Способ производства триметаллических прутковых и проволочных изделий

Изобретение относится к обработке металлов давлением и предназначено для производства триметаллических прутковых и проволочных изделий волочением. Способ включает предварительное формирование на изделии захватки с заостренным и коническим участками и последующее волочение через конический канал монолитной волоки. Определяют предельную вытяжку из условия сохранения прочности составляющих слоев заготовки с учетом технологических особенностей производства триметаллической заготовки, прочностных характеристик каждого из слоев и относительной площади каждого из слоев, составляющих триметаллическую заготовку. В результате обеспечивается повышение качества протягиваемых триметаллических изделий.

 

Изобретение относится к обработке металлов давлением и предназначено для производства триметаллических прутковых и проволочных изделий волочением.

К триметаллическим изделиям в виде прутков проволоки относят изделия, включающие три слоя из разных металлов.

Известно, что прутки и проволоку изготавливают по технологической схеме, совмещающей прокатку или прессование заготовки с последующим волочением заготовки через конические волоки.

При деформировании в волочильном инструменте в заготовке возникает напряжение волочения, которое может приводить обрыву переднего конца заготовки (см. Перлин И.Л., Ерманок М.З. Теория волочения. - М.: Металлургия, 1971. - С. 17).

Наиболее близким способом к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ производства триметаллических прутковых и проволочных изделий, включающий предварительное формирование на изделии захватки с заостренным и коническим участками и последующее волочение через конический канал монолитной волоки. Способ определяет оптимальный угол рабочего канала волочильного инструмента, обеспечивающий минимальное усилие при волочении триметаллических прутковых и проволочных изделий (патент РФ №2492011 от 10.09.2013 г.). Данный способ выбран в качестве прототипа.

Недостатком известного способа является то, что он не позволяет найти предельную деформацию при производстве триметаллических прутковых и проволочных изделий, которая при волочении определяется коэффициентом вытяжки.

Признаки прототипа, совпадающие с признаками заявляемого решения, - предварительное формирование на изделии захватки с заостренным и коническим участками и последующее волочение через конический канал монолитной волоки.

Задачей изобретения является определение предельной вытяжки, превышение которой приведет к разрушению одного из слоев, обладающего минимальным значением предела прочности на растяжение. Разрушение одного из слоев не допустимо, поскольку приведет к выводу из строя всю систему трехслойной конструкции прутка или проволоки.

Поставленная задача была решена за счет того, что в известном способе производства триметаллических прутковых и проволочных изделий, включающем предварительное формирование на изделии захватки с заостренным и коническим участками и последующее волочение через конический канал монолитной волоки, согласно изобретению предельную вытяжку из условия разрушения одного из слоев определяют по формуле:

где - вытяжка при волочении;

d₀, d₁ - диаметры прутка, или проволоки до и после деформации соответственно, м;

σ_s1 - сопротивление деформации металла центрального слоя (сердечника) триметаллической заготовки, МПа;

σ_s2 - сопротивление деформации металла промежуточного слоя, МПа;

σ_s3 - сопротивление деформации металла внешнего слоя, МПа;

- минимальный предел прочности на растяжение i-го слоя на выходе из волочильного инструмента, МПа;

- относительные площади сечения каждого из слоев составляющих триметаллическую заготовку;

F - площадь сечения триметаллическои заготовки, м²;

ƒ - коэффициент внешнего трения в зоне деформации при волочении;

σ_q - напряжение противонатяжения, МПа;

α_в - угол волоки, °.

Признаки предлагаемого способа, отличительные от прототипа -определение предельной вытяжки из условия сохранения прочности триметаллической заготовки.

В реальных условиях волочения напряжение волочения монометаллической заготовки определяется по формуле (см. Механика композиционных материалов и конструкций. 2010 - Том 16, №2. С. 191-196)

где - вытяжка при волочении;

d₀, d₁ - внешний диаметр при волочении монометаллического прутка, или проволочной заготовки до и после деформации соответственно;

α_в - угол наклона образующей инструмента к оси волочения;

α_П - приведенный угол волоки tgα/_II = 0,65tgσ_в;

σ_s - среднее по зоне деформации сопротивление деформации притягиваемого материала;

ƒ - коэффициент внешнего трения в очаге деформации при волочении;

σ_q - напряжение противонатяжения, МПа,

Триметаллическая заготовка состоит из трех слоев: центрального сердечника, промежуточного слоя и внешнего слоя.

