78 / 2 (65), 2012 Influence of technological parameters of deformation on solidity losses at the example of super-strength wire with diameter 0,20 mm is considered. Difference of influ- ence of separate types of deformation from influence of summation influence on solidity losses is shown. Б. А. БиРЮКОв, Ю. в. ФеОКТиСТОв, А. в. веДеНеев, ОАО «БМЗ» УДК 669. снИженИе оБрывностИ высокопрочной проволокИ прИ свИвке Из нее металлокорда на машИнах двойного крученИя Процесс изготовления металлокорда, как пра- вило, производимого на высокоскоростных сви- вочных машинах, зачастую сопровождается обры- вами тонких проволок, которые ухудшают каче- ство металлокорда, сдерживают производитель- ность оборудования и приводят к перерасходу исходного материала. На Белорусском металлур- гическом заводе, производящим высокопрочный металлокорд, давно изучаются причины обрывно- сти тончайшей стальной латунированной прово- локи при свивке из нее прядей и металлокорда. В данной статье сделана попытка описать основ- ные причины ее обрывов при свивке изделий на машинах двойного кручения. Свивка высокопрочной проволоки в металло- корд должна обеспечивать малые потери прочно- сти и низкую обрывность. Снижение потерь проч- ности возможно в относительно простых (3–7 ни- точных) или же в многослойных и компактных конструкциях металлокорда. При этом минималь- ная обрывность и снижение потерь прочности обе- спечиваются при выборе рациональных схем де- формации при свивке. К недостаткам метода двой- ного кручения относится прежде всего повышенное требование к качеству перерабатываемой проволо- ки по чистоте стали (неметаллические включения, повышенное содержание цветных металлов, азота и др.), дефектам метизного передела (низкий запас пластичности, склонность к расслоению и др.). Такая чувствительность технологии при изготов- лении канатов методом двойного кручения связана со спецификой деформирования проволоки при свивке, где основное деформирующее воздействие на проволоку «кручение+растяжение» и на поря- док меньше изгиб [1–4]. Основными причинами обрывов проволоки (табл. 1) являются дефекты металлургического и проволочного переделов, а также неотлаженностъ оборудования на участке свивки. На различном свивочном оборудовании дефекты такого характе- ра проявляются по-разному. Так, наибольшее ко- личество обрывов (88,6%) приходится на свивоч- ные машины мод. ТД 2/401 (49% от общего числа свивочных машин фирмы «Danieli» (Италия)), на которых свивают пряди, сердечники и металло- корд простейших конструкций. В том числе 55,2% обрывов происходит из-за дефектов металлурги- ческого передела, в частности, вследствие наличия неметаллических включений в стали. Это связано со спецификой деформирования проволоки в тор- сионном узле свивальных машин, где витые изде- лия подвергаются преимущественно знакопере- менному кручению с напряжениями выше предела текучести стали, а также изгибу в устройстве двух- плоскостной рихтовки, применяемой с целью сня- тия свивочных напряжений. Дефекты проволочного передела (в основном электроэрозия, риски, несплошности покрытия) про- являются в большей степени на свивальных маши- нах одинарного кручения СД 2/6 + 1 и СД 2/2 + 1. Основной вид механической нагрузки на проволо- ку в них – изгиб, особенно на трех опорных пре- форматорах и в рихтовальных устройствах, в мень- шей степени оказывает влияние на кручение при свивке. Кроме того, имеет значение и состояние самих свивочных машин. Все указанные факторы не влияют на обрыв- ность на свивальных машинах мод. Ri и RiR фир- мы «Barmag» (Германия), которые отличаются бо- лее благоприятными условиями размотки и дефор- мирований проволоки при свивке. Путем сравнения случаев обрывности на обо- рудовании различных типов установлено, что основное число обрывов приходится на свивочные / 79 2 (65), 2012 машины мод. ТД 2/401. Данные по обрывности проволоки при свивке металлокорда в виде прядей различных