Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Точность геометрии и качество поверхности профилей после калибровки зависят от основных параметров процесса волочения. Большое влияние на качество профилей оказывает температура процесса, что связано с изменением пластических свойств сплавов в функции температуры. В связи с этим весьма важным деформационным показателем процесса волочения является отношение предела текучести к временному сопротивлению материала σ0,2/σв. Замечено, что процесс волочения более устойчив при минимальных значениях этого отношения; при больших его значениях пластическая деформация начинается при напряжениях, близких к временному сопротивлению.
Исходя из условия благоприятного сочетания прочностных (σ0,2/σв) и пластических (δ, ψ) характеристик, были установлены следующие средние значения σ0,2Iσв для: ОТ4 0,71—0,82 при 500—700°С; ОТ4-1 0,71—0,79 при 500—650°С; ВТ20 0,81—0,86 при 560—750°C.
В указанном диапазоне температур пластичность сплавов достаточно высока и позволяет рассчитывать на значительное увеличение полной степени деформации без отжига. Однако практика показала, что волочение в столь широких температурных интервалах приводит к получению профилей со значительными отклонениями размеров по толщине полок. Так, обработка при температуре, соответствующей нижнему интервалу, приводит к получению профилей с размерами по, толщине полок выше номинального размера инструмента. Обработка при температуре, соответствующей верхнему интервалу, дает размеры ниже номинальных на инструменте.
Это объясняется прежде всего тем, что при повышении температуры снижается сопротивление деформации и повышается внеконтактная деформация вышедшего из волоки профиля вследствие воздействия напряжения волочения. В результате уменьшаются толщина и ширина полок профиля. При понижении температуры волочения возрастают радиальные напряжения и соответственно упругие деформации инструмента. Размеры поперечного сечения профиля получаются больше соответствующих размеров канала волоки. Таким образом, для каждого сплава должен быть установлен диапазон рациональных температур нагрева перед волочением, в котором отклонение толщин полок профиля от размеров канала волоки минимально.
Данные графиков, представленных на рис. 29, показывают, что в зависимости от температуры волочения толщина полок калиброванных профилей больше или меньше размера канала волоки. Минимальные отклонения толщин полок — в пределах ±0,10 мм (при допуске на изготовление волоки ±0,03 мм) наблюдаются при волочении в следующих интервалах температур: 550-600 °C для ОТ4-1, 620—650 °C для ОТ4 и 650—700 °C для ВТ20. Указанные интервалы температур были выбраны для нагрева профилей перед волочением. Для соблюдения выбранных температурных режимов обработки необходимо учитывать температуру нагрева инструмента, а также потерю тепла (снижение температуры) при передаче заготовки от печи к волоке до момента волочения. В табл. 16 приведены рекомендуемые температурные режимы в зависимости от толщины полок профиля.
Нестабильный температурный режим процесса является причиной колебания размеров поперечного сечения профиля по его длине. Передний конец профиля за время заправки в канал волоки охлаждается на 50—80°С. В связи с этим толщина полки профиля на начальном участке максимальна из-за повышения упругой деформации инструмента, затем на участке длиной 100—150 мм она резко уменьшается, после чего постепенно уменьшается до величины Sк2 и остается практически постоянной до конца профиля. Образование начального участка профиля с толщиной Sк1 обусловлено в основном постепенным затягиванием частей составной волоки до заданного размера канала. Таким образом, перепад размеров сечения по длине профиля от начала к концу (Sк1— Sк2) будет больше для сплавов с высоким сопротивлением деформации.
С применением метода наименьших квадратов были обработаны экспериментальные данные перепада толщин полок калиброванных профилей из сплавов ОТ4 и ВТ20 (рис. 30). На этом графике каждая точка представляет большую серию измерений. С увеличением толщины полки разность Sк1—Sк2 возрастает, причем наиболее интенсивно при обработке профилей из сплава ВТ20, временное сопротивление которого при этой температуре в 3 раза выше, чем у сплава 0Т4. Представленные на рис. 30 кривые свидетельствуют о недостаточной жесткости применяемой инструментальной наладки для волочения профилей из высокопрочных сплавов и о развитии внеконтактной деформации.
