/ 41 1 (54), 2 (55), 2010 Investigation by numerical modeling of influence of the form of deforming zone of die at drawing of steel high- carbon wire on temperature and strained-deformed state in wire and die is carried out. ю. л. БоБАрикиН, М. Н. вЕрЕщАГиН, М. ю. цЕлуЕв, ГГТу им. П. о. сухого, А. в. вЕдЕНЕЕв, о. и. иГНАТЕНко, руП «БМЗ» УДК 669. ИсследованИе чИсленным моделИрованИем влИянИя формы деформИруюЩей зоны волокИ прИ волоченИИ стальной высокоуглеродИстой проволокИ на температурное И напряженно- деформИрованное состоянИе в проволоке И волоке Основная деформация проволоки при ее воло- чении осуществляется в рабочей или деформиру- ющей зоне волоки, представляющей собой сужа- ющийся канал по ходу движения проволоки. Фор- ма продольного профиля деформирующей зоны волоки в значительной степени определяет каче- ство получаемой проволоки, стойкость волок, энергосиловые параметры процесса волочения. Известны несколько видов форм деформирующей зоны волоки [1]: коническая, радиальная (выпу- клая), вогнутая и сигмоидальная. В большинстве случаев оптимальную геометрию этой формы определяют на основе производственного опыта с учетом возможностей обработки и переработки канала волоки. В современном волочильном про- изводстве наиболее распространена коническая форма как самая оптимальная для обработки шли- фовкой. Основные геометрические параметры ко- нической формы деформирующей зоны волоки определяют опытным путем. Реже применяется радиальная форма деформирующей зоны волоки. Продолжаются изучение и анализ других форм деформирующих зон волок [2]. Это связано с высоким влиянием формы деформирующей зоны волоки практически на все основные показа- тели волочения. Также появляются новые совре- менные возможности в области механической об- работки канала волоки, что расширяет область практического изготовления более сложных форм каналов волок. В исследованиях [1] приводятся достаточно противоречивые сведения о влиянии формы де- формирующей зоны волоки на напряжение воло- чения проволоки. Проведен анализ результатов исследования конической, радиальной и сигмои- дальной форм деформирующих зон волок. Для радиальных и сигмоидальных зон приводятся до- казательства как наличия преимуществ, так и их отсутствия относительно конических деформиру- ющих зон. Выводы в этой работе построены на аналитических и экспериментальных исследова- ниях напряжения волочения и технической воз- можности обработки канала волоки. В работе [2] приведены результаты экспери- ментальных исследований волочения стальной высокоуглеродистой проволоки через волоки с сиг- моидальной, вогнутой, выпуклой и конической формами деформирующей зоны волоки. Оценива- лись пластические свойства проволоки после во- лочения испытанием на кручение, определялась величина поверхностных остаточных напряже- ний на проволоке, качество поверхности проволо- ки, равномерность распределения микротвердо- сти по поперечному сечению проволоки. Сделан вывод о преимуществе сигмоидальной и вогнутой форм деформирующей зоны волоки исходя из сравнения результатов исследований свойств про- волоки после волочения. Основной задачей этой работы являлось про- должение исследований в указанном выше на- правлении с помощью средств численного моде- лирования методом конечных элементов с целью определения преимуществ различных форм де- формирующих зон волок. В качестве критериев 42 / 1 (54), 2 (55), 2010 оценки была принята максимальная температура в проволоке, максимальные значения интенсивно- сти упругих деформаций в волоке, максимальные значения интенсивности напряжений в волоке. Принималось, что если форма рабочей зоны воло- ки обеспечивает минимальное значение макси- мальной температуры в проволоке, то она более