автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.09, диссертация на тему:Совершенствование технологии и конструкции волок для изготовления шестигранных профилей на основе моделирования в системе "заготовка-инструмент"

На правах рукописи

005017362

МАЛАКАНОВ СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И КОНСТРУКЦИИ ВОЛОК ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ШЕСТИГРАННЫХ ПРОФИЛЕЙ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ В СИСТЕМЕ «ЗАГОТОВКА-ИНСТРУМЕНТ»

Специальность 05.02.09 - Технологии и машины обработки давлением

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Магнитогорск -2012

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

кафедры ТМиСМ ФГБОУ ВПО «МГТУ» Железков Олег Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

зав. кафедры ДПМ ФГБОУ «Пермский национальный исследовательский поли. технический университет» Колмогоров Герман Леонидович

доктор технических наук, профессор кафедры МОМЗ ФГБОУ ВПО «МГТУ» Славин Вячеслав Семенович

Ведущая организация: ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого

Президента России Б.Н.Ельцина»

Защита состоится 25 мая 2012г. в 15— на заседании диссертационного совета Д 212.111.03 при ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, МГТУ, ауд.304.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

Автореферат разослан «24» апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Жиркин Ю.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ*

Актуальность работы.

Калиброванный шестигранный прокат широко используется для изготовления крепежных деталей (болты, гайки и т.п.) и арматуры соединения трубопроводов (штуцеров, переходников и др.).

Волочение через монолитные многогранные волоки шестигранной или круглой заготовки является самым распространенным способ изготовления калиброванного шестигранника. Высокая стоимость шестигранной заготовки и необходимость наличия на складе больших запасов различных размеров и марок стали делает актуальной задачу определения рациональных режимов деформирования заготовки, имеющей круглое поперечное сечение.

Наиболее распространенная технологическая схема изготовления калиброванного шестигранника из заготовки круглого сечения - волочение за несколько проходов с промежуточными операциями (отжиг, подготовка поверхности и т.п.) через монолитные многогранные волоки с плоскими гранями. Основные недостатки такой технологии - большое количество технологических операций и сравнительно низкая стойкость многогранных монолитных волок.

Современные волочильные станы оснащаются специальными устройствами для редуцирования (проталкивания) заготовки в волочильный инструмент, применение которых устраняет операцию острения, что повышает механизацию процесса и производительность труда, а также снижает отходы металла. Однако, особенности механической схемы деформации при редуцировании (всестороннее сжатие) при определенных условиях приводят либо к продольному изгибу проталкиваемого участка, либо к его осадке, что создает определенные трудности практической реализации данной операции.

Поэтому определение рациональных режимов волочения и редуцирования с использованием современных методов исследования процессов обработки металлов давлением (ОМД) позволит решить актуальную проблему повышения экономической эффективности изготовления шестигранных профилей из круглой заготовки за счет сокращения технологических операций и повышения стойкости волок.

Цель работы:

Совершенствование технологии изготовления шестигранных профилей путем применения рациональных режимов деформирования заготовки круглого поперечного сечения и конструкции волок с целью повышения их стойкости.

* Работа выполнялась при поддержке гранта Губернатора Челябинской обл. за 2011г.

Задачи исследования:

1. Выполнить моделирование процессов волочения и редуцирования шестигранного профиля из круглой заготовки с использованием современного метода исследования процессов ОМД, определить формоизменение заготовки на различных этапах деформирования, напряженно-деформированное состояние (НДС) и энергосиловые параметры исследуемых процессов. Использовать результаты исследования при выборе рациональных режимов деформирования и конструкции волок.

2. Определить НДС в инструменте при контактном взаимодействии заготовки круглого сечения и рабочего канала многогранной волоки при волочении шестигранного профиля с учетом неравномерного характера распределения нагрузки по поверхности контакта, имеющей сложную геометрию. Использовать результата расчетов при выборе рационального натяга в сборной волоке, при котором обеспечиваются минимальные значения растягивающих окружных напряжений в углах монолитной вставки.

3. Разработать новые технические решения, использование которых обеспечит сокращение технологических операций и повышение стойкости волочильного инструмента при изготовлении шестигранных профилей.

Научные результаты, выносимые на защиту:

1. Рациональные режимы деформирования при волочении шестигранного профиля из круглой заготовки и геометрические параметры обжимной зоны волоки, позволяющие обеспечить требуемую точность граней профиля при минимальных энергосиловых затратах.

2. Закономерности распределения нормального давления по рабочей поверхности канала инструмента различного конструктивного исполнения при формировании шестигранного профиля, позволяющие с высокой точностью определить НДС монолитной и сборной (секторной) многогранной волоки при волочении шестигранных профилей из заготовки круглого и шестигранного сечения.

3. Методика определения рационального натяга для запрессовки многогранных монолитных и секторных вставок в обойму (корпус), позволяющая в зависимости от условий процесса волочения шестигранного профиля рассчитывать рациональные посадочные размеры, при которых обеспечиваются минимальные значения растягивающих окружных напряжений в углах монолитной вставки.

Научная новизна результатов исследования:

1. Установлены закономерности изменения диаметра описанной окружности шестигранного профиля при варьировании основных условий процесса волочения, отличающиеся тем, что позволяют учитывать контактное взаимодействие заготовки и волоки при объемной постановке задачи и сложной форме обжимной поверхности рабочего канала с учетом упруго-пластических свойств деформируемого металла.

2. Выявлен характер распределения нормальных давлений, напряжений и деформаций на рабочей поверхности канала многогранной волоки с учетом особенностей формоизменения и НДС заготовки при волочении шестигранного профиля.

3. Разработана методика определения рационального натяга запрессовки монолитных твердосплавных вставок в корпус, отличающаяся тем, что величина натяга рассчитывается из условия минимизации растягивающих окружных напряжений в углах волочильного канала с учетом особенностей контактного взаимодействия в системе «заготовка - волока».

4. Решена задача по определению НДС секторной сборной волоки при волочении шестигранного профиля.

Теоретическая значимость результатов исследования заключается в следующем:

- на основе имитационного моделирования процессов волочении и редуцирования получены новые знания о закономерностях пластического деформирования круглой заготовки при волочении шестигранного профиля;

- осуществлена адаптация компьютерных конечно-элементных моделей для выявления основных факторов, определяющих точность граней шестигранного профиля при волочении круглой заготовки;

- предложена методика определения НДС многогранной монолитной волоки, позволяющая учитывать совместное влияние внутреннего неравномерно распределенного давления от деформации заготовки при волочении и внешнего давления от натяга при запрессовке твердосплавной вставки в корпус.