Проведенные эксперименты по волочению в широком интервале температур показали, что температура влияет не только на изменения геометрических параметров поперечного сечения профиля, но и на качество поверхности обрабатываемых профилей. Было установлено, что волочение при пониженных температурах (ниже 550 °C) вследствие значительного снижения пластических и повышения прочностных характеристик деформируемого металла сопровождается резкими рывками профиля в начале рабочего цикла, которые затухают по мере повышения температуры профиля, поступающего в волоку. На рис. 31 показана поверхность профилей, калиброванных при пониженной температуре.
Рывки при волочении наблюдаются и при температурах нагрева профиля выше 750°С. Причиной этого служит неудовлетворительная работа смазочного слоя вследствие интенсивного окисления компонентов смазки при высокой температуре и сравнительно длительном нагреве перед калибровкой. С целью уменьшения времени нахождения профиля в муфельной печи скорость волочения была увеличена с 3 до 12 м/мин, что, кроме повышения качества поверхности профилей, позволяет существенно увеличить производительность процесса.
Помимо этого, шероховатость поверхности профиля зависит от термостойкости применяемой смазки, рельефа исходной поверхности заготовки, а также от дробности деформации. При малых степенях деформации за переход (4-6 %) ввиду преимущественной деформации поверхностных слоев и очень больших радиальных давлений происходит разрушение подсмазочного слоя и ухудшение условий трения. Увеличение радиальных давлений с уменьшением степени деформации за переход может быть объяснено повышением роли упругой зоны, радиальные давления в которой могут на два порядка превосходить радиальные давления в пластической зоне. В результате при малых обжатиях за переход увеличивается износ волоки.
Ниже представлено изменение размеров волочильного инструмента при волочении профиля из сплава ОТ4 в зависимости от степени деформации:
Как следует из этих данных, износ инструмента при степени деформации 6—8 % возрастает в полтора раза. Повышение шероховатости поверхности инструмента способствует нарушению подсмазочного слоя и ухудшению условии работы смазки, что в конечном счете приводит к обрыву из-за налипания металла на поверхность инструмента.
Повышение температуры также приводит К изменению качества поверхности. При волочении сплава ОТ4 с температурой нагрева выше 700 °C наблюдается заметное увеличение шероховатости поверхности, а для сплава ВТ20 шероховатость поверхности увеличивается при температурах выше 750 °С. Это объясняется тем, что с повышением температуры увеличивается внеконтактная деформация, которая приводит к образованию поверхности в виде "апельсиновой корки" (рис. 32). Образование такой поверхности можно объяснить разнонаправленностью пачек скольжения α-пластин. При отсутствии внеконтактной деформации поверхность профиля выглаживается в пояске волоки, и шероховатость поверхности существенно уменьшается.
Особенно заметна "апельсиновая корка" при волочении профилей со значительной неравномерностью деформации отдельных полок. На рис. 33 представлены фотографии поверхности титанового профиля до и после волочения с указанием максимальной высоты неровностей. Как видно из рассмотренной фотографии, глубина рельефа поверхности в процессе волочения изменяется. Исходная поверхность прессованного профиля с рисками после волочения получает рельеф со сглаженными вершинами неровностей; при этом сравнение высоты неровностей до и после волочения показывает, что шероховатость поверхности профиля снижается с 40 до 2,5 мкм.
В рассмотренном примере общая вытяжка за три перехода составляет 1,35.
На рис. 34 представлен график изменения глубины микронеровностей заготовки от общей вытяжки при волочении. На графике видно, что уменьшение исходных микронеровностей поверхности на заготовке происходит до величины общей деформации In μ = 0,25/0,3. Дальнейшее повышение общей деформации не приводит к заметному уменьшению микронеровностей, что можно объяснить реологическими свойствами смазки в условиях высокотемпературного волочения. Поэтому применяя смазку на основе графита и буры, удается достигнуть шероховатости поверхности профиля не выше 2,5 мкм.
Для оценки влияния дробности деформации рассмотрим случай, когда волочение профилей проводилось в четыре и в два перехода. При волочении в четыре перехода размеры профилей мало отличаются от расчетных. При этом отклонения размеров по отдельным элементам профиля постепенно уменьшаются. Так, при колебании толщины полок заготовки 0,4 мм в последнем переходе эта величина снижается до 0,09 мм. Волочение профилей по сокращенному маршруту несколько увеличивает разброс размеров, что, очевидно, связано с повышением упругих и внеконтактных деформаций профиля и инструмента. Поэтому наиболее целесообразным является волочение профилей с высокими вытяжками в первых переходах и с низкими — в последних. Построенный таким образом маршрут волочения позволяет сократить число переходов при достижении одних и тех же значений точности профиля.