конструкций на свивочных машинах мод. ТД 2/401 приведены в табл. 2. Т а б л и ц а 2. Сравнение обрывности для разных конструкций металлокорда на машинах ТД 2/401 Конструкция 4х0,18 3х0,15 Количество обрывов от их общего числа: • частичных • полных 69,46 30,54 74,10 25,9 Потеря производительности свивочных машин, % 16,0 17,46 Таким образом, при свивке металлокорда в ви- де пряди конструкций 4х0,18 и 3х0,15 преобладаю- щими являются частичные обрывы (69,46 и 74,1%) по сравнению с полными обрывами изделия (30,54 и 25,9% соответственно). Это вызывает существен- ные потери производительности свивальных ма- шин на 16,0 и 17,46% соответственно. Единичные обрывы наблюдаются в основном после торсион- ного узла свивальной машины, поэтому распо- знать, на какой катушке находится дефектный ме- талл, не представляется возможным. Исследованы также силовые условия свивки проволок в пряди и металлокорд различных кон- струкций на машинах мод. ТД 2/401. При этом пе- ред их вытяжным шкивом измеряли статическое (при остановленной крутильной части) и динами- ческое натяжения при размотке проволоки. Резуль- таты замеров усилия разрыва свиваемого элемента натяжения проволоки (пряди) при размотке не- посредственно с питающей катушки приведены в табл. 3. Установлено, что статическое натяжение перед вытяжным шкивом почти в 2 раза превышает уси- лие натяжения Рвых при размотке проволоки с от- дающей катушки и составляет 12,2–23,09 % от раз- рывного усилия проволоки [1]. На рис.1 показана схема движения проволоки по проводковой систе- ме машины мод. ТД 2/401. Из рисунка видно, что статическая нагрузка на проволоку возрастает в результате ее перегиба на роликах проводковой системы и от трения о поверхность салазок на кру- тильных частях; наибольший прирост нагрузки (на 55%) происходит на роликах рычага компенсирую- щего устройства и обводных до очага свивки; зна- чительные потери на трение металлокорда о на- правляющую арматуру наблюдаются на второй по ходу салазке крутильной части машины. В процессе свивки вращающаяся нить метал- локорда отбрасывается центробежной силой и об- разует «баллон», размеры которого ограничены условием необходимости контакта нити в точках 7 (рис. 1) с крутильной частью. Давление в этих точ- ках зависит от натяжения каждой проволоки и по- нижается с увеличением частоты вращения нити, однако ее натяжение возрастает. При этом среднее динамическое натяжение Qвых. незначительно пре- вышает статическое Рвых на разных свивальных машинах и изменяется от 0,5 до 1,5 Рвых (табл. 3). Т а б л и ц а 1. Влияние различных факторов на обрывность проволоки при свивке [1] Модель свивочной машины Число обрывов на 1 т годного металлокорда (количество обрывов от их общего числа) Всего обрывов на 1 т металлокорда Доля обрывов, %от дефектов металлургического передела от дефектов прово лочного передела из-за неотлаженности свивочных машин ТД 2/401 0,9 (99,34) 0,562 (81,45) 0,168 (68,85) 1,63 88,59 СД 2/6 + 1 0,006 (0,66) 0,094 (13,62) 0,076 (31,15) 0,176 9,56 СД 2/2 + 1 Ri и RiR – 0,034 (4,93) – 0,034 1,85 Итого 0,906 (100) 0,69 (100) 0,244 (100) 1,84 100 Т а б л и ц а 3. Сравнение динамического и статического натяжений металлокорда и пряди различных конструкций [1] Конструкция металлокорда Статическое натяжение, Н Усилие разрыва для свиваемого элемента, Н Доля усилия разрыва Среднее динамическое натяжение на выходе из свивальной машины (при положении стрелки тензометра), Н Доля от усилия разрыва, %отдающих катушек на выходе из машины или вытяжным шкивом 3х0,22 9±1 18±1 93,15 19,32 20±3 21,47 Зх7х0,22 НЕ 45±2 77,5±2 635,14 12,20 90±4 14,17 4х0,18 6,25±1 12,5±1 59,8 20,9 14±3 23.41 3х0,15 5±1 10±1 43,3 23,09 11,25±3 25,98 3х0,18 6,25±1 12,5±1 59,8 20,9 14,1±3 23.58 4х0,22 9±1 18±1 93,15 19,32 20,25±3 21,74 3х0,20 8±1 76,97 20,79 18±3 23,39 80 / 2 (65), 2012 Исследования показали, что указанные колебания, а соответственно и обрывность проволоки больше на специально