Практическая значимость научных результатов состоит в следующем:

1. Разработаны новые технические решения:

- «Волока для изготовления многогранных фасонных профилей» (патент на полезную модель РФ № 78102), применение которой обеспечивает сокращение технологических операций и повышение стойкости волок;

- «Устройство для изготовления многогранных фасонных профилей» (подготовлена заявка на полезную модель), применение которого позволяет изготавливать шестигранные профили за одну операцию волочения с редуцированием конца заготовки.

2. Усовершенствована технология изготовления калиброванного шестигранного проката из круглой заготовки на цепных волочильных станах, применение которой в условиях ОАО «ММК-МЕТИЗ» позволило устранить промежуточные технологические операции волочения, отжига и подготовки поверхности, а также снизить отходы на 3%. Экономический эффект - 1945 руб/тн.

3. Результаты исследования могут быть внедрены на предприятиях, изготавливающих калиброванный шестигранный прокат: ОАО «Северсталь-метиз», ЗАО «Омутнинский металлургический завод», ОАО «Металлургический завод им. А.К. Серова», ЗАО «Волгоградский металлургический завод

«Красный Октябрь», ОАО «Московский металлургический завод «Серп и молот», ЧАО «Константиновский металлургический завод» и др.

Соответствие паспорту специальности. В соответствии с формулой специальности диссертационная работа является прикладным исследованием закономерностей пластического деформирования круглой заготовки при волочении и редуцировании шестигранного профиля и контактного взаимодействия в системе «заготовка — волока». Исследования направлены на определение рациональных режимов деформирования и конструкции волочильного инструмента, использование которых обеспечивает снижение энергозатрат и технологических отходов, а также повышение стойкости волок. Полученные соискателем научные результаты соответствуют пунктам 1, 3 и 5 паспорта специальности 05.02.09 «Технологии и машины обработки давлением».

Личный вклад. Основные теоретические положения и научные результаты получены автором самостоятельно. Экспериментальные исследования и обсуждение результатов проведены совместно с соавторами опубликованных работ.

Реализация работы. Результаты работы приняты к использованию в ОАО «ММК-МЕТИЗ» при изготовлении на ценных волочильных станах калиброванного шестигранного проката по ГОСТ 8560-78 с полем допуска Ы1 из сталей марок 10-50 из заготовки круглого сечения, а также при изготовлении сборных волок с твердосплавными вставками по ГОСТ 5426-76.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы изложены и обсуждены на научно-технических конференциях различных уровней: ежегодных научно-технических конференциях ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» (2009-2011 гг.); Восьмом Конгрессе прокатчиков (г. Магнитогорск, 2010 г.); 11-й Международной научно-технической конференции ОАО «ММК» (г. Магнитогорск, 2011); научно-технических конференциях ОАО «ММК-МЕТИЗ» (2010-2011 гг.); Всероссийском конкурсе «У.М.Н.И.К.» (г. Магнитогорск, 2009 г.); Третьем (г. Челябинск, 2010 г.) и Четвертом (г. Челябинск, 2011 г.) Международных промышленных форумах «Реконструкция промышленных предприятий - прорывные технологии в металлургии и машиностроении»; областном конкурсе научно-исследовательских работ студентов, аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений, расположенных на территории Челябинской области (г. Челябинск, 2011г.)

Публикации. Основные положения и результаты работы изложены в 10 научных публикациях, из них 3 в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ, одном патенте на полезную модель РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и 4 приложений. Текст диссертации изложен на 166 страницах машинописного текста, иллюстрирован 84 рисунками, содержит 30 таблиц. Библиографический список включает 103 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отмечена актуальность проблемы повышения экономической эффективности изготовления шестигранных профилей и необходимость проведения исследований, направленных на совершенствование технологии и конструкции волок, а также сформулированы цель и научная новизна работы.

В первой главе рассмотрены нормативные требования, предъявляемые к качеству шестигранных профилей; приведен анализ патентно-информационных материалов, в которых отражены основные способы изготовления калиброванных шестигранных профилей и конструкции волок для их изготовления; выполнен анализ причин низкой стойкости монолитных многогранных волок; дан обзор известных аналитических решений и методов исследования процессов волочения и редуцирования.

Обзор литературных и патентных источников показал, что наиболее распространенным способом изготовления шестигранных профилей является волочение горячекатаного круглого или шестигранного проката через монолитные многогранные волоки. При использовании круглой заготовки наиболее широко применяются следующие способы:

- многопроходное волочение с редуцированием конца прутка в волоках, недостатками которого является большое число промежуточных технологических операций (отжига, подготовки поверхности к волочению);

- однопроходное волочение с операцией острения конца прутка, связанное с образованием значительных отходов металла, необходимостью применения специального оборудования, повышенными затратами на содержание производственных площадей и привлечение дополнительного обслуживающего персонала.

Наиболее распространенной конструкцией волочильного инструмента для изготовления шестигранных прутков является монолитная многогранная вставка по ГОСТ 5426-76, запрессованная в стальной корпус (обойму).

Анализ причин низкой стойкости твердосплавных волок по ГОСТ 5426-76 показал, что одной из основных причин выхода из строя волок является разрушение монолитной вставки в продольной плоскости, проходящей через ребра профиля.

Обзор известных аналитических решений и методов исследования процессов волочения и редуцирования шестигранного профиля показал, что применяемые подходы имеют много упрощений и допущений, снижающих их точность, не позволяют исследовать изменение формы заготовки при контактном взаимодействии с инструментом, имеющим сложную рабочую поверхность.

Вопросами теории волочения фасонных профилей и конструирования волочильного инструмента занимались И.Л. Перлин, Г.Я. Гун, С.И. Губкин, В.В. Зверев, М.З. Ерманок, Ю.С. Зыков, Ю.В. Шухов, Н.З. Днестровский, Н.М. Богорад, A.B. Юшков, В.Н. Выдрин, В.И. Клименко, Г.Л. Колмогоров, В .Г. Горохов, А.Б. Гросман, В.Н. Аргунов, М.Г. Поляков, И.Д. Костогрызов,

B.C. Славин, В .А. Харитонов, А .Я. Хейн, Г. Прейслер, К. Петцольд, У. Гре-улич, А. Мандл, и др.