При волочении тонкостенных профилей со свободным формоизменением (без обжатия по кромкам) 8 условиях неравномерной деформации отдельных элементов, особенно на первых переходах, размеры протянутого профиля по толщине полок значительно отличаются от размеров канала волоки, а габаритные размеры подвергаются либо утяжке, либо уширению. B связи с этим определение соотношения между продольной и поперечной деформациями весьма важно для оценки точности калиброванных профилей, выбора общих обжатий и определения требований к исходной заготовке.
Если сравнить процессы волочения массивных и тонкостенных профилей, то в первом случае вытяжки по сенению более равномерны вследствие большой жесткости выходного конца и трехмерной деформации, в условиях которой регулируется взаимосвязь между продольной и поперечной деформациями. Во втором случае при квазиплоской деформации всегда имеет место неравномерность обжатий отдельных полок, ведущая к образованию дополнительных напряжений 1-го рода, которые при достижении критической величины приводят к образованию гофров или к разрыву полок.
Основной причиной неравномерности деформации является отклонение исходной заготовки от расчетных значений, а также несоответствие формы заготовки форме инструмента. Это приводит к неодинаковому обжатию отдельных частей заготовки, т.е. к неравномерной деформации элементов профиля. Несмотря на разницу в вытяжках элементов профиля в процессе волочения происходит их выравнивание вследствие взаимодействия связанных между собой элементов. В результате все элементы профиля получают среднюю вытяжку, которая определяется как отношение поперечных сечений профиля до и после волочения. Величину средней вытяжки можно определить по известным размерам поперечного сечения профиля до и после волочения:
где F1, F2, ..., Fn — площади элементов поперечного сечения профиля; μ1, μ2, μn — соответствующие вытяжки элементов сечения профиля.
Воспользуемся предложенным соотношением для оценки результатов волочения профилей с различными отклонениями размеров прессованной заготовки и рассмотрим, как изменяются вытяжки и размеры элементов профиля после волочения. В табл. 17 приведены результаты волочения тавровых профилей из сплава OТ4. Как следует из данных табл. 17, средняя вытяжка по площади мало отличается от средневзвешенного значения вытяжки Средняя вытяжка во многом зависит от соотношения площадей элементов профиля.
Рассмотрим волочение таврового разнотолщинного профиля с отклонениями размеров по толщине полки от расчетных. Пусть полка b обжимается незначительно, полка а получает большое обжатие. Если бы полки а и b могли деформироваться независимо, то они получили бы разную продольную деформацию. Ho эти полки представляют одно целое, и целостность профиля не позволяет получить естественную вытяжку полок а и b. Полка b сдерживает вытяжку сильно обжимаемой полки а, а полка а , в свою очередь, принудительно увеличивает вытяжку полки b. В результате вытяжка всех полок получается одинаковой, взаимодействие полок профилей вызывает появление дополнительных напряжений растяжения в полке b и сжатия — в полке а. При сильно выраженной неравномерности обжатия полок профилей дополнительные растягивающие напряжения в полке b могут вызвать утягивание и даже разрывы. В полке а дополнительные сжимающие напряжения могут привести к образованию гофра. Степень развития этих дефектов зависит от соотношения площадей сечения полок профиля.
Прессованная заготовка для волочения тонкостенных профилей имеет значительные отклонения размеров сечения oт заданных. Поэтому при волочении элементы поперечного сечения такой заготовки получают неравномерную деформацию, которую можно характеризовать отношением интегральных деформаций по толщине для двух полок.
Допустимая неравномерность деформации при волочении зависит от соотношения площадей слабо и интенсивно обжимаемых частей поперечного сечения, пластических характеристик сплава, условий трения на контактных поверхностях и др. На основе экспериментальных данных, полученных при волочении таврового профиля из титанового сплава ОТ4 (рис. 35), была установлена область устойчивого режима, которая находится в пределах
где μ1 — вытяжка по полке S1; μ2 — вытяжка по полке S2.
Когда ln μ1/ln μ2≥2, происходит образование гофров при входе профиля в волоку, а при ln μ1/ln μ2≤0,12 наблюдаются разрывы слабо обжимаемых полок. Степень вероятности разрыва полок зависит от состояния поверхности кромок — наличия мелких трещин, возникающих в результате затекания металла в разъем матрицы при прессовании. Так как волочение тонкостенных профилей осуществляют без обжатия кромок, такие трещины могут служить концентраторами напряжений и вызывать разрывы полок.
