4 (68), 2012 / 101 The deformation criterion of assessment for optimiza- tion of the wire drawing routes of thin high-carbon wire, enabling to increase plastic properties of wire is offered. Ю. Л. БоБарикин, С. В. аВСейкоВ, ГГТУ им. П. о. Сухого, а. В. ВеденееВ, и. н. радькоВа, оао «БМЗ» – управляющая компания холдинга «БМк» УДК 621.778.073 Деформационный критерий оптимизации маршрутов волочения тонкой высокоуглероДистой проволоки Многократное волочение проволоки основано на последовательном деформировании одной про- волочной заготовки в нескольких волоках, обеспе- чивающих постепенное уменьшение диаметра проволоки по мере ее перемещения от первой к последней волоке. Деформация проволоки в од- ной волоке составляет один переход волочения. Маршрут волочения металлической проволоки представляет собой последовательность диаме- тров волок, формирующих диаметр проволоки по переходам волочения. Расчет обжатий при волоче- нии высокоуглеродистой проволоки обоснован выполнением основного условия волочения: пре- дел текучести проволоки на выходе из волоки дол- жен быть ниже усилия волочения, прикладывае- мого к проволоке на выходе из волоки от тянущего устройства. Величина обжатий по переходам воло- чения должна быть согласована с кинематически- ми особенностями волочильного стана. Маршрут волочения обеспечивает не только последовательное приближение диаметра прово- локи к конечному диаметру, но и формирует меха- нические свойства проволоки, влияет на энергопо- требление процесса, износ рабочих каналов волок, эксплуатационные свойства смазочных и охлажда- ющих материалов и др. Под оптимизацией марш- рута волочения понимается определение такой по- следовательности диаметров волок, которая при- водит к положительным изменениям перечислен- ных факторов. В данной работе рассматривается вопрос об оптимизации маршрута волочения с точ- ки зрения получения таких механических свойств проволоки, которые обеспечивают повышение тех- нологичности ее дальнейшей переработки в ме- таллокорд с помощью операции свивки при усло- вии отсутствия негативных последствий на другие факторы волочения. Под технологичностью такой переработки понимают уровень обрывности про- волок при их сложной деформации при свивке, значение прямолинейности металлокорда после свивки и другие параметры. Анализ причин снижения технологичности пе- реработки проволоки в металлокорд позволил об- ратить внимание на связь деформаций проволоки при волочении с технологичностью ее свивки в металлокорд. Как известно, процесс волочения характеризу- ется неравномерностью деформаций по сечению проволоки. Избыточные растягивающие напряже- ния на поверхности проволоки приводят к сниже- нию пластических свойств проволоки в целом. Неравномерность деформации является также ис- точником возникновения остаточных напряжений и деформаций, ухудшающих прямолинейность проволоки и металлокорда. В идеальном случае неравномерность деформации должна отсутство- вать, а в реальном – должна быть минимизирована. Распределение деформации в проволоке в оча- ге деформации в каждой волоке различно. По мере продвижения проволоки к последней волоке не- равномерность деформации повышается. Формирование в проволоке высокого градиен- та неравномерной деформации негативно сказыва- ется на пластических свойствах проволоки и явля- ется причиной появления остаточных напряже- ний, которые снижают технологичность свивки проволоки в металлокорд. Как видно из рис. 1, площадь внутреннего слоя S1 проволоки в 3 раза меньше площади поверх- ностного слоя S2. Следовательно, переупрочнен- ный поверхностный слой проволоки, имеющий толщину, равную R/2, будет вызывать большие со- 4 (68), 2012 102 / Рис. 1. Схема поперечного сечения проволоки Рис. 2. Распределение накопленной истинной эквивалентной пластической деформации по радиусу поперечного сечения тонкой проволоки после