Метод конечных элементов (МКЭ) является в настоящее время одним из наиболее эффективных методов исследования процессов ОМД. Среди разнообразия программных продуктов, основанных на МКЭ, можно выделить систему моделирования технологических процессов «DEFORM-3D », позволяющую анализироват ь трехмерное поведение металла при деформировании, в том числе прогноздровать характер формообразования при волочении и редуцировании шестигранных профилей.

В конце главы сформулированы задачи исследования.

Вторая глава работы посвящена теоретическим исследованиям процессов волочения и редуцирования круглой заготовки при изготовлении шестигранных профилей. Исследования проводились с использованием твердотельного моделирования в САПР «КОМПАС-ЗВ» и численного моделирования МКЭ на базе программного комплекса «DEFORM-3D™» при объемной постановке задачи (рис. 1).

Рис. 1. Конечно-элементные модели процессов волочения (а) и редуцирования (б): 1 - заготовка; 2 - волока; 3 - захват волочильного стана.

При моделировании использовали следующие допущения: процесс является изотермическим; материал заготовки изотропный, упруго-пластический; заготовка не имеет внутренних и внешних дефектов; силы внешнего трения учитываются применением закона полусухого трения Кулона-Амон-тона; условие пластичности по Губеру-Мизесу; эволюция микроструктуры не учитывается; все объекты, кроме заготовки, несжимаемые (абсолютно жесткие); рассматриваются установившиеся этапы процесса деформирования. Заготовка разбивалась на объемные элементы в виде тетраэдров. Разбиение заготовки на конечные элементы выполнялось неравномерно, учитывался градиент деформации, то есть в зонах, где предполагалось значительное изменение формы, сетка выполнялась гуще, при этом размер элемента не превышал 1/3 от радиуса закругления кромки профиля по ГОСТ 8560-78 (общее число элементов достигало 250000). Изменение механических свойств заготовки описывалось степенной зависимостью:

а)

б)

°~s = ао£ >

,П

(1)

где а0 - некоторое условно-постоянное напряжение, характеризующее марку

материала, его структурное состояние, температурно-скоростные условия деформирования; п - показатель деформационного упрочнения материала.

Способность материала заготовки упруго деформироваться оценивалась модулем упругости Е.

Использование в качестве исходной заготовки круглого профиля при волочении через волоку с плоскими гранями по ГОСТ 5426-76 приводит к неравномерности величины относительных обжатий по периметру шестигранного профиля, что является причиной снижения точности граней профиля из-за плохого заполнения металлом углов волочильного канала.

Моделирование в «ПЕРСЖМ-ЗО™» маршрутов волочения ОАО «ММК-МЕТИЗ» шестигранного калиброванного проката из горячекатаного проката круглого сечения по ГОСТ 2590-2006 через шестигранную волоку с плоскими гранями по ГОСТ 5426-76 показало, что для формирования требуемой геометрии шестигранного профиля из круглой заготовки требуется суммарная степень деформации е = 0,25 - 0,28 •

Для снижения суммарной степени деформации предложена новая форма обжимной зоны многогранной волоки, имеющая выступы на гранях с геометрическими параметрами а и ¡) (рис. 2).

у

Рис. 2. Твердотельная модель многогранной волоки с выступами на гранях, построенная в «КОМПАС-ЗБ»: а - полуугол волочения, [1 - угол наклона выступа

Выполнение выступов на гранях рабочего канала волоки, благодаря изменению формы очага деформации и площади контактной поверхности, способствует смещению металла в углы волочильного канала, что позволяет снизить степень деформации при хорошем оформлении ребер шестигранника.

При моделировании процесса волочения через многогранную волоку получено распределение нормального давления в областях контакта заготовки и многогранной волоки. Результаты моделирования использовались при определении НДС инструмента. Определены энергосиловые параметры деформирования в зависимости от степени деформации, механических свойств,

коэффициента трения, геометрических параметров волочильного канала волоки (углы а и {}). Было установлено, что при а =8-10% /3 = 1-9° усилие волочения принимает минимальное значение, а регламентируемый диаметр описанной окружности шестигранного профиля обеспечивается при геометрических параметрах выступа а = 8 -10°, р = 8 -12° •

На рис. 3 показана радиальная деформация в поперечном сечении заготовки в обжимной зоне вопоки с различной геометрией.

Рис. 3. Радиальные деформация заготовки в поперечном сечении: а - в обжимной зоне волоки с плоскими гранями; б - в обжимной зоне волоки

с выступами на гранях

Моделирование процесса волочения круглой заготовки через волоку с выступами на гранях показало, что для формирования требуемой геометрии шестигранного профиля из круглой заготовки суммарная степень деформации может быть снижена до Б = 0,21-0,23 ■ Полученные результаты использовались при разработке нового технического решения (патент РФ № 78102) и совершенствовании технологии изготовления калиброванного шестигранного проката из круглой заготовки.

При моделировании процесса редуцирования круглой заготовки через многогранную волоку было установлено, что при степени деформации более е = 0,18-0,20происходит пластическая деформация (осадка) участка заготовки на входе в рабочий канал инструмента, препятствующая дальнейшему продвижению пругка и, как следствие, осуществлению процесса волочения. Данные результаты использовались при разработке нового технического решения, направлгнного на изготовление шестигранного профиля из круглой заготовки за один проход при обеспечении требуемой стабильности протекания процесса редуцирования. Также были определены энергосиловые параметры процесса редуцирования круглой заготовки через многогранную волоку. Установлено, что при прочих равных условиях сила редуцирования в 1,3-1,5 раза превышает силу волочения.

Третья глава диссертации посвящена исследованиям НДС многогранных волок.

Используя программный комплекс «DEFORM-3D™», был проведен анализ НДС в монолитной твердосплавной вставке ] 980-0325 по ГОСТ 542676 из твердого сплава марки ВК8. Конечно-элементная модель твердосплав-

ной вставки состояла из 50000 элементов, имеющих форму тетраэдров. Граничные условия задавались в виде отсутствия перемещений на наружной поверхности модели. Модель вставки нагружалась только внутренним давлением, которое определялось при моделировании процесса волочения.

При моделировании был установлен качественный и количественный характер распределения радиальных аг, окружных (70 и осевых иг напряжений по длине рабочего канала волоки.

На рис. 4 показано распределение напряжений по длине рабочего канала в продольном сечении волоки, проходящем через углы волочильного канала, при волочении шестигранного профиля из стали марки 20 со степенью деформации е = 0,16 • Установлено, что области концентрации растягивающих окружных напряжений ад находятся в углах волочильного канала.