Как видно на рис. 35, область устойчивого режима А наиболее сильно смещена в сторону увеличения обжатия по полке S2, которая является основанием тавра. Это объясняется прежде всего тем, что профиль вследствие растяжения полки S2 стремится изогнуться в направлении стойки. Стойка профиля (S1) препятствует этому изгибу. Однако потери продольной устойчивости профиля не происходит, и при ln μ1/ln μ2≤0,12 наблюдается разрыв стойки профиля.
Разрыв полки профиля может произойти не только сразу после выхода из волоки, но и на некотором расстоянии от выхода (500— 1000 мм) или после волочения при правке растяжением. Поэтому правку таких профилей осуществляют только в горячем состоянии. Источник разрушения не всегда располагается на кромке полок профиля. Во многих случаях разрыв металла происходит в середине полки. Такие разрывы можно наблюдать на профилях, имеющих значительное утонение полки вблизи радиуса. Обычно разрывы на полках образуются через определенные, практически равные промежутки и продолжают развиваться по мере выхода из волоки. В качестве примера рассмотрим волочение профиля типа "зет" из сплава ОТ4. Волочение проводили в два перехода. В табл. 18 представлены результаты волочения.
Анализ показал, что разрушение металла произошло вследствие большого различия вытяжек полок профилей по сравнению со средней вытяжкой. На рис. 36 представлен вид разрывов по полке S2 в начале и конце процесса волочения. Как видно, разрывы образуются через промежутки 17—20 мм. Это объясняется тем, что в полке S2 в начале процесса происходит рост напряжения растяжения до величины временного сопротивления материала. С образованием разрыва силы растяжения уменьшаются; полка профиля S2 получает в этом случае равное удлинение с полками S1 и S3. По мере дальнейшего перемещения профиля по каналу волоки полка S2 начинает препятствовать удлинению полок S1 и S3. В полке S2 опять нарастают силы растяжения, и процесс повторяется. По мере выхода профиля из волоки трещина развивается под действием внеконтактной деформации из-за уменьшения площади поперечного сечения в месте разрывов и прекращается с ростом упрочения металла при его остывании. Различие величины разрывов в начале и в середине процесса волочения обусловлено изменением температурного режима волочения. В начале волочения вследствие теплоотдачи при заправке профиля в волоку температура металла ниже, чем на стационарной стадии; в результате этого внеконтактная деформация больше там, где температура профиля выше.
При устойчивом режиме неравномерность деформации проявляется в виде искривления и внеконтактной деформации частей поперечного сечения профиля. Степень искривления профиля в процессе волочения с неравномерной деформацией можно охарактеризовать отношением стрелы прогиба f к базовой длине L (рис. 37). На графике видно, что интенсивность возрастания отношения f/L зависит от момента сопротивления стойки профиля W относительно его основания. Наряду с искажением продольных геометрических параметров на стойке профиля образуются гофры. Параметры гофрообразования зависят от отношения высоты стойки к ее толщине В/S. При увеличении этого отношения относительное уширение стойки уменьшается и вероятность гофрообразования возрастает.
Как правило, гофры появляются на полках при В/S≥15. Для устранения указанных искажений геометрических параметров при правке растяжением необходимо достичь на полках профиля различной степени остаточной деформации. Результаты экспериментов показали, что для получения прямолинейного профиля из имевшего гофры, разница между величинами деформации по стойке и основанию профиля при правке растяжением может достигать 2,5-3,5 %. В этих условиях распределение величин деформаций по длине профиля при правке растяжением также неравномерно.
Проведенный анализ технологических параметров показал, что основными факторами, определяющими точность профилей при горячем волочении, являются температура, вытяжка и толщина самих элементов профиля. Большое число факторов обусловливает трудность экспериментального изучения точности при волочении, так как довольно сложно учесть влияние каждого из них. Поэтому с целью выявления многофакторной зависимости точности профилей для оптимизации процесса волочения целесообразно провести полный факторный эксперимент типа 2в3.
На основе установленных отдельных зависимостей влияния температуры, вытяжки и толщин элементов можно определить предельные интервалы варьируемых параметров. В табл. 19 представлены уровни и интервалы варьирования факторов для сплава ОТ4.