неотлаженном оборудовании. Снижению обрывности проволок может спо- собствовать уменьшение величины укручивания проволок на шаге свивки за счет использования ротационной размотки для регулируемой подкрут- ки проволок, схема которой представлена на рис. 2 [5, 6]. Проволока или прядь, разматываясь с катушки 1, сначала направляется против хода машины, по- лучая первичную подкрутку со скоростью wп рото- рами 3, вращающимися синхронно в том же на- правлении, что и крутильный ротор машины 9 и 11. Затем, поступая в ротор 4, получаем вторич- ную подкрутку. Далее проволоки или пряди формируются в структуру металлокорда в распределительном шаблоне 6 и направляются в конус свивки в фор- мирующих плашках 7 и образуют витую структуру определенной конструкции, которая протягивается со скоростью Vсв и вращается со скоростью wр ро- тором 9 крутильной части машины. Затем метал- локорд проходит по «баллону» и поступает в ротор 11, где получает дополнительную подкрутку до го- тового шага. Соотношение скоростей wп и wр является важ- ным для проволоки с точки зрения напряженного состояния в свитой структуре, а для пряди, кроме того, с точки зрения изменения шага свивки: í ì ê ê ï ì ê í ð , 1 t t t w t t w =  ±      где tк – конечный шаг свивки пряди в металлокор- де; tн – начальный шаг свивки пряди до свивки в металлокорд; tмк – шаг свивки металлокорда; tмк+tн – направление свивки металлокорда и пряди совпадают; tмк– tн – разное направление свивки ме- таллокорда и пряди; ï ð 1 w w + – разное направление вращения свивочного ротора и ротационной раз- мотки; ï ð 1 w w − – направление роторов совпадает. На рис. 3 показана сравнительная схема обра- зования упругих крутящих моментов для обычной машины двойного кручения и машины двойного кручения с ротационной размоткой. За счет регулирования степенью подкрутки проволок перед свивкой в металлокорд можно до- биться наилучшего прилегания проволок наружно- го повива к проволокам центральных слоев. Со- гласно рисунку, использование ротационной раз- мотки для отдельных проволок или прядей снижа- ет уровень упругих крутящих моментов, поэтому в меньшей степени требуется воздействие торсио- на для обработки корда крутильной деформацией. Снижение величины деформации кручения, как правило, ведет к снижению обрывности проволок при свивке. Рис. 1. Схема свивальной машины ТД 2/401 и статические нагрузки (цифры в кружках (Н)) на свиваемый элемент витого из- делия конструкции 4х0,18: 1 – питающая катушка; 2 – компенсирующее устройство; 3 – обводные ролики; 4 – лопаточные колеса; 5 – торсионный узел; 6 – проволока диаметром 0,18 мм; 7 – салазки Рис. 2. Кинематическая схема свивочной машины двойно- го кручения с внешним расположением питающих катушек и узлом подкрутки проволок: 1 – питающая катушка; 2 – проволока; 3 – первичная подкрутка; 4 – вторичная подкрут- ка; 5 – направляющие ролики; 6 – распределительный ша- блон; 7 – плашки; 8 – витая структура; 9 – первичная свивка; 10 – «баллон»; 11 – вторичная свивка; 12 – витая структура с номинальным шагом; 13 – торсионный узел; 14 – приемная катушка п п н н к мк мк п р р р / 81 2 (65), 2012 Рис. 3. Направление действия упругих крутящих моментов на проволоках (красный цвет) при полной деформации кру- чения проволок при свивке в металлокорд (черный цвет): а – после пластической деформации при кручении (синий цвет); б – после предварительной подкрутки (зеленый цвет); а – обычная машина двойной свивки; б – машина двойной свивки с регулируемой степенью подкручивания проволок (ротационная размотка) Кроме того, актуальным стала возможность ре- гулирования степени деформации на проволоки с помощью ротационных размоток при изготовле- нии компактных конструкций металлокорда и при свивке корда из сверх- и ультравысокопрочной проволоки. В первом случае упругие моменты в проволоке направлены на уплотнение конструк- ции, во втором случае на проволоку воздействуют минимальными крутильными