а, МП а

Рис. 4. Распределение напряжений по длине рабочего канала в углах монолитной многогранной волоки В работах Г.Л. Колмогорова для оценки прочности запрессованной в корпус рабочей твердосплавной вставки с круглым сечением рабочего канала (волочение из «круга в круг») предложено использовать критерий прочности П.П. Баландина. Вышеуказанная методика усовершенствована за счет того, что при решении задачи определения напряжений с использованием МКЭ в многогранной волоке учитывались сложная геометрия рабочего канала и особенности распределения давления металла на волоку. Были проведены соответствующие исследования, на основании которых установлено, что опасным сечением многогранной вставки является продольная плоскость, проходящая через ребра многогранника. В этих областях критерий П.П. Баландина в зависимости от механических свойств и степени деформации заготовки достигал значений 0,50-0,75 (значение критерия, близкое к 1,00, считается критическим).

Путем варьирования условий процесса волочения были установлены зависимости величины растягивающих окружных напряжений ав в углах

волочильного канала от предела текучести металла деформируемой заготовки при различных значениях степени деформации s и выполнена аппроксимация полученных зависимостей в «Microsoft Exel» при R2 > 0,95:

- при £ = 0,08 ав = -0,0024сг02 + 4,82<х0 -1239,20, МПа; "

-при Е = 0,16 ав =-0,0037 а] + 6,45 <т0 -1838,30, МПа; I (2)

-при е = 0,21 ав = —0,0035<7д + 5,99<т0 -1727,20, МПа. ^

На основе зависимостей (2) была разработана методика определения требуемого натяга, обеспечивающего отсутствие растягивающих окружных напряжений в углах волочильного канала при волочении шестигранного профиля. В разработанной методике используются результаты моделирования НДС в волоке, которая нагружалась равномерно распределенным давлением по наружной поверхности и неравномерным давлением, действующим в рабочем канале. Внутреннее давление определялось по результатам моделирования процесса волочения с использованием МКЭ на базе программного комплекса «DEFORM-3D™».

При правильно выбранном натяге растягивающих окружных напряжений в углах многогранника рабочего канала должны принимать минимальные значения. При этом давление от натяга не должно вызывать предельную деформацию обоймы.

Получены уравнения, позволяющие определять необходимые давления Ръ т.п при запрессовке с натягом в зависимости от предела текучести металла сг0 деформируемой заготовки при различных значениях степени деформации е'.

- при s = 0,08 />3min =-0,00005о-02 + 0,3927сг0-95,321 МПа;

- при S = 0,16 P3min = -0,0002 al + 0,7887 cr0 - 218,7 МПа; L (3)

- при £ = 0,21 РЪтт = -0,0005 ег02 +1,1709сг0 - 292,92 МПа. J

На основе разработанной методики определили значения требуемого натяга S и значения вероятностных натягов м mi„ / многогранных вставок 1980-0352 по ГОСТ 5426-76 из сплава ВК8 при запрессовке в стальной корпус из стали марки 30ХГСА при волочении шестигранных прутков в зависимости от предела текучести сг0 деформируемой заготовки и степени

деформации е при волочении.

Отсутствие растягивающих напряжений в углах многогранной волоки по ГОСТ 5426-76 рассматриваемых марок сталей обеспечивают посадки Н7/х7 (при s = 0,08) и H8'z8 (при £ = 0,16 и Е = 0,21).

Так как максимальная величина натяга ограничивается пределом текучести материала корпуса с учетом коэффициента запаса, то было рассмотрено конструктивное решение, полностью исключающее возможность концентрации растягивающих окружных напряжений в углах волочильного канала. Для этого предложено твердосплавную вставку выполнять в виде секторных элементов, что позволяет существенно изменить НДС в волоке. Секторные элементы вставки имеют возможность в пределах упругих деформаций перемещаться в радиальном направлении, что увеличивает стойкость волоки.

С целью определения НДС секторной вставки была создана объемная модель секторного элемента, полученного делением твердосплавной монолитной вставки 1980-0325 по ГОСТ 5426-76 на шесть частей по продольным плоскостям, проходящим через ребра шестигранника. В программном комплексе «БЕРСЖМ-ЗО™» на объемную модель каждого секторного элемента была нанесена сетка, состоящая из 50000 конечных элементов, имеющих форму тетраэдров. Силы, действующие на секторный элемент со стороны заготовки при волочении шестигранного профиля, были интерполированны на конечно-элементную модель. Установлено, что концентрации растягивающих напряжений в углах волочильного канала при выполнении вставки в виде секторных элементов не происходит.

Результаты исследования НДС секторной многогранной волоки использовались при разработке нового технического решения (патент РФ № 78102).

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям процессов волочения и редуцирования шестигранных профилей, запрессовки твердосплавных вставок монолитных многогранных волок в стальные обоймы и разработке технических и технологических решений, направленных на повышение экономической эффективности технологических процессов изготовления шестигранных профилей за счет сокращения операций и повышения стойкости волок при изготовлении шестигранных профилей.

Экспериментальные исследования процессов волочения и редуцирования проводились в калибровочном цехе ОАО «ММК-МЕТИЗ» на цепном волочильном стане модели 2КМ-30-9 (ОАО ПО «Иркутский завод тяжелого машиностроения») с усилием волочения 294 кН (30 тс).

При исследовании влияния формы обжимной зоны на точность граней шестигранного профиля с размером «под ключ» 24 мм использовались волока с плоскими гранями обжимной зоны по ГОСТ 5426-76 и волока с выступами на гранях, изготовленная в инструментальном цехе ОАО «ММК-МЕТИЗ» по разработанным чертежам.

В качестве заготовки использовался круглый отожженный калиброванный прокат диаметром 27,52 мм, 27,98 мм из стали марки 10 по ГОСТ 1050-78 производства ОАО «ММК».

Установлено, что формоизменение заготовки при компьютерном и натурном моделировании дает близкие результаты (расхождение значений диаметров описанной окружности шестигранника не превышало 10%).

Проверку результатов исследований стабильности протекания процесса редуцирования круглой заготовки в многогранной волоке осуществляли с помощью гидропроталкивателя стана модели 2КМ-30-9, который обеспечивает максимальное усилие редуцирования 440 кН (45 тс). Были подтверждены рассчитанные степени критической деформации заготовки е = 0,18 -0,20, при которых происходит осаживание части заготовки, расположенной между губками проталкивателя и волокой.