волочения противление внутреннего слоя и тем выше будут остаточные напряжения в проволоке. Для сниже- ния сопротивления внутреннего слоя проволоки следует уменьшить толщину переупрочненного слоя. Таким образом, внутренние слои сопротив- ляются меньше. Уменьшение толщины поверх- ностного переупрочненного слоя проволоки по- зволит увеличить ее прямолинейность (вследствие снижения остаточных напряжений) и повысить пластические свойства. На рис. 2 показано распределение пластиче- ской деформации в поперечном сечении тонкой проволоки радиусом R для двух вариантов марш- рутов волочения. Для оценки неравномерности пластической деформации предлагается использо- вать принцип, который наилучшим образом отра- жает одновременно разность деформаций между поверхностными и внутренними слоями проволо- ки, а также форму кривой действительного рас- пределения накопленной истинной пластической деформации (рис. 2), определяемого с помощью численного моделирования [1]. Принцип оценки формирования неравномерности деформаций в про- цессе тонкого волочения в проволоке предлагается оценивать деформационным критерием: /2 0 0 2( )R R Kε ε − ε = ε − ε , (1) где e0 – величина накопленной истинной пласти- ческой деформации в центре поперечного сечения проволоки соответствует минимальному значению деформации; eR/2 – величина накопленной истин- ной пластической деформации на расстоянии, рав- ном половине радиуса окружности поперечного сечения деформируемой проволоки; eR – величина накопленной истинной пластической деформации в поверхностных слоях поперечного сечения про- волоки соответствует максимальному значению деформации. Проводя одновременно анализ выражения (1) и рис. 2, можно отметить, что в основе деформа- ционного критерия лежит сравнение значений де- формации на расстоянии, равном половине радиу- са окружности поперечного сечения деформируе- мой проволоки eR/2, со средними значениями пла- стической деформации eср.теор, полученными как среднее от теоретической суммы минимальной emin = e0 и максимальной деформации emax = eR в сечении проволоки. Таким образом, как видно из рисунка, при изменении распределения деформа- 4 (68), 2012 / 103 ции по сечению проволоки значение eср.теор не из- меняется. Изменяется в значительной степени зна- чение eR/2 в сравнении со значениями средней де- формации eср.действ, полученными как среднее зна- чение от действительной суммы всех значений на кривой распределения деформации по отношению к eср.теор. Так как деформационная неравномерность од- новременно с суммарной степенью деформации проволоки возрастает от перехода к переходу маршрута волочения, то, представляя значения eR/2 и eср.теор относительно значений emin = e0, в каждом переходе волочения будет определена степень неравномерности деформации в попереч- ном сечении проволоки в каждом переходе и из- менение относительно остальных переходов марш- рута волочения. Используя деформационный критерий, пред- ставляется возможным корректировка параметров маршрута волочения для улучшения распределе- ния пластической деформации по сечению гото- вой тонкой проволоки. Равномерное распределе- ние деформации будет способствовать снижению остаточных напряжений и позволит повысить пла- стические свойства тонкой проволоки. С целью экспериментального анализа неравно- мерности деформации по сечению проволоки при волочении использовали метод определения ми- кротвердости металла в разных точках поперечно- го сечения тонкой проволоки. Микротвердость по поперечному сечению проволоки определяли проведением испытаний на микротвердомере ПМТ-3 по вдавливанию микро- индентора в поперечное сечение проволоки со- гласно [2]. На рис. 3, а показана схема контроль- ных точек для измерения микротвердости прово- локи, а на рис. 3, б – образец тонкой проволоки с отпечатками после внедрения микроиндентора для определения распределения