деформациями, сни- жая работу деформации и меньше травмируя про- волоку. Особенно важным использование минималь- ной деформации кручения является при производ- стве высокопрочных материалов, которые впослед- ствии подвергаются сложно деформированному воздействию. Увеличение прочности тонкой про- волоки после волочения приводит к росту упругой части деформации при свивке и, как следствие, к повышению суммарной деформации для прово- лок с целью получения требуемого остаточного кручения, прямолинейности и нераскручиваемо- сти. В зависимости от технологической схемы изготовления металлокорда уровень напряжений и характер их воздействия на свойства проволоки будут различными, которые в некоторых случаях могут привести к разрушению проволок при свив- ке. При сопоставлении наиболее частом месте об- рывов в торсионе и максимальном разупрочнении проволок за счет пиковой деформации кручения [8, 9] можно в целом вероятность обрывности ме- таллокорда оценивать через потери прочности во- лоченой проволоки. Оценка доли каждого типа потерь волоченой проволоки при свивке была проведена на образцах ряда конструкций металлокорда. Результаты при- ведены в табл. 4. Как видно из таблицы, для разных конструкций металлокорда основная доля потерь прочности приходится на потери при воздействии на волоче- ную проволоку комплексной деформации растяже- ния, изгиба и кручения, которые всегда присут- ствуют при свивке [4, 6, 7]. Как известно, при работе с проволокой трудно определить величину упругой и пластической де- формаций при сложных видах нагружения. Поэто- му многие исследователи оценивают величину полной и остаточной деформаций, используя про- стые модели нагружения. Так, например, опреде- ляют полную и остаточную деформации проволо- ки по диаграмме удлинение-нагрузка или находят изменение кривизны проволоки, находящейся в свободном состоянии после навивки ее на цилин- дрический стержень (рис. 4). На рис. 4 показана зависимость потерь прочно- сти от величины крутильной и изгибной деформа- ций проволоки диаметром 0,30 мм, изготовленной из высокочистой стали 80 [7]. Методика определе- ния зависимости от крутильной деформации за- ключалась в следующем: на торсиометре проволо- ка длиной 500 мм подвергалась деформации кру- чения под растягивающей нагрузкой, равной 2% от разрывного усилия проволоки. Как видно из ри- сунка, потери прочности при обычно имеющих место при свивке деформациях кручения изменя- ются по параболической зависимости. Комбиниро- ванная схема деформации (изгиб + растяжение) (рис. 5) оказывает большее влияние на потери прочности, чем деформация при кручении. Т а б л и ц а 4. Значения потерь прочности проволок для металлокорда различных конструкций Конструкция металлокорда Полные потери Кп, % Потери на деформацию Кд, % Доля Кд в полных потерях, % Конструктивные потери Кк, % Доля Кк в полных потерях, % 2х0,30 НТ 7,4 6,8 91,9 0,6 8,1 3х0,35 НТ 3,81 3,35 87,9 0,46 12,1 3 + 9х0,35 НТ 4,33 2,73 63,0 1,6 37,0 3х0,15/6х0,265 ST CC 6,43 5,03 78,2 1,4 21,8 0,20 + 18х0,175 СС 7,76 6,65 85,7 1,11 14,3 0,20 + 18х0,175 ST CC 8.17 6.13 75,0 2.04 25,0 3 + 8 + 13х0,22 + 0,15 8,05 7,45 92,5 0,6 7,5 82 / 2 (65), 2012 Создание имитации сложной деформации про- изводится путем отслеживания перемещения про- извольной точки на поверхности проволоки из реальных кинематических зависимостей процесса деформационной обработки проволоки. Чем выше упругие характеристики проволоки, тем больше будет отмечено перемещение точки. На рис. 5 показана зависимость изменения ис- ходной прочности волоченой проволоки диаме- тром 0,30 мм под воздействием совместной дефор- мации растяжения с изгибом. Судя по динамике изменения прочности прово- локи, сочетание деформации изгиба с растягиваю- щей нагрузкой 40–60 Н приводит к интенсивному разупрочнению (13%) с последующим не менее интенсивным упрочнением. Предполагается, что данный эффект происходит с появлением и анни- гиляцией свободных