Определение усилия волочения шестигранного профиля осуществляли на спроектированной экспериментальной установке с помощью универсальной разрывной машины фирмы «Louis Schoppen) (Германия) с усилием 294 кН (ЗОтс). Сопоставление результатов расчета энергосиловых параметров при натурном и численном моделировании показало, что расхождение значений не превышало 9,5%.

Коэффициент трения определялся по методике бочкообразования, предложенной С.И. Губкиным и Н.М. Орловым, экспериментально-расчетным путем. Получено среднее значение коэффициента трения fcp = 0,14.

Для оценки влияния величины давления от натяга, рассчитанного по разработанной методике, на стойкость до разрушения твердосплавных вставок по ГОСТ 5426-76 была изготовлена опытная партия волок. На гидравлическом прессе П6384 с усилием 981 кН (100 тс) осуществлялась горячая запрессовка волок-заготовок по ГОСТ 5426-76 из сплава ВК8 в стальные обоймы из стали марки 30ХГСА. Нагрев обойм осуществлялся до температуры 350-400°С в муфельной печи. Запрессовка твердосплавных многогранных волок-заготовок в обоймы по ГОСТ 5426-76 с использованием натяга, рекомендованного на основании выполненных исследований, позволила сократить число поломок полок на 22%.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования процесса волочения позволили разработать новое техническое решение (патент РФ № 78102 на полезную модель «Волока для изготовления многогранных фасонных профилей»), применение которого обеспечивает повышение стойкости волочильного инструмента и снижение числа проходов при волочении шестигранного профиля из круглой заготовки (рис. 5). Разработанная волока изготавливается секторной, причем на рабочей поверхности каждого секторного элемента выполнен выступ в виде тетраэдра. При этом углы наклона выступа («=8-12', /? = 7 - 8° ) приняты в соответствии с рекомендациями, разработанными на основании моделирования процесса волочения.

Рис. 5. Волока для изготовления шестигранных профилей (патент РФ

№ 78102)

Проведенные исследования процесса редуцирования позволили разработать техническое решение, направленное на обеспечение изготовления

многогранных фасонных профилей за одну операцию волочения на волочильных станах, оборудованных устройствами для проталкивания конца заготовки в инструмент.

Устройство для волочения многогранных профилей содержит корпус с последовательно размещенными в нем поворотно-кулачковым механизмом регулирования радиального перемещения шариков, образующих калибр, и монолитную или секторную многогранную волоку. На первом этапе редуцирования поворотно-кулачковое устройство находится в сведенном положении, шарики максимально приближенны к центральной оси заготовки, заготовка проталкивается через образованный шариками калибр и деформируется на длину, необходимую для захвата выступающего конца заготовки тянущим устройством волочильного стана. После этого поворотно-кулачковый механизм переводится в первоначальное положение. Шарики разводятся, обеспечивая стабильность протекания второго этапа редуцирования заготовки через многогранную волоку. На разработанное техническое решение подготовлена заявка на полезную модель.

На основании проведенных исследований усовершенствована технология изготовления калиброванного шестигранного проката из заготовки круглого поперечного сечения на цепных волочильных станах в условиях калибровочного цеха ОАО «ММК-МЕТИЗ». Внесены изменения в технологическую карту ТК ММК-МЕТИЗ-К.Т-285-11 «Маршруты волочения проката шестигранного сечения размером «под ключ» 19-41 мм из г/к проката и передельной заготовки круглого сечения на цепном волочильном стане ИЗТМ с усилием волочения 294 кН (30 тс)».

Сокращение числа переходов привело к уменьшению прямых переменных затрат, в том числе технологических отходов на 28,6 кг/тн. Экономический эффект составляет 1945 рублей на тонну продукции.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Выполнена адаптация математической модели программного комплекса «ОЕРОЯМ-ЗБ™», основанного на МКЭ, для компьютерного моделирования процесса волочения шестигранных профилей при объемной постановке задачи с учетом упруго-пластических свойств деформируемого металла и сложной формы очага деформации. Выполнены расчеты НДС деформируемой заготовки и энергосиловых параметров при волочении через многогранную волоку с плоскими гранями и с выступами на гранях в обжимной зоне. Получено распределение нормального давления в областях контакта заготовки и многогранной волоки. Установлено, что для формирования требуемой геометрии шестигранного профиля из круглой заготовки при волочении через волоку с плоскими гранями требуется суммарная степень деформации е = 0 25 - 0 28, а выполнение выступов на гранях в обжимной зоне волоки позволяет снизить необходимую суммарную степень деформации до е = 0,21-0,23-

2. На основе установленных закономерностей изменения диаметра описанной окружности шестигранного профиля при варьировании основных условий процесса волочения круглой заготовки через многогранную волоку с выступами на гранях разработана методика определения рациональных геометрических параметров обжимной зоны, применение которых обеспечивает требуемую точность граней профиля при минимальных энергосиловых затратах. Установлено, что регламентируемый диаметр описанной окружности шестигранного профиля обеспечивается при геометрических параметрах выступа а = 8-10", р = 8-12', а минимальное усилие волочения при

а = 8-10", /7 = 7-9".

Проведенные экспериментальные исследования, показали, что расхождение теоретических и экспериментальных результатов не превышает 10%, что свидетельствует об адекватности компьютерных моделей и разработанной методики.

3. Осуществлена адаптация конечно-элементной модели программного комплекса «БЕР01Ш-ЗВ™ для компьютерного моделирования процесса редуцирования круглой заготовки через многогранную волоку. Установлено, что при степени деформации более £- = 0,18-0,20 происходит пластическая деформация (осадка) участка заготовки на входе в рабочий канал инструмента, препятствующая дальнейшему осуществлению процесса волочения. Экспериментальная проверка результатов моделирования подтвердила полученные значения степени критической деформации при редуцировании. Кроме того, установлено, что при прочих равных условиях усилие редуцирования в 1,3-1,5 раза превышает усилие волочения.

4. Выполнено моделирование НДС многогранной волоки с учетом полученного распределения нормальных давлений, обусловленных особенностями формоизменения и НДС заготовки при волочении шестигранного профиля. Установлены закономерности распределения радиальных аг, окружных сгд и осевых сгг напряжений по длине рабочего канала волоки. Обнаружено, что в углах волочильного канала располагаются области концентрации наибольших растягивающих окружных напряжений ав ■ Разработана методика определения рационального натяга запрессовки монолитных твердосплавных вставок в корпус, позволяющая рассчитывать величину натяга из условия минимизации значений растягивающих окружных напряжений ад в

углах монолитной вставки. Определены посадки (Н7/х7, Н8/г8), обеспечивающие минимальные значения растягивающих напряжений в углах многогранной волоки по ГОСТ 5426-76 при волочении шестигранного профиля.

5. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований процессов волочения и редуцирования круглой заготовки при изготовлении шестигранного профиля разработаны новые технические решения:

- «Волока для изготовления многогранных фасонных профилей» (патент РФ № 78102 на полезную модель), применение разработанной конструкции волоки позволяет устранить промежуточные переходы за счет выполнения выступа в обжимной зоне и обеспечивает увеличение стойкости волоки за счет выполнения вставки в виде секторных элементов.

- «Устройство для изготовления многогранных профилей» (подготовлена заявка на полезную модель), использование разработанной конструкции обеспечивает стабильное протекание процесса редуцирования круглой заготовки без осадки участка заготовки на входе в рабочий канал многогранной волоки, что позволяет изготавливать многогранные профили за один проход.

6. Усовершенствована технология изготовления калиброванного шестигранного металла в условиях'ОАО «ММК-МЕТИЗ». Внесено изменение в ТК ММК-МЕТИЗ-К.Т-285-11 «Маршруты волочения проката шестигранного сечения размером «под» ключ» 19-41 мм из г/к проката и передельной заготовки круглого сечения на цепном волочильном стане ИЗТМ с усилием волочения 294 кН (30 тс)», устранены промежуточные технологические операции волочения, отжига, травления, подготовки поверхности. Сокращены технологические отходы на 28,6 кг/тн. Экономический эффект от сокращения прямых переменных затрат составляет 1945 рублей на тонну продукции.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Железков, О.С. Исследование и совершенствование конструкции монолитных волок для калибрования шестигранных прутков/ О.С. Железков, С.А. Малаканов, В.Г. Дампилон // Современные методы конструирования и технологии металлургического машиностроения: Сб. науч. тр. — Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2008. С. 170-172.

2. Патент 78102 РФ МКИ7 В 21 С 3/00 Волока для изготовления многогранных фасонных профилей / О.С. Железков, В.Г. Дампилон, С.А. Малаканов. 2008124316/22; заявл. 16.06.2008; опубл. 20.11.2008. Бюл. № 32.

3. Железков, О.С. Повышение эффективности производства фасонных профилей за счет совершенствования конструкции волок/ О.С Железков, С.А. Малаканов // Сталь. - 2009. - №3. С. 89. (рецензируемое издание из перечня ВАК)

4. Малаканов, С.А. Совершенствование конструкции и технологии изготовления твердосплавных волок для калибрования фасонных профилей/ С.А. Малаканов // Инновации молодых ученых: Сб. докладов УМНИК. -Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. С. 135-138.

5. Железков, О.С. Определение энергосиловых параметров при волочении шестигранного профиля в монолитной волоке/ О.С. Железков, С.А. Малаканов //Процессы и оборудование металлургического производства. Межрегион сб. науч. тр. Вып 8. - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. С.154-158.

6. Железков, О.С. Моделирование процесса волочения шестигранных прутков в монолитной волоке/ О.С. Железков, С.А. Малаканов, В.Г. Дампилон //

Моделирование и развитие процессов обработки металлов давлением: Межрегион, сб. науч. тр.- Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. С. 175-177.

7. Железков, О.С. Исследование процесса проталкивания круглой заготовки через монолитную волоку с рабочим каналом шестиугольного сечения/ О.С. Железков, С.А. Малаканов, В.Г. Дампилон // Материалы международного промышленного Форума-выставки «Реконструкция промышленных предприятий - прорывные технологии в металлургии и машиностроении. - Челябинск, 2010. С.88.

8. Железков, О.С., Моделирование процесса проталкивания круглой заготовки в шестигранную монолитную волоку/ О.С. Железков, С.А. Малаканов, В.Г. Дампилон // Сборник докладов конференции «Инновационные технологии в обеспечении качества, энергоэффективности и экологической безопасности металлургических и машиностроительных предприятий в современных условиях». - Челябинск, 2010. С.158-160.

9. Железков, О.С., Компьютерное моделирование процесса калибрования шестигранного прутка из исходной заготовки круглого сечения/ О.С. Железков, С.А. Малаканов, В.Г. Дампилон // Черные металлы. - 2011.-№ 6. С. 65-66. (рецензируемое издание из перечня ВАК)

10. Железков, О.С. Компьютерное моделирование напряженного состояния в монолитной волоке при калибровании фасонных профилей / О.С. Железков, С.А. Малаканов // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. - 2012. -№ 2. С.46-49. (рецензируемое издание из перечня ВАК).

Подписано в печать 19.04.2012. Формат 60x84/16. Бумага тип. №1.

Плоская печать. Усл.печ.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 274.

455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38 Полиграфический участок ФГБОУ ВПО «МГТУ»

61 12-5/2990

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Магнитогорский государственный технический университет

им. Г.И. Носова»

На правах рукописи

Малаканов Сергей Александрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И КОНСТРУКЦИИ ВОЛОК ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ШЕСТИГРАННЫХ ПРОФИЛЕЙ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ В СИСТЕМЕ «ЗАГОТОВКА-ИНСТРУМЕНТ»

Специальность 05.02.09 -Технологии и машины обработки давлением

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Железков О.С.

Магнитогорск - 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И КОНСТРУКЦИЙ ВОЛОЧИЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ШЕСТИГРАННЫХ ПРОФИЛЕЙ.......................................................................................................................6

1.1. Требования к качеству шестигранных профилей................................................6

1.2. Способы волочения шестигранных профилей.....................................................7

1.3. Волочильный инструмент для изготовления шестигранных профилей........14

1.4. Анализ известных исследований процессов волочения и редуцирования, напряженно-деформированного состояния волок...................... ...............................18

1.5. Выводы...................................................................................................................30

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВОЛОЧЕНИЯ И РЕДУЦИРОВАНИЯ ШЕСТИГРАННЫХ ПРОФИЛЕЙ..................................................................................33

2.1. Моделирование процесса волочения..................................................................33

2.1.1. Формоизменение круглой заготовки............................................................37

2.1.2. Силовые условия деформирования..............................................................58

2.1.3. Разработка методики поиска рациональных параметров обжимной зоны многогранной волоки...............................................................................................68

2.1.4. Определение напряженно-деформированного состоянии заготовки.......71

2.2. Моделирование процесса редуцирования..........................................................77

2.3. Выводы...................................................................................................................84