микротвердости в поперечном сечении проволоки. Значение твердости по Виккерсу вычисляют по формуле [3]: 2 2 2 sin( / 2) 1,854P FHV d d α = = , (2) где F – нагрузка, Н; р – нагрузка, кгс; a – угол между противоположными гранями пирамиды при вершине, равный 136°; d – среднее арифмети- ческое значение длин обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки, мм. В результате испытания образцов на микро- твердость были получены значения микротвердо- сти, приведенные в табл. 1. Т а б л и ц а 1. Значения микротвердости для образцов проволоки в поперечном сечении Номер образца Диаметр проволоки, мм Нагрузка, Н Значение микротвердости HV, ед. центр, d = 0 d = 0,3Ø d = 0,6Ø d = 0,9Ø 1 0,35 0,05 1089,4 861,2 929,8 1004,9 931,7 747,6 1004,9 1089,4 929,7 544,6 Среднее значение 1089,40 960,77 869,03 851,47 В соответствии с [2, 4] значения микротвердо- сти могут использоваться для определения меха- нических характеристик исследуемых образцов. Это дает возможность с помощью измерения ми- кротвердости сечения проволоки оценить харак- тер распределения механических свойств металла в сечении проволоки. Полученные эксперимен- тальные распределения могут являться качествен- ным доказательством адекватности численных расчетов. В зависимости от микротвердости уравнение для расчета пластичности имеет вид [4]: 211 (1 2 ) sin ln(sin ) HV E δ = + − ν − ν γ γ , (3) где g – угол между осью пирамиды (индентора) и ее гранью, для пирамидального индентора Вик- а б Рис. 3. Определения микротвердости в поперечном сечении проволоки d = 0,35 мм: а – схема внедрения микроиндентора в образец проволоки; б – сечение образца проволоки после измерения микротвердости 4 (68), 2012 104 / керса g = 68°; n – коэффициент Пуассона для дан- ного материала (сталь 80), n = 0,29; е – модуль Юнга, е = 205 000 МПа; HV – твердость по Вик- керсу, ед. В соответствии с формулой (3) был произве- ден расчет пластичности для исследуемых образ- цов. Полученные значения приведены в табл. 2. Т а б л и ц а 2. Значения пластичности для образцов проволоки в поперечном сечении Номер образца Диаметр проволоки, мм Значение пластичности центр, d = 0 d = 0,3Ø d = 0,6Ø d = 0,9Ø 1 0,35 0,9589 0,968 0,965 0,962 0,965 0,972 0,962 0,959 0,965 0,979 Среднее значение 0,9589 0,9638 0,9672 0,9679 Качественное сравнение расчетного распреде- ления осевой пластической деформации (рис. 4, 2) с экспериментальным распределением пластично- сти (рис. 4, 1) показывает, что распределение рас- четной осевой пластической деформации обратно пропорционально распределению эксперимен- тальной пластичности. Полученное сравнение указывает на адекватность численного расчета, так как пластичность и степень деформации, со- провождаемая упрочнением, находятся в обратной зависимости. На этом основании можно предпола- гать о наличии достоверности в полученных зна- чениях распределения расчетных эквивалентных пластических деформаций на рис. 2. Компоненты тензора деформации err, eqq, ezz максимальны в центре очага деформации прово- локи при волочении. Тогда, согласно критерию пластичности сплошных сред, предложенного Ми- зесом, неравномерность деформации проволоки по сечению определяется главным образом вели- чиной сдвиговых деформаций erz. Параметры, вли- яющие на величину деформации сдвига erz, опре- деляют степень неравномерности деформации проволоки по сечению. Увеличение единичных обжатий и уменьшение угла конической части во- локи снижают неравномерность деформаций [5]. Тогда уменьшение единичного обжатия прово- локи за счет введения в маршрут волочения раз- бивкой обжатия для снижения степени деформа- ции и уменьшения максимальной температуры по- верхности проволоки повлияет на распределение деформаций в оптимизированном маршруте воло- чения. Распределение пластической деформации в по- перечном сечении проволоки получено числен- ным расчетом с использованием метода