дислокаций с последующим созданием и накоплением новых. Рассмотренная схема деформирования проволоки вполне может соответствовать машинам одинарного кручения, в которых отсутствует деформация кручения про- волоки вокруг своей оси. Но при производстве ме- таллокорда на современных производствах в основ- ном применяются высокоскоростные машины двойного кручения, которые дополнительно воз- действуют на проволоку крутильными деформаци- ями [4, 6]. Для определения степени воздействия крутиль- ных деформаций на изменение прочности волоче- ной проволоки на рис. 6 показана зависимость из- менения прочности латунированной проволоки диаметром 0,30 мм от сложного вида деформации кручения и натяжения. Судя по постоянной тенденции к снижению уровня исходной прочности волоченой проволоки, можно предположить, что деформация кручения в исследуемом диапазоне нагрузок является прева- лирующей по отношению к растягивающей, кото- рая должна вести к дальнейшему упрочнению про- волоки. В стремлении производителей металлокорда к повышению уровня прочности проволок метал- локорда важно спрогнозировать их поведение в усло- виях сложно-деформированного нагружения. Уста- новлено, что агрегатная прочность металлокорда с увеличением временного сопротивления разрыву проволок повышается непропорционально его воз- растанию. Медленный рост агрегатной прочности металлокорда обусловлен возрастанием потерь от свивки с ростом прочности используемой проволо- ки [10]. Для преодоления упругих свойств высоко- углеродистого материала при свивке требуется бо- лее высокий уровень деформации, что приводит к интенсивной аннигиляции дислокаций за счет большей внесенной энергии и появлению новых плоскостей скольжения. За счет снижения внутрен- них напряжений в проволоке после сложного нагружения снижается модуль упругости (рис. 7). Причем интенсивность снижения практически оди- Рис. 4. Зависимость потерь прочности (Кд) от величины кру- тильной и изгибной деформаций: 1 – деформация кручения; 2 – деформация изгиба Рис. 5. Зависимость изменения прочности (F) латуниро- ванной проволоки диаметром 0,30 мм от сложного вида де- формации изгиба и натяжения (Рраст). Радиус изгиба проволоки: 1 – 2,75 мм; 2 – 1,575; 3 – 1,200 мм Рис. 6. Зависимость изменения прочности (F) латуниро- ванной проволоки диаметром 0,30 мм от сложного вида де- формации кручения (n) и натяжения. Натяжения проволок (Рраст): 1 – 11,4 Н; 2 – 45,6; 3 – 68,4; 4 – 91,2 Н / 83 2 (65), 2012 накова для разных диаметров проволоки из одной марки стали. Как было сказано выше, различная комбинация схем деформации приводит к различному уровню прочности проволок после свивки. На рис. 8, 9 по- казаны динамика изменения прочности сверхвы- сокопрочной проволоки диаметром 0,20 мм от шага свивки и величины растягивающих усилий. Для более полной имитации условий свивки на машине двойного кручения каждая проволока под- вергалась подкручиванию на угол 2π на длине шага свивки. Зависимости, приведенные на рис. 8, 9, явля- ются полезными для разработки технологических параметров настройки свивочных машин. Более общее представление о влиянии сложных видов деформации показано на рис. 10. К сожалению, по уровню полной деформации довольно сложно анализировать отличие способов свивки и их влияние на потери прочности. Требу- ется учитывать доли участия того или иного вида деформации, чтобы научиться управлять техноло- гическим процессом. Основной проблемой свивки из высокопрочной проволоки является высокая обрывность, обусловленная значительными де- формациями кручения и обычно более высоким уровнем натяжения. Рассмотрены составляющие потерь прочности проволок. На примере металлокорда 3х0,30 и 3х0,30 НТ показана доминирующая роль дефор- мации в потере прочности. Выявлено, что основным видом деформации, влияющим на разупрочнение, является деформа- ция изгиба. Совместная деформация изгиба с рас- тяжением на примере высокопрочной проволоки