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МНОГОГРАННОЙ ВОЛОКИ..............................................................85

3.1. Моделирование напряженно-деформированного состояния монолитной многогранной волоки...................................................................................................85

3.2. Оценка прочности твердосплавных монолитных многогранных волок.........92

3.3. Разработка методики определения натяга многогранной волоки....................96

3.4. Моделирование напряженно-деформированного состояния секторной многогранной волоки.................................................................................................104

3.5. Выводы.................................................................................................................107

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ВОЛОЧЕНИЯ И РЕДУЦИРОВАНИЯ ШЕСТИГРАННЫХ ПРОФИЛЕЙ. РАЗРАБОТКА НОВЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ............................................108

4.1. Построение кривой упрочнения и определение коэффициента трения........108

4.2. Определение усилия волочения шестигранного профиля..............................117

4.3. Исследование формоизменения круглой заготовки при волочении шестигранного профиля............................................................................................121

4.4. Исследование условий стабильного протекания процесса редуцирования.. 128

4.5. Исследование влияния величины натяга на стойкость многогранных монолитных волок.....................................................................................................129

4.6. Разработка новых технических решений......................................................... 136

4.7. Расчет ожидаемого экономического эффекта..................................................144

4.8. Выводы.................................................................................................................146

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................................................................148

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК..........................................................................151

ПРИЛОЖЕНИЕ 1..........................................................................................................163

ПРИЛОЖЕНИЕ 2..........................................................................................................164

ПРИЛОЖЕНИЕ 3..........................................................................................................165

ПРИЛОЖЕНИЕ 4..........................................................................................................166

ВВЕДЕНИЕ

Калиброванный многогранный металл широко используется в качестве исходной заготовки в машиностроении для изготовления деталей машин и приборов. Наибольшим спросом среди многогранных профилей пользуется калиброванный шестигранный прокат, который применяется при производстве крепежных деталей (болты, гайки) и арматуры соединения трубопроводов (штуцеры, переходники и др.).

Наиболее распространенный способ изготовления калиброванного шестигранника - волочение за несколько проходов исходной круглой заготовки через монолитные многогранные волоки с промежуточными операциями (отжиг, подготовки поверхности и т.п.). Основные недостатки такой технологии - большое количество технологических операций и сравнительная низкая стойкость многогранных волок.

Современные волочильные станы оснащаются специальными устройствами для редуцирования (проталкивания) заготовки в волочильный инструмент, применение которых устраняет операцию острения, что повышает производительность и снижает отходы. Однако, особенности механической схемы деформации при редуцировании (всестороннее сжатие) при определенных условиях приводит либо к продольному изгибу проталкиваемого участка, либо к его осадке, что создает определенные трудности практической реализации операции редуцирования. Поэтому поиск рациональных режимов деформирования, обеспечивающих стабильность процесса редуцирования, является актуальной задачей.

Следует отметить, что процессы волочения и редуцирования шестигранника из заготовки круглого сечения исследованы недостаточно полно, имеющиеся результаты исследований не позволяют с высокой надежность разрабатывать эффективные технологические процессы и проектировать инструмент высокой стойкости.

Поэтому определение рациональных режимов волочения и редуцирования с использованием современных методов исследования процессов обработ-

ки металлов давлением (ОМД) позволит решить актуальную проблему повышения экономической эффективности изготовления шестигранных профилей из круглой заготовки за счет сокращения технологических операций и повышения стойкости волок.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Установлены закономерности изменения диаметра описанной окружности шестигранного профиля при варьировании основных условий процесса волочения, отличающиеся тем, что позволяют учитывать контактное взаимодействие заготовки и волоки при объемной постановке задачи и сложной форме обжимной поверхности рабочего канала с учетом упруго-пластических свойств деформируемого металла.

2. Выявлен характер распределения нормальных давлений, напряжений и деформаций на рабочей поверхности канала многогранной волоки с учетом особенностей формоизменения и напряженно-деформированного состояния заготовки при волочении шестигранного профиля.

3. Разработана методика определения рационального натяга запрессовки монолитных твердосплавных вставок в корпус, отличающаяся тем, что величина натяга рассчитывается из условия минимизации растягивающих окружных напряжений в углах волочильного канала с учетом особенностей контактного взаимодействия в системе «заготовка — волока».

4. Решена задача по определению напряженно-деформированного состояния (НДС) секторной сборной волоки при волочении шестигранного профиля.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И КОНСТРУКЦИЙ ВОЛОЧИЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ШЕСТИГРАННЫХ ПРОФИЛЕЙ

Фасонные профили - это такой металл, который по своим размерам, качеству поверхности и прочностным характеристикам соответствует готовым деталям машин и приборов или в максимальной степени приближается к ним с тем, чтобы при их использовании в машиностроении механическая обработка была сведена лишь к окончательным чистовым операциям. В этом случае коэффициент использования металла повышается до 0,8—0,9, высвобождается большой парк металлорежущих станков, снижается расход дорогостоящего инструмента, увеличивается надежность машин в эксплуатации [1,2].

1.1. Требования к качеству шестигранных профилей

К многогранным фасонным профилям относятся калиброванные шестигранные профили. Основными производителями таких профилей являются ОАО «Магнитогорский метизно-калибровочный завод «ММК-МЕТИЗ>>, ОАО «Северсталь-метиз», ЗАО «Омутнинский металлургический завод», ОАО «Металлургический завод им. А.К. Серова», ЗАО Волгоградский металлургический завод «Красный Октябрь», ОАО Московский металлургический завод «Серп и молот», ОАО «Златоустовский металлургический завод», ЧАО «Константинов-ский металлургический завод» и др.

Калиброванный шестигранный металл применяется для изготовления крепежных деталей (болтов, гаек) и широко используется в машиностроительной гидравлике, для изготовления арматуры соединения трубопроводов гидравлики (штуцеры, накидные гайки, переходники и т.п.), в качестве заготовки для резьбовых соединений трубопроводов.

Основным нормативным документом, определяющим геометрические характеристики калиброванного шестигранного проката, является ГОСТ 8560-78 [3]. Данный стандарт распространяется на размеры профиля «под ключ» от 3 до 100 мм, квалитеты Ы0, Ы1 и Ь12.