конечных элементов. Результаты расчета для каждой волоки по маршруту действующего процесса волочения приведены на рис. 5. Из рисунка видно, что соотношение суммар- ной пластической деформации в поверхностных и внутренних слоях поперечного сечения сохраня- ются в маршруте волочения несмотря на увеличе- ние абсолютных значений пластической деформа- ции слоев проволоки по мере прохождения по маршруту волочения. Распределение деформаций сдвига в продоль- ном сечении проволоки в очаге деформации 25-й волоки показано на рис. 6. Рис. 4. Сравнение значений экспериментального определения пластичности (1) с распределением осевой пластической де- формации (2) в поперечном сечении проволоки диаметром 0,35 мм 4 (68), 2012 / 105 Анализируя распределение полей деформации сдвига (рис. 6) в виде цветокодированных изобра- жений, можно отметить, что с уменьшением еди- ничного обжатия при волочении поле максималь- ных значений деформации сдвига смещается к по- верхности проволоки, что приводит к перераспре- делению суммарной пластической деформации между внутренними и поверхностными слоями проволоки. На рис. 7 показано изменение коэффициента деформационной неравномерности Кe для базово- го и оптимизированного маршрута волочения. Анализируя совместно выражение (1) и рис. 7, получаем, что при Кe = 1 пластическая деформа- ция между слоями от центра до поверхности в поперечном сечении тонкой проволоки распре- делена равномерно. Тогда, чем ближе значение коэффициента Кe к 1, тем равномернее распреде- лена суммарная пластическая деформация в про- волоке. Сравнивая базовый маршрут волочения с марш- рутом с пониженным единичным обжатием тон- кой проволоки по деформационному критерию, можно увидеть улучшение пластических характе- ристик тонкой ультравысокопрочной проволоки по таким показателям, как полное удлинение (на 6%), число реверсивных скручиваний (в 9,14 раз) и число скручиваний двух проволок на базе 250 мм Рис. 5. Распределение пластической деформации в поперечном сечении проволоки в базовом маршруте волочения а б –11 –9,9 –8,8 –7,7 –6,6 –5,5 –4,4 –3,3 –2,2 –1,1 ~0 Шкала пластической деформации сдвига erz, % Рис. 6. Поле деформаций сдвига erz в 25-й волоке: а – с единичным обжатием н = 12,7% и углом конической части волоки a = 12°; б – с единичным обжатием н = 9,36% и углом конической части волоки a = 12° 4 (68), 2012 106 / под нагрузкой 20% от разрывного усилия (в 1,85 раза) [6]. Предложен деформационный критерий оценки для оптимизации маршрутов волочения тонкой вы- сокоуглеродистой проволоки, позволяющий увели- чить пластические свойства проволоки при сохра- нении ее прочности в допустимых пределах с це- лью повышения технологичности свивки металло- корда из этой проволоки. Рис. 7. Изменение коэффициента деформационной неравномерности Кe в базовом и оптимизированном маршруте волочения Литература 1. Б о б а р и к и н Ю. Л. Математическое описание формирования пластических свойств проволоки из стали 90 при вы- сокоскоростном волочении / Ю. Л. Бобарикин, С. В. Авсейков // Литье и металлургия. 2011. № 3. С. 61–65. 2. Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Виккерсу. ГОСТ 2999-75. М.: Изд-во стандартов, 1987. 3. Ф е д о с о в С. А., П е ш е к Л. Определение механических свойств материалов микроиндентированием. Современ- ные зарубежные методики. М.: Физический факультет МГУ, 2004. 4. М и л ь м а н Ю. В., Ч у г у н о в а С. И., Г о н ч а р о в а И. В. К вопросу определения пластичности материалов мето- дом индентирования. 5. Б о б а р и к и н Ю. Л., В е р е щ а г и н М. Н. Оптимизация тонкого волочения высокоуглеродистой стальной прово- локи. Гомель: ГГТУ им. П. О. Сухого, 2011. 6. Б о б а р и к и н Ю. Л. Методика оценки качества проволоки / Ю. Л. Бобарикин, С. В. Авсейков, С. И. Прач // Сб. мате- риалов ЗНТК молодых работников ОАО «БМЗ» «Металл-2012». Жлобин. 2011. С. 52–55.