диаметром 0,30 мм имеет ярко выраженный экс- тремум, зависящий от соотношения деформации изгиба к деформации растяжения. Совместная деформация кручения с растяже- нием приводит к росту потерь прочности (и веро- ятности обрывов проволоки), но менее интенсив- но, чем изгиб+растяжение. Сложные виды деформации для волоченой проволоки снижают модуль упругости материала, делая его более пригодным для деформации свивки. Рис. 7. Изменение модуля упругости проволоки 0,20 ST и 0,30 ST от усилия натяжения при сложной деформации в процессе свивки: 1 – диаметр 0,20 мм; 2 – диаметр 0,30 мм Рис. 8. Изменение потерь прочности (К) проволок 0,20 ST от шага свивки (t). Растягивающая нагрузка: 1 – 5 Н; 2 – 10; 3 – 15; 4 – 20; 5 – 25 Н Рис. 9. Изменение потерь прочности (К) от натяжения про- волок 0,20 ST при свивке (Рраст). Шаг свивки: 1 – 5 мм; 2 – 10; 3 – 15 мм Рис. 10. Зависимость потерь прочности (К) проволоки 0,20 ST от величины полной деформации (e) 84 / 2 (65), 2012 Также в работе рассмотрено влияние техноло- гических параметров деформации на потери проч- ности на примере сверхвысокопрочной проволоки диаметром 0,20 мм. Показано отличие влияния от- дельно взятых видов деформации от влияния сум- марного воздействия на потери прочности. Наиболее целесообразным является макси- мальное снижение деформации кручения, чтобы приблизиться к схеме деформации одинарного кручения. Имитацию одинарной свивки при этом возможно осуществить на машинах с ротационной размоткой проволоки. В настоящее время на БМЗ такими машинами являются машины DV3TIR. Су- ществует возможность регулировать направление и угол подкручивания проволок, устраняя при этом упругие крутящие моменты. Это позволяет сни- зить уровень натяжения по сравнению с аналогич- ными машинами DV3TI (Ri-10), имеющими ста- ционарную размотку, что ведет к снижению об- рывности при свивке. Литература 1. Б и р ю к о в Б. А., Ф е о к т и с т о в Ю. В., В е д е н е е в А. В. Снижение обрывности проволоки при свивке из ее прядей и металлокорда на свивальных машинах двойного кручения // Черная металлургия. 1991. № 1. С. 62–63. 2. Б и р ю к о в Б. А., Ф е о к т и с т о в Ю. В., В е д е н е е в А. В. Особенности свивки металлокорда на машинах одинар- ного и двойного кручения // Тез. докл. ВНТС «Пути ускорения научно-технического прогресса в метизном производстве». Магнитогорск, 1990. C. 101–102. 3. Н е м у д р ы й Б. А. Оборудование для свивки металлокорда // Обзорная информация. М.: «Черметинформация». 1980. Сер. 9. Вып. 2. 4. Ф е о к т и с т о в Ю. В. Разработка и внедрение технологии производства металлокорда методами многократной деформации кручения: Дис. … канд. техн. наук. Минск, 1992. 5. В л а д и м и р о в Ю. В. Новое поколение высокоскоростных прядевьющих свивальных машин // Обзорная информация. М.: АО «Черметинформация». Сер. Метизное производство. 1993. Вып. 1. 6. Б и р ю к о в Б. А., Ф е о к т и с т о в Ю. В., И г н а т ь е в С. Н. Расчеты параметров свивки металлокорда. Мн.: Белорг- станкопромиздат, 1996. 7. В е д е н е е в А. В., Ж е л т к о в А. С., Ф и л и п п о в В. В. Анализ деформаций элементов витых структур и их влия- ние на потери прочности при производстве металлокорда // Весці НАН Беларусi. Сер. фіз.-тэхн. навук. 2000. № 3. С. 23–27. 8. Ф е т и с о в В. П. Природа изменения свойств холоднодеформированной проволоки в процессе свивки высокопрочного металлокорда // Сб. науч. тр. «Металлургия и литейное производство». Минск, 1997. С. 8–10. 9. Б и р ю к о в Б. А., В е д е н е е в А. В., П а н а с е н к о В. С. Исследование влияния основных технологических фак- торов на потери прочности латунированной проволоки в результате свивки в односторонний металлокорд // Совершенствова- ние технологических процессов на Белорусском металлургическом заводе. 1994. С. 28–32. 10. Г о л о м а з о в В. А., Б и р ю к о в Б. А., С о к о л о в Н. В. Свойства металлокорда // Метизное производство. 1973. Сер. 9. Вып. 4.