В качестве параметра оптимизации была выбрана величина 5 — отклонение толщины полки профиля после волочения от фактического размера инструмента.
Уравнение модели процесса можно представить в виде квазилинейной функции от трех факторов
где Y — параметр оптимизации; b0, b1, ... — неизвестные коэффициенты модели.
В табл. 20 представлена матрица планиоования, результаты опытов и расчета точности профилей после волочения. С целью рандомизации эксперимента порядок проведения опытов намечался по таблицам случайных чисел. При волочении профилей трудно было обеспечить постоянство условий эксперимента, так как в отдельных случаях имелись отклонения от температуры и степени деформации. Однако ошибки эти не превышали 5—10 %, что приемлемо для данных условий процесса. Оценку точности профилей после волочения проводили на участке стационарной стадии процесса.
Проверка адекватности модели по опытным данным производилась по стандартным формулам планирования. При проверке воспроизводимости проверяли гипотезу об однородности выборочных дисперсий. Для расчета коэффициентов модели использовали расширенную матрицу эксперимента, в которой знаки новых столбцов были получены перемножением знаков соответствующих столбцов.
В результате подсчета были получены следующие значения:
Поскольку коэффициенты b23, b123 для доверительного интервала вероятности 95 % оказались незначительными, то их можно не учитывать. Тогда уравнение регрессии будет иметь вид
Для проверки адекватности модели проводили оценку отклонений значений AS от экспериментальных и рассчитывали дисперсию неадекватности, которая оценивает рассеяние результатов эксперимента относительно описывающей процесс модели и сравнивается с дисперсией воспроизводимости
Если расчетное значение F меньше табличного с f1 и f2 степенями свободы для выбранного уровня значимости а, то гипотеза об адекватности не отвергается. В нашем случае F = 0,955, что меньше табличного Fα (f1, f2) = 3,63 при α = 0,05, f1=2, f2=16.
Это показывает, что по краям интервалов варьирования факторов полученное уравнение (2.30) достаточно точно описывает наблюдения.
Полученная модель может быть использована для прогнозирования точности профилей при волочении в выбранной области температурно-деформационных параметров.
Представим полученное уравнение регрессии в виде
и по задаваемым значениям Т, μ, S построим объемные диаграммы для двух крайних значений толщин полок профилей (рис. 38). Волочение при высоких температурах и больших вытяжках, независимо от толщины полки профиля, приводит к значительным утяжкам размеров сечения. Это объясняется прежде всего тем, что с повышением температуры снижается сопротивление деформации, а увеличение вытяжки повышает напряжение волочения. В целом это приводит к внеконтактной деформации, и профиль получает размер ниже номинального размера инструмента.
Волочение профилей при более низкой температуре рассматриваемой области и невысоких вытяжках приводит к плюсовым отклонениям размера толщины полки относительно заложенного в инструменте. Это объясняется тем, что с понижением температуры небольшие степени деформации увеличивают радиальные напряжения. Сочетание указанных факторов приводит к повышению упругих деформаций инструмента. На рис. 38 тонкими линиями изображена плоскость, соответствующая нулевому отклонению размеров. Пересечение этой плоскости с поверхностью отклика делит диаграмму на области плюсового и минусового отклонений размеров. Следует обратить внимание на изменение положения поверхностей отклика при толщине полок профиля 1, 2 и 3,0 мм. Как видно на представленных двух диаграммах, абсолютные отклонения размеров выше у профилей с S=3,0 мм, чем у профилей с S =1,2 мм. Это объясняется тем, что при волочении профилей при одной и той же температуре, внеконтактная деформация меньше у профилей с меньшей толщиной полки, так как потеря тепла при контакте с инструментом у них больше. Поэтому добиться равенства абсолютных отклонений при волочении разнотолщинных профилей затруднительно, так как для этого температура тонкой полки профиля должна быть выше, чем толстой, что практически осуществить очень сложно.
В связи с этим появляется необходимость в дифференцированном подходе к назначению поля допуска на толщину полок профилей при составлении нормали. К тому же замечено, что независимо от толщины полки профиля, в процентном отношении абсолютные отклонения приблизительно равны.
Таким образом, построенная математическая модель процесса волочения позволяет с помощью варьирования технологических факторов прогнозировать получение точности толщин полок профилей на стационарной стадии процесса.