предпочтительна относительно других форм, так как обеспечивает меньшее деформацион- ное старение проволоки и лучшие пла- стические характеристики проволоки по- сле волочения. Дополнительно принима- лось, что если форма рабочей зоны воло- ки обеспечивает минимальные значения максимальных величин интенсивности упругих деформаций и интенсивности упругих напряжений в волоке, обычно действующих в области контакта волоки с проволокой, то эта форма более предпо- чтительна относительно других форм, так как обеспечивает меньшую нагрузку на волоку и, как следствие, ее большую стой- кость. Для численных исследований использовали исходные данные, приведенные в [3], где изуча- лось волочение проволоки из стали 90 через твер- досплавную волоку с конической рабочей зоной. Дополнительно для моделирования в исходных данных были приняты волоки с радиальной (рис. 1), сигмоидальной (рис. 2) формой рабочей зоны и волока. Волока с вогнутой формой рабочей зо- ны не рассматривалась, так как среди других форм она имеет склонность к самому значитель- ному износу участка волоки на границе дефор- мирующей и калибрующей зон волоки. Также моделировали волочение проволоки через воло- ку с радиаль но-конической деформирующей зо- ной (рис. 3), представляющей собой комбинацию радиального и конического участка деформирую- щей зоны волоки. Радиальный участок сопряжен с калибрующей зоной волоки. Такая форма дефор- мирующей зоны может быть получена на тради- ционном оборудовании для обработки каналов волок. Для получения сравнительной характеристики распределения ТП (температурных полей) и НДС (напряженно-деформированного состояния) в про- волоке и волоке было проведено численное моде- лирование волочения проволоки че рез волоки с различной формой деформирующих зон. В результате для разных форм деформирую- щих зон волок вычислены распределения ТП и НДС в волоке и проволоке. При определении максимальных значений интенсивности упругих деформаций в волоке ei, максимальных значений интенсивности напряжений в волоке si, макси- мальных температур в проволоке Тmax получены следующие результаты для различных вариантов волок: 1) волока с радиальной деформирующей зоной при R = 5,5 мм, k = 0,4: Тmax = 308 °С (рис. 4); ei = 8,856·10–3 (рис. 5); si = 6762 МПа (рис. 6); 2) волока с радиальной деформирующей зоной при R = 0,6 мм, k = 0,2: Тmax = 280 °С; ei = 9,969·10–3; si = 7209 МПа; 3) волока с радиальной деформирующей зоной при R = 2,5 мм, k = 0,2: Тmax = 303,8 °С (рис. 7); ei = 7,781·10–3 (рис. 8); si = 6037 МПа (рис. 9); Рис. 1. Эскиз волоки с радиальной деформирующей зоной Рис. 2. Эскиз волоки с сигмоидальной деформирующей зоной Рис. 3. Эскиз волоки с радиально-конической деформирую- щей зоной / 43 1 (54), 2 (55), 2010 Рис. 4. Температурное поле при волочении проволоки че- рез волоку с радиальной деформирующей зоной (k = 0,4; R = 5,5 мм; f = 0,02) Рис. 5. Поле интенсивности упругих деформаций ei при во- лочении проволоки через волоку с радиальной деформиру- ющей зоной (k = 0,4; R = 5,5 мм; f = 0,02) Рис. 6. Поле интенсивности напряжений sI, МПа, при воло- чении проволоки через волоку с радиальной деформирую- щей зоной (k = 0,4; R = 5,5 мм; f = 0,02) Рис. 7. Температурное поле при волочении проволоки че- рез волоку с радиальной деформирующей зоной (k = 0,2; R = 2,5 мм; f = 0,02) Рис. 9. Поле интенсивности напряжений sI, МПа, при воло- чении проволоки через волоку с радиальной деформирую- щей зоной (k = 0,2; R = 2,5 мм; f = 0,02) Рис. 8. Поле интенсивности упругих деформаций ei при во- лочении проволоки через волоку с радиальной деформиру- ющей зоной (k = 0,2; R = 2,5 мм; f = 0,02) 44 / 1 (54), 2 (55), 2010 4) волока с радиальной деформирующей зоной при R = 2,5 мм, k = 0,4: Тmax = 321 °С; ei = 7,87·10–3; si = 6104 МПа; 5) волока с сигмоидальной деформирую- щей зоной (см. рис. 2): Тmax = 294 °С (рис. 10); ei = 9,737·10–3 (рис. 11); si = 7243 МПа (рис. 12); 6) волока с радиально-конической деформи- рующей зоной (см. рис. 3) при R = 1 мм; α = 11°; k = 0,2: Тmax = 275,1 °С; ei = 9,053·10–3; si = 6888 МПа; 7) волока с конической деформирующей зоной с параметрами α = 11°, k = 0,2: Тmax = 269 °С (рис. 13), ei = 1,050·10–2 (рис. 14), si = 7,680·103 МПа (рис. 15). Анализ полученных данных показывает, что исследованные волоки вариантов 1–6 с некониче- скими деформирующими зонами существенно не изменяют максимальную температуру в проволо- ке по сравнению с волокой варианта 7, имеющей коническую деформирующую зону. Однако воло- ки вариантов 1–6 позволяют значительно снизить максимальные нагрузки в волоке. Например, при моделировании волочения проволоки через воло- ку с радиальной деформирующей зоной варианта 3 максимальная величина si составила 6037 МПа, а максимальная величина ei – 7,781·10–3. При воло- чении через волоку варианта 7 с конической де- формирующей зоной эти величины соответствен- но равны 7680 МПа и 1,050·10–2. Снижение упру- гого напряженно-деформированного состояния волоки наблюдается во всех волоках с некониче- скими элементами в форме деформирующих зон волок. На основании проведенного численного моде- лирования температурных полей и напряженно- Рис. 10. Температурное поле при волочении проволоки че- рез волоку с сигмоидальной деформирующей зоной (k = 0,4; f = 0,02) Рис. 11. Поле интенсивности упругих деформаций ei при во- лочении проволоки через волоку с сигмоидальной деформи- рующей зоной (k = 0,4; f = 0,02) Рис. 12. Поле интенсивности напряжений sI в МПа при во- лочении проволоки через волоку с сигмоидальной деформи- рующей зоной (k = 0,4; f = 0,02) Рис. 13. Температурное поле при волочении проволоки че- рез волоку с конической деформирующей зоной (k = 0,2; αопт = 11,2°; f = 0,02) / 45 1 (54), 2 (55), 2010 деформированного состояния в проволоке и воло- ке при волочении стальной высокоуглеродистой проволоки через волоки с различной формой де- формирующих зон можно сделать вывод о том, что волочение проволоки в волоках с радиальны- ми элементами деформирующих зон существенно не изменяет температуру в проволоке, но разгру- жает волоки и этим повышает их стойкость. В ка- честве рекомендации может быть предложено практическое испытание волок с геометрией, ана- логичной волоке (см. рис. 3) с радиально-кони чес- кой деформирующей зоной. Рис. 14. Поле интенсивности упругих деформаций при во- лочении проволоки через волоку с конической деформирую- щей зоной (k = 0,2; αопт = 11,2°; f = 0,02) Рис. 15. Поле интенсивности напряжений при волочении проволоки через волоку с конической деформирующей зо- ной (k = 0,2; αопт = 11,2°; f = 0,02) Литература 1. П е р л и н И. Л., Е р м а н о к И. З. Теория волочения. М.: Металлургия, 1971. 2. B a r t l o m I e j P I k o s, J a n W. P I l a r c z y k, B o g d a n G o l I s, R a f a l W l u d z I k and J a n K r n a c Z e l e - z a r n y. Effect of drawing in sigmoidal, concave, convex and conical dies on mechanical properties of high carbon steel wires. Confer- ence Proceedings of The Wire Association. International, Inc. Sponsored by Niehoff. International Wire & Cable Conference, Bologna, Italy, November 2007. P. 216–227. 3. В е р е щ а г и н М. Н., Б о б а р и к и н Ю. Л., Ц е л у е в М. Ю., В е д е н е е в А. В., И г н а т е н к о О. И. Численное моделирование и исследование влияния контактного трения на распределение температурных полей и напряженно-дефор- мированное состояние в стальной проволоке при высокоскоростном волочении // Литье и металлургия. 2009. № 4. С. 126–129.