Напряжение, обеспечивающее деформацию центрального сердечника, полагая, что в формуле (2) f=0, будет равно

где σ_s1 - сопротивление деформации металла центрального слоя заготовки.

Напряжению волочения (3) соответствует усилие, затрачиваемое на деформацию сердечника

где F₁ - площадь сечения сердечника триметаллическои заготовки.

Напряжение волочения промежуточного слоя триметаллическои заготовки в соответствии с формулой (2) при f=0 составит

Напряжению волочения (5) соответствует усилие, затрачиваемое на деформацию промежуточного слоя

где F₂ - площадь сечения промежуточного слоя триметаллической заготовки.

Для внешнего слоя, находящегося в контакте с волочильным инструментом, напряжение волочения составит

где σ_s3 - сопротивление деформации металла внешнего слоя заготовки.

Напряжение волочения (7) соответствует усилие, затрачиваемое на деформацию внешнего слоя триметаллическои заготовки

где F₃ - площадь сечения внешнего слоя триметаллическои заготовки.

Общее усилие, необходимое для пластической деформации триметаллической заготовки, составит

После подстановки соотношений (4), (6) и (8) в формулу (9), преобразований и перехода к среднему напряжению волочения триметаллической заготовки получим

где - относительные площади сечения каждого из слоев.

Соотношение (10) определяет среднее по сечению напряжение волочения триметаллическои заготовки.

При достижении напряжения (10) минимального значения предела прочности на растяжение i-го слоя произойдет разрыв i-го слоя. При этом условии прочность имеет вид

где - минимальное значение предела прочности на растяжение металла одного из слоев.

Уравнение (11) разрешается относительно λ. После преобразования получим значение λ, превышение которого приведет к разрушению i-ого слоя триметаллической заготовки, что равносильно разрушению всей триметаллической заготовки.

где - предельное значение вытяжки при волочении;

d₀, d₁ - диаметры прутка, или проволоки до и после деформации соответственно;

σ_s1 - сопротивление деформации металла центрального слоя (сердечника) триметаллической заготовки;

σ_s2 - сопротивление деформации металла промежуточного слоя;

σ_s3 - сопротивление деформации металла внешнего слоя;

- минимальный предел прочности на растяжение i-го слоя на выходе из волочильного инструмента;

- относительные площади сечения каждого из слоев составляющих триметаллическую заготовку;

F - площадь сечения триметаллической заготовки;

ƒ - коэффициент внешнего трения в зоне деформации при волочении

σ_q - напряжение противонатяжения, МПа.

Пример реализации предлагаемого способа.

Предлагаемый способ использован для волочения триметаллической заготовки низкотемпературного сверхпроводника, состоящего из медного сердечника, промежуточного сверхпроводникового ниобия и медной стабилизирующей оболочки. При этом геометрические и физические соотношения составляли: σ_s1 = σ_s3 = 300 МПа; σ_s2 = 500 МПа. При волочении заготовки через волочильный инструмент с α_в = 12°, при коэффициенте трения f=0,1 и противонатяжении σ_q=100 МПа. Напряжение волочения составило σ_s1 = σ_s3 = 350 МПа, σ_s2 = 550 МПа.

По формуле (1) предлагаемого способа определили λ_пр=1,37.

Таким образом при превышении λ_пр=1,31 произойдет разрыв либо центрального слоя, либо наружного слоя триметаллической оболочки.

Способ производства триметаллических прутковых и проволочных изделий, включающий предварительное формирование на изделии захватки с заостренным и коническим участками и последующее волочение через конический канал монолитной волоки, отличающийся тем, что волочение проводят с учетом предельной вытяжки, которую определяют из условия разрушения одного из слоев триметаллической заготовки по формуле:

где - предельное значение вытяжки при волочении;

d₀, d₁ - диаметры прутка или проволоки до и после деформации соответственно, м;

σ_s1 - сопротивление деформации металла центрального слоя (сердечника) триметаллической заготовки, МПа;

σ_s2 - сопротивление деформации металла промежуточного слоя, МПа;

σ_s3 - сопротивление деформации металла внешнего слоя, МПа;

- минимальный предел прочности на растяжение i-го слоя на выходе из волочильного инструмента, МПа;

- относительные площади сечения каждого из слоев, составляющих триметаллическую заготовку;

F - площадь сечения триметаллической заготовки, м²;

ƒ - коэффициент внешнего трения в зоне деформации при волочении;

σ_q - напряжение противонатяжения, МПа;

α_в - угол волоки, °.