации начинается после достижения окалиной разделительного слоя некоторой плотности, т.е. реальный очаг деформации катанки с порошковым разделительным слоем короче геометрического очага деформации. Процесс деформирова-

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

ния можно описать с точки зрения теории совместной пластической деформации разнородных материалов. Для оценки энерго-силовых параметров разработанного процесса используется модель волочения трубы на подвижной деформируемой оправке. Предлагаемая формула позволяет с достаточной точностью оценить необходимое усилие волочения.

4. Разработан технологический процесс с совмещенными операция- ми удаления окалины и волочения, а также техническое устройство для его

реализации. Это устройство устанавливается в линии волочения вместо первого блока волочильного стана.

5. Проволока, полученная по разработанной технологии, обладает хорошими прочностными и пластическими свойствами. Микрогеометрия поверхности полученной проволоки обеспечивает хороший захват смазки на дальнейших переделах без дополнительного нанесения подсмазочного слоя.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

1. Конструирование совмещенных процессов в метизном производстве. Бахматов Ю.Ф., Носков Е.П., Голубчик Э.М., Хайкин С.Н., Полякова М.А. - Москва, 1994. - 92 с.

2. Конструирование технологии с совмещенными операциями волочения и удаления окалины I Бахматов Ю.Ф., Хайкин С.Н., Голубчик Э.М., Носков Е.П., Полякова М.А. //Обработка сплошных и слоистых материалов: Межвуз.сб.науч.тр. - Магнитогорск, 1994. -С.65-69.

3. Бахматов Ю.Ф., Полякова М.А. Моделирование течения порошкового разделительного слоя при вопочении. - Магнитогорск, 1995. - 6 С. - деп. в ВИНИТИ.

4. Исследование микрогеометрии катанки после удаления ока! ны / Бахматов Ю.Ф., Носков Е.П., Полякова М.А. и др. // Обработка сплошных и слоис ых материалов: Межвуз.сб.науч.тр. - Магнитогорск, 1995. - С. 73 - 76.

5. Исследование режимов совмещенного процесса " удаление окалины - волочение "/ Бахматов Ю.Ф., Носков Е.П., Полякова М.А. и др.// Обработка сплошных и слоистых материалов: Межвуз. сб. науч. тр. - Магнитогорск, 1996. - С. 94 - 96.

6. Разработка нового совмещенного процесса "удаление окалины -волочение"/ Носков Е.П., Бахматов Ю.Ф., Полякова М.А. //Механика деформируемых сред в технологических процессах. - Иркутск, 1997. - С. 43 -47.

7. Бахматов Ю.Ф., Агеев В.Л., Полякова М.А. Влияние механических напряжений на волновое сопротивление порошковой среды // Обработка сплошных и слоистых материалов: Межвуз. сб. науч. тр. - Магнитогорск,

1997. - С. 84 - Я8.

8. Исследование возможности формирования разделительного слоя при волочении в порошковых средах / Бахматов Ю.Ф., Полякова М.А., Ку-рочкин Д.В. и др. II Научный поиск в обработке давлением: Сб.науч. тр. под ред. Гуна Г.С. - Магнитогорск, 1998. - С. 98 -103.

9. Моделирование поведения слоистой ко позиции "окалина - катанка" в очаге деформации при совмещении операций удаления окалины и волочения / Бахматов Ю.Ф., Полякова М.А., Голубчик Э.М. и др. II Обработка сплошных и слоистых материалов: Межвуз. сб. науч. тр. - Магнитогорск,

1998.-С. 92-99.

10. Разработка нового совмещенного процесса "удаление окалины -волочение" II Состояния и перспективы развитая научно-технич. потенциала Южно-Урапьского региона: Межгосуд. на^чо-технич. конф. (Магнитогорск, 16-2ч мая, 1994)-Магнитогорск, 1994.

11. Разработка нового совмещенного процесса "удаление окалины -волочение" // Прогрессивные технологии обработки металлов давлением в машиностроении: Всерос. научно-технич. конф. (Иркутск, 26 - 28 сентября, 1996) - Иркутск,-196.

МАГНИТОГОРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ.Г.И.НОСОВА

На правах рукописи

Полякова Марина Андреевна

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВОЛОЧЕНИЯ КАТАНКИ С СОВМЕЩЕННЫМИ ОПЕРАЦИЯМИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ И УДАЛЕНИЯ ОКАЛИНЫ

05.16.05 - Обработка металлов давлением

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Бахматов Ю.Ф.

