Введение к работе
Актуальность темы исследования. С развитием современной техники постоянно возрастают требования к качеству холоднотянутых круглых изделий, в том числе эксплуатационным характеристикам, а также снижению себестоимости их производства. Несмотря на широкое применение, процесс волочения изучен не в полной мере, что сдерживает разработку оптимальных технологий, позволяющих усовершенствовать технологический процесс изготовления деталей и снизить расходы на их производство. В первую очередь, это связано со сложностью процессов, происходящих при пластическом течении металла в очаге деформации.
Таким образом, большое значение приобретает изучение влияния различных факторов, таких как реологические свойства материала, геометрия волоки, количество переходов и энергосиловые параметры, на протекание процесса волочения. Часто причинно-следственная связь между данными факторами не всегда однозначна, также несколько факторов могут работать одновременно, взаимно усиливая или перекрывая действие друг друга. Более того, в большинстве случаев эти факторы и их влияние не могут быть непосредственно измерены, что создаёт множество различных вариантов и путей для контроля и совершенствования процесса волочения. Следовательно, необходим комплексный учёт параметров, влияющих на протекание процесса волочения, в целях повышения качества производимого изделия и совершенствования технологического процесса.
Степень разработанности.
Предыдущие исследования учёных, направленные на решение указанной выше проблемы, сводились к разработке численных, либо аналитических моделей для расчёта параметров процесса волочения. Имеющиеся зависимости по нахождению оптимальной геометрии профиля волочильного инструмента не дают необходимую точность расчёта и не учитывают всех технологических факторов, влияющих на протекание процесса волочения. До сих пор не разработан единый подход для определения как оптимальных углов обжимного конуса волоки, так и оптимальных размеров рабочего профиля волоки в целом. Комплексная методика, сочетающая в себе методы численного и аналитического решений, до настоящего времени не предложена.
Цель работы: повышение эффективности процесса волочения круглых сплошных изделий за счёт оптимизации геометрии рабочего профиля волоки с учётом реологических свойств обрабатываемого материала.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
– получить зависимости для описания геометрии рабочего профиля
волоки с учётом радиуса переходной зоны между рабочим углом волоки и калибрующим пояском;
– усовершенствовать аналитическую методику расчёта процесса
волочения изделий круглого сечения с учётом вязкопластических свойств протягиваемого материала и напряжения противонатяжения;
– разработать эффективный по скорости алгоритм расчёта усилия
волочения изделий круглого сечения численными методами, базирующийся на аналитическом решении уравнений движения деформируемой среды для малого элемента типа коническая оболочка с малым углом конусности;
– разработать методику для определения оптимальных
технологических параметров процесса волочения, сочетающую расчёт энергосиловых параметров волочения по разработанному ускоренному алгоритму для определения рациональной области технологических параметров и уточняющих расчётов в CAE-системе типа DEFORM для нахождения их оптимальных значений;
– предложить методику уменьшения количества волок (количества
переходов) на основе рассчитанных оптимальных параметров волочения, позволяющую увеличить коэффициент вытяжки по переходам при сохранении устойчивости процесса;
– разработать усовершенствованный производственный цикл
изготовления провода на основе имитационного моделирования процесса волочения с уменьшенным количеством переходов.
Научная новизна:
– усовершенствована аналитическая методика расчёта усилия волочения с учётом уточнения геометрической формы волоки, а также реологических свойств протягиваемого материала;
– предложена новая двухэтапная методика расчёта усилия волочения изделий круглого сечения, сочетающая аналитическое решение для определения ограничивающей области рациональных значений геометрических параметров волоки и уточняющее численное конечно-элементное решение в этой области;
– разработана регрессионная модель определения оптимизированных параметров волоки;
– разработана методика уменьшения числа технологических переходов при волочении;
– создана имитационная модель производственного цикла изготовления провода с учётом оптимальных параметров процесса волочения.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Теоретическая значимость работы заключается в усовершенствовании аналитической методики расчёта процесса волочения круглых сплошных изделий с учётом уточнённой геометрической формы рабочего профиля волоки, а также вязкопластических свойств протягиваемого материала и скорости волочения.
Практическая значимость работы. Сочетание аналитической методики и
конечно-элементного моделирования процесса волочения обеспечивает
возможность практического применения результатов расчёта для
совершенствования процесса при оптимальном сочетании технологических параметров с учётом особенностей геометрической формы волоки и реологических свойств обрабатываемого материала. Это позволит повысить производительность изготовления круглых сплошных изделий.
Методология и методы исследования.
Теоретические исследования проводились для процесса волочения
круглых сплошных изделий с использованием основных положений теории
волочения, механики сплошных сред, теории пластических деформаций,
геометрических методов измерения линейных величин, программирования в
интерактивной среде MATLAB, компьютерного моделирования в
специализированном программном комплексе DEFORM и профессиональном инструменте имитационного моделирования AnyLogic.
Положения, выносимые на защиту:
-
Аналитическая методика расчёта усилия волочения круглых изделий с уточнённой геометрией рабочего профиля волоки и учётом реологических свойств протягиваемого материала.
-
Результаты исследования влияния технологических факторов на энергосиловые параметры волочения.
-
Регрессионная модель, позволяющая определять оптимальное сочетание параметров рабочего профиля волоки.
-
Результаты совершенствования процесса волочения, основанные на уменьшении количества технологических переходов за счёт применения волок с оптимизированной геометрией и регулирования усилия противонатяжения, а также повышения скорости производственного цикла на этой основе с учётом рациональной загрузки оборудования.
Степень достоверности и апробация результатов. В диссертационной работе выполнено комбинирование результатов расчёта по аналитической методике и численному моделированию. Получена их согласованность при разработке производственных циклов волочения круглых изделий. Апробация результатов была проведена на ЗАО «Самарская кабельная компания», г. Самара.
Основные результаты диссертационной работы и материалы
исследований доложены на международных и российских научных
конференциях и семинарах: Всероссийская молодёжная научная конференция
«Мавлютовские чтения», 22-24 октября 2013 г, г. Уфа; Общероссийская
молодёжная научно-техническая конференция «Молодёжь. Техника. Космос»,
19-21 марта 2014 г., г. Санкт Петербург; Международная молодёжная научная
конференция «Гагаринские чтения – 2016», 12-15 апреля 2016 г., г. Москва;
Международный конгресс «Процессы пластического деформирования
авиакосмических материалов. Наука, технология, производство»
(«Металлдеформ-2017»), 4-7 июля 2017 г., г. Самара.
Публикации. Основные результаты диссертации представлены в 10 научных публикациях, в том числе 4 публикации в изданиях, рекомендованных ВАК и одна в иностранном научном издании, индексируемом в Scopus/Web of Science.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх разделов, заключения, списка литературы (112 наименований). Основной текст работы изложен на 132 страницах печатного текста, содержит 58 рисунков и 4 таблицы.