Качество поверхности должно соответствовать группам А, Б и В по ГОСТ 1051-73. По требованию заказчика изготавливают профиль групп А и Б с нормируемой шероховатостью поверхности по Яа не более 2,5 мкм при базовой длине 0,8 мм и Яа не более 1,25 мкм при базовой длине 0,8 мм по ГОСТ 278973. Кривизна прутков в зависимости от поля допуска и размера «под ключ» должна быть не более 3 мм на 1 м длины. Скручивание прутка вокруг продольной оси не должно превышать 3° на 1 м длины. Длина смятых концов прутков не более 20, 25 и 30 мм для прутков с размерами до 25, 50 и 70 мм соответственно. Радиус закругления кромок определяется по требованию потребителя: не более 0,5 мм для размеров менее 25 мм; для размеров свыше 25 мм первой категории - 0,5 мм; для размеров свыше 25 мм второй категории - 1,0 мм.

Шестигранные профили могут иметь различные механические свойства, в зависимости от того, какая марка стали используется для его изготовления. Обычно применяют углеродистую сталь, но, в некоторых случаях, для изготовления особо прочных и ответственных деталей, применяют легированные стали.

Калиброванный шестигранный прокат изготавливается в прутках (по требованию потребителя - в бунтах) из сталей марок по ГОСТ 380-94, ГОСТ 1050-88, ГОСТ 10702-78, ГОСТ 1414-75, ГОСТ 4543-71 и других по требованию заказчика.

1.2. Способы волочения шестигранных профилей

В связи со спецификой требований предъявляемых к шестигранных фасонным профилям в качестве окончательной технологической операции необходимо использовать только холодную обработку металлов давлением - волочение, обеспечивающее заданную степень отделки поверхности, точность размеров, а для ряда марок - необходимые механические свойства и структуру.

Волочением называют способ обработки металлов давлением, при котором металл протягивается через отверстие, поперечные размеры которого

меньше, чем размеры исходного поперечного сечения протягиваемого металла

[4].

На металлургических и метизных заводах в силу экономических, технологических и организационных причин наибольшее распространение получили технологические схемы, включающие волочение как основной способ окончательного формоизменения заготовки при изготовлении шестигранного профиля. Эти технологии получили наибольшее применение как у нас в стране, так и за рубежом [5].

В качестве заготовки наиболее широко применяется сортовой горячекатаный прокат круглого или шестиугольного поперечного сечения. Вид заготовки определяет маршрут волочения. Перед волочением осуществляют дополнительные операции: отжиг, травление и нейтрализацию, подготовку поверхности к волочению. Данные операции подробно освещены в литературе [6, 7], в рамках работы не рассматриваются.

Особенности процесса волочения шестигранных профилей определяют технологию производства и тип применяемого оборудования.

На сегодняшний день в зависимости от вида применяемого волочильного инструмента известны три способа волочения шестигранных фасонных профилей [8, 9, 10, 11,12]:

- через монолитную волоку;

- через вращающиеся неприводные валки (роликовые волоки);

- через последовательно установленные роликовую и монолитную волоки.

Известен способ [13] получения калиброванного шестигранного профиля,

включающий двухступенчатую деформацию исходной горячекатаной заготовки с круглым профилем, обточенной на бесцентровотокарном станке, в ряде калибров с деформированием граней профиля поочередно в двух взаимно перпендикулярных направлениях с использованием ромбических калибров и вертикальных валков с гладкой бочкой. При этом на первой ступени в ромбическом калибре с горизонтальной плоскостью разъема формируют две пары чередующихся через одну смежных граней, а на второй ступени формируют две ос-

тальные, расположенные взаимно противоположно, грани в упомянутых вертикальных валках с гладкой бочкой. Готовое изделие в виде прутка с шестигранным профилем получают за 5 проходов. Абсолютное обжатие за проход составляет 0,27-0,69 мм.

К недостаткам известного способа относится большая трудоемкость и материалоемкость, обусловленные необходимостью использования большого количества оборудования и большого числа проходов. Кроме того, для осуществления способа необходимо применение специально обработанной заготовки.

Известен способ [14] изготовления калиброванного шестигранного профиля, включающий многоступенчатую деформацию заготовки в ряде калибров с формированием на отдельных ступенях деформации отдельных граней профиля поочередно в заданных направлениях. На первой ступени деформации формируют только три четные или только три нечетные грани с приданием им предчистовых размеров, на второй ступени формируют остальные три грани с предчистовыми размерами, а на третьей ступени - все шесть граней одновременно с чистовыми окончательными размерами профиля (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Схема осуществления способа изготовления калиброванного шестигранного профиля: 1 - валки первой ступени роликовой волоки; 2 - заготовка; 3 - валки второй ступени роликовой волоки; 4 - монолитная волока Недостатком данного способа является невозможность использования роликовой волоки (калибров) из-за больших габаритов на наиболее распространенном для метизных заводах оборудовании для производства калиброванных прутков - цепных волочильных станах. К тому же для осуществления такого способа необходима значительная длина заостренного конца заготовки,

так как проталкивание конца заготовки через роликовый калибр и монолитную волоку обуславливается нестабильностью процесса из-за большой длины редуцируемого участка.

Известен способ [15] производства калиброванной шестигранной стали, включающий двухступенчатую деформацию исходной заготовки с шестигранным профилем в ряде калибров роликовой волоки с деформированием вершин и граней профиля поочередно в двух взаимно перпендикулярных направлениях с использованием ромбических калибров и вертикальных валков с гладкой бочкой. При этом на первой ступени в ромбическом калибре с горизонтальной плоскостью разъема формируют две пары смежных граней с образованием неправильного шестигранника, а на второй ступени в вертикальных валках с гладкой бочкой формируют остальные две грани, расположенные диаметрально противоположно. При таком способе готовое изделие в виде прутка с шестигранным профилем получается за 2 прохода.

К недостаткам описанного способа относится большая трудоемкость, обусловленная большим числом проходов и наличием больших сил трения скольжения в очаге деформации, которые вызывают появление задиров, затяжек и трещин на поверхности готового изделия и резко снижают срок службы инструмента.

Известен способ [16] изготовления калиброванного шестигранного профиля, включающий многоступенчатую деформацию заготовки в ряде калибров с формированием на отдельных ступенях деформации отдельных граней профиля поочередно в заданных направлениях. На первой ступени деформации формируют только три четные или только три нечетные грани с приданием им предчистовых размеров, на второй ступени формируют остальные три грани с предчистовыми размерами, а на третьей ступени - все шесть граней одновременно с чистовыми окончательными размерами профиля.

Недостатком данного способа является невозможность использования роликовой волоки (калибров) и монолитной волоки из-за больших габаритных размеров конструкции на наиболе