Магнитогорск -1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................. 4

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ПО ВОПРОСАМ ТЕОРИИ И

ПРАКТИКИ ПРОИЗВОДСТВА ПРОВОЛОКИ В СОВМЕЩЕННЫХ ПРОЦЕССАХ...................................................................... 6

1.1. Проблемы создания технологий с совмещенными операциями при производстве проволоки........................................................ 6

1.2. Анализ методов удаления окалины с поверхности катанки...... 11

1.3. Проблемы устойчивости смазочного слоя в очаге деформа-мации при использовании различных типов смазки в процессах волочения........................................................................... 22

1.4. Анализ поведения порошковых материалов при приложении внешней нагрузки........................................................................... 25

1.5. Цель и задачи исследования........................................................ 28

2. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ С СОВМЕЩЕННЫМИ ОПЕРАЦИЯМИ УДАЛЕНИЯ ОКАЛИНЫ И ВОЛОЧЕНИЯ.................................... 31

2.1. Проблемы конструирования технологического процесса с совмещенными операциями.......................................................... 31

2.2. Оборудование для реализации технологического процесса с совмещенными операциями удаления окалины и волочения.... 49

2.3. Выводы по главе 2.......................................................................... 52

3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ ПОРОШКОВОГО РАЗДЕЛИТЕЛЬНОГО СЛОЯ В ВОЛОКЕ............................... 54

3.1. Постановка задачи......................................................................... 54

3.2. Стадии процесса деформирования порошкового разделительного слоя................................................................................. 57

3.3. Определение условия начала совместной пластической де-

формации разнородных материалов............................................................................................63

3.4. Математическая модель определения энерго-силовых параметров проектируемого технологического процесса............................73

3.5. Выводы по главе 3..................................................................................................................................................85

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА С СОВМЕЩЕННЫМИ ОПЕРАЦИЯМИ УДАЛЕНИЯ ОКАЛИНЫ И ВОЛОЧЕНИЯ.................................................................................................................................................................87

4.1. Исследования свойств проволоки, полученной входе технологического процесса с совмещенными операциями удаления окалины и волочения..........................................................................................87

4.1.1. Методика проведения экспериментов..................................................................87

4.1.2. Анализ полученных результатов....................................................................................88

4.2. Исследование свойств материала разделительного слоя..................92

4.2.1. Методика проведения экспериментов..................................................................92

4.2.2. Анализ полученных результатов....................................................................................93

4.3. Исследование параметров управления толщиной разделительного слоя в исследуемом процессе..................................................................95

4.3.1. Методика проведения экспериментов............................................................95

4.3.2. Анализ полученных результатов................................................................................96

4.4. Исследование влияния технологических факторов

на показатели процесса с совмещенными операциями

удаления окалины и волочения...................................................................................99

4.5. Технологический процесс с совмещенными операциями удаления окалины и волочения..............................................................................103

4.6. Выводы по главе 4..................................................................................................................................................106

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................................................108

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..........................................................................110

ВВЕДЕНИЕ

Развитие современного производства идет по пути создания технологических процессов с совмещенными операциями. Это в значительной степени упрощает технологию обработки материалов, сокращая общее число операций.

В настоящее время актуальным является замена химических методов удаления окалины на механические. Это обусловлено прежде всего их простотой и экологической чистотой. Однако общим недостатком механических методов удаления окалины является потеря пластичности обрабатываемого металла в результате наклепа его поверхности. Кроме того, при механических методах удаления окалины происходит неполное удаление окалины, что вызывает повышенный износ инструмента при дальнейшем волочении. При любом методе удаления окалины не происходит уменьшение исходного диаметра катанки.

Основными операциями при производстве проволоки являются удаление окалины и волочение, поэтому совмещенные процессы, в которые входят данные операции, представляют значительный интерес. Проектирование технологических процессов с совмещенными операциями идет по двум направлениям. Первое заключается в последовательном осуществлении операций технологического процесса, что предполагает создание непрерывных линий.

Другое направление основано на конструировании технологий с применением системного анализа отдельных технологических операций. Это позволяет определить возможность их осуществления в одно время в одном месте пространства. Системный подход при конструировании технологических процессов предполагает выявление энергетических, вещественных и информационных потоков, имеющихся в системе, определение ее ресурсов, установление базовой операции. Это позволяет установить возможность использования ресурсов, имеющихся в одной опера-

ции, для осуществления другой. Пользуясь данным подходом, представляется возможным использование ресурсов операции волочения для удаления слоя окалины, которая образовалась на катанке после горячей обработки. Такой подход позволяет сконструировать такой технологический процесс, при котором операции удаления окалины и волочения происходят одновременно в очаге деформации.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ПО ВОПРОСАМ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ ПРОИЗВОДСТВА ПРОВОЛОКИ В СОВМЕЩЕННЫХ ПРОЦЕССАХ

1.1. Проблемы создания технологий с совмещенными операциями при производстве проволоки

Любой технологический процесс можно представить в виде набора определенных операций. В ходе их последовательного осуществления происходит преобразование исходного сырья в готовое изделие. Однако, время переработки полупродукта и производительность разных операций могут значительно отличаться. Поэтому для согласования этих параметров в реальных производственных условиях традиционно создают отдельные участки, предусматривают организацию складов и др.

Одним из путей повышения эффективности производства является совмещение отдельных операций в одной. В то же время для получения готового продукта исходное сырье должно быть подвергнуто определенному числу преобразований. При совмещении операций их общее количество уменьшается, а число преобразований исходного сырья не изменяется.

Традиционный технологический процесс производства проволоки состоит из последовательно осуществляемых операций удаления окалины, нанесения подсмазочного слоя, волочения и термической обработки. Причем операции удаления окалины и волочения во многом определяют качество готового продукта и производительность процесса в целом. С точки зрения создания технологических процессов с совмещенными операциями наибольший интерес представляют те технологии, в которых операции волочения и удаления окалины совмещены.

Анализ литературных источников [1 -10] показал , что под со-

вмещением понимают последовательное осуществление операций технологического процесса в одной технологической линии. Примером совмещенных технологий такого типа является последовательная очистка в роликовом окалиноломателе и волочение [1, 2]. Для более полного удаления остатков окалины на выходе катанка дополнительно обрабатывается металлическими щетками. Удаление окалины дробеструйной обработкой можно также совмещать в одной линии с волочением [3 - 5]. При этом металл под действием силы волочения разматывается с бунта, выводится в виде нити из дробеметной камеры. Затем металл изгибают в виде спирали, отдельные витки которой последовательно промывают, фосфатируют и наносят смазку. Пройдя через все ванны, металл проходит через сушильное устройство и поступает в волочильный стан.

В потоке с волочением применяют такие методы удаления окалины, как обточка резцами, обдирка, иглофрезерование [6, 7]. Так, спроектирована во ВНИИМетизе и изготовлена опытно-промышленная установка для очистки катанки диаметром 6,5 мм иглофрезерованием со скоростью 120 м/мин в потоке с волочением. Серьезным недостатком данного метода является увеличение вероятности обрывов катанки при ее последующем волочении.

Создана волочильно-калибровочная линия, оснащенная устройствами бескислотного удаления окалины с поверхности горячекатаной проволоки методом абразивно-порошковой очистки [8]. При этом обеспечивается хорошее качество поверхности проволоки.

Приведенные варианты технологических процессов подразумевают поточное производство, в котором части непрерывно движущейся проволоки проходят все виды обработки последовательно, все технологические операции на разных частях проволоки проводят одновременно, и устройства поточной линии обеспечивают принцип равенства секундных объемов металла. Данное направление предусматривает создание волочильных комбайнов, что неизменно влечет изменение всего

технологического цикла в целом и создание определенного оборудования, соответствующего этим изменениям. Конструкция волочильных комбайнов должна обеспечивать возможность длительной и устойчивой работы без остановки комплекса. Для этого в первую очередь необходимо уменьшить вероятность обрывов, что усложняет техническое обеспечение производства [11].

Из приведенных примеров видно, что для совмещенных процессов, когда операции технологического процесса осуществляются последовательно, применяют механические способы удаления окалины, которые подробно будут рассмотрены ниже. Кроме того, после химического удаления окалины необходимо обязательно проводить промывку и сушку катанки, так как при травлении часть кислоты выносится поверхностью движущегося металла. Это, с одной стороны, удлиняет и усложняет технологический процесс получения проволоки, а с другой - может привести к повторному загрязнению поверхности металла. Поскольку при химическом удалении окалины время протекания химических реакций гораздо меньше времени пластической деформации при последующем волочении, то при совмещении этих операций необходимо создавать довольно протяженные агрегаты, что в ряде случаев нетехнологично. Поэтому на практике, как правило, для совмещения операций удаления окалины и волочения путем их последовательного осуществления применяют механические методы удаления окалины.

Другим направлением конструирования технологических процессов с совмещенными операциями является использование системного анализа операций технологического процесса [12 - 14]. Принципы конструирования технологических процессов на основе системного анализа операций изложены в [15-17].

Суть данного подхода заключается в следующем. Технологический процесс характеризуется взаимодействием трех самостоятельных процессов преобразования вещества (В), энергии (Э) и информации (I)

(рис. 1.1). Каждая операция технологического процесса характеризуется свойственными ей потоками В, Э и I (рис. 1.2), которые пересекаются и соединяются в оперативной зоне.

Э' В' Г

Рис. 1.1. Схема взаимодействия потоков в технологическом процессе:

0 - операция технологического процесса;

В1 - В2 - преобразование потока вещества на технологической

операции (поковка, катанка, сляб и т.п.); Э - энергия, необходимая для преобразования потока вещества (механическая, тепловая, электрическая , магнитная и т.д.);

1 - информационное сопровождение операции технологического

процесса (величина межвалкового зазора, диаметр волоки, температура печи, время выдержки и т.п.); Э, В, I - потери энергии, вещества и информации соответственно на технологической операции (выделяющееся тепло, шум и т.п.)

Оперативная зона - это определенное место пространства, в котором осуществляется технологическая операция. Для образования оперативной зоны необходим инструмент. Оборудование выполняет функции преобразования потоков вещества, энергии и информации в необходимый вид. Для выполнения любой технологической операции необходимо свое специфическое оборудование, свой источник энергии.

э I ||

В1—* О -*В2

В1

Э1 1 г 1 11 Э2 ' 1 12 Эп г ' г 1 1п Г

01 В2 Вз Вп-1 Оп

о2 •••

1 г 1 г 1 ' 1 ' 1 ' 1 Г 1 Г 1 г 1 г

Вп

—

Э'1 В'-| Г1 Э'2 В'2 1*2

Эп В п I П

Рис. 1.2. Схема взаимодействия потоков в операциях технологического процесса:

О-] , О2 , Ор - технологические операции

Каждая технологическая операция происходит в течение определенного промежутка времени (оперативное время). Причем оно может длиться от долей секунды, например, при пластической деформации, до десятков минут и часов, например, при термообработке. Поэтому для согласования времени отдельных операций традиционно организовывают склады, применяют различные накопители. При создании технологий, в ходе которых происходит переработка материала в поточной линии, это приводит к созданию довольно протяженных агрегатов.

Любой технологический процесс осуществляет преобразование потока вещества Б^ Вп . Так как коэффициент полезного действия любого преобразования всегда меньше единицы, то в любом случае имеются потоки вещества, энергии и информации (В', Э', Г), которые являются отходами данной технологии. Вполне целесообразно использовать отходы одной операции в качестве ресурсов для другой. В данной работе ресурсными считаются такие потоки вещества, энергии или информации, которые присутствуют в одной операции, но непосредственно для осуществления преобразований в данной операции не нужны. Эти потоки, тем не менее, необходимы для осуществления преобразования

на другой операции. Ресурсы могут также быть привлечены для выполнения преобразования над веществом из окружающей среды. Например, в технологии холодной сварки при совместной прокатке металлов отходные потоки, возникающие при деформировании металла (например, тепловая энергия), используются для другой операции (сварка). В данном случае реализуются две цели: пластическая деформация металлов и их соединение. Поэтому одним из важных этапов при конструировании технологий с совмещенными операциями является анализ ресурсов системы.

Целью любого технологического процесса является получение готового продукта с определенным набором характеристик и свойств. Формирование заданного комплекса свойств осуществляется набором определенных операций. Но, как правило, имеется одна основная операция, позволяющая получить большинство требуемых свойств. Такая операция считается базовой. Так, при обработке металлов давлением базовой формообразущей операцией является пластическая деформация.

Таким образом, при конструировании технологий с целью совмещения отдельных операций при использовании системного подхода необходимо провести анализ ресурсов каждой операции, определить их оперативное время, оперативную зону, выявить базовую операцию технологического процесса.

1.2. Анализ методов удаления окалины с поверхности катанки

Окалина, образующаяся при нагреве металла, горячем деформировании и охлаждении стального изделия, а также при его термической обработке, представляет собой комплекс химических соединений железа и других химических элементов с кислородом (оксидов, гидратов, силикатов, сульфидов, карбидов и др.). Основными составляющими структу-

ры окалины являются оксиды железа, доля других элементов, а также их более сложных соединений незначительна и зависит главным образом от марки стали и способа ее раскисления.

Как известно [18], окалина углеродистой стали, образующаяся при температурах свыше 600°С, состоит из оксидов железа РеО (вюстит), Ре304 (магнетит) и Ре203 (гематит). Оксиды располагаются слоями в соответствии с уменьшением содержания кислорода в направлении от наружного слоя к внутреннему (рис. 1.3).

о2

О2'

О2" Ре2+

Ре2+

Рис. 1.3. Схема расположения слоев окалины

Вюстит (РеО) - наиболее мягкая и рыхлая составная часть окалины с небольшой абразивностью. Он хорошо растворяется в кислотах и может быть полностью удален механическим путем. Поэтому окалина в виде вюстита предпочтительнее др