Применение роликового волочения при изготовлении простых и фасонных профилей из труднодеформируемых сплавов

Деформируемость – одно из технологических свойств сплавов, которое отражает способность материала принимать необходимую форму под влиянием внешних сил (нагрузки) без разрушения и при меньшем сопротивлении нагрузке [1]. В свою очередь технологическая деформируемость – это совокупность деформации, сопротивления деформации и других технологических характеристик конкретного процесса обработки давлением [2]. С точки зрения технологической деформируемости среди сплавов принято выделять труднодеформируемые и особотруднодефор-мируемые, однако четкого определения и по- нимания, какие же именно сплавы относятся к этим видам, в литературе обнаружено не было. Связано это в том числе и с тем, что каждый конкретный процесс обработки металлов давлением имеет свои специфические особенности. Схема нагружения, применяемый инструмент, условия трения и т. п. могут по-разному влиять на процесс пластической деформации обрабатываемого материала. В качестве примера можно привести титановые сплавы, высоколегированные нержавеющие стали, которые достаточно проблематично обрабатывать волочением в монолитных волоках [3, 4]. Связано это с особенностями трения скольжения на контакте «инструмент – обрабатываемый материал» и наличием тянущего усилия, приложенного к переднему концу проволоки в процессе пластической деформации.

При деформации титановые сплавы сильно упрочняются с потерей пластических свойств. Это вызывает необходимость применять частые промежуточные отжиги. Склонность к схватыванию при скольжении под давлением, пассивность поверхности по отношению ко многим смазкам приводит к тому, что процесс волочения в монолитной волоке очищенной от окалины проволоки на основе титана практически невозможен. В отличие от других металлов оксидная пленка титана имеет небольшую толщину и не является серьезным препятствием для сваривания трущихся поверхностей.

Волочение высоколегированных нержавеющих сталей типа 12Х18Н10Т помимо высоких энергосиловых параметров процесса волочения сопровождается налипанием материала на инструмент ввиду неблагоприятных условий скольжения контактных поверхностей [5]. Это приводит к обрывности проволоки при волочении и повышенному износу инструмента.

При производстве фасонных профилей из труднодеформируемых сплавов к описанным выше проблемам добавляется еще и требование по получению геометрии сечения проволоки. Скорости волочения, единичные и суммарные обжатия, применяемые для фасонной проволоки, значительно меньше, чем для круглой. При изготовлении фасонной проволоки металл чаще подвергают термической обработке, а для некоторых сложных профилей снятие наклепа осуществляют после каждого перехода. Установлено [6], что усилие волочения равновеликих сечений больше при волочении фасонной проволоки, чем круглой. Так, например, усилие волочения фасонной Z-образной проволоки выше, чем круглой того же сечения, примерно на 40 %. Указанное обстоятельство необходимо учитывать при расчетах режимов волочения, так как в противном случае сила волочения может превысить временное сопротивление разрыву проволоки и процесс волочения будет невозможен.

Роликовое волочение можно рассматривать как одно из перспективных направлений совершенствования технологии изготовления проволоки [7]. В свою очередь роликовые волоки, применяемые для обработки фасонных профилей из труднодеформируемых сплавов, должны обладать повышенной жесткостью конструкции, точностью настройки калибров, устойчивостью полосы в калибрах и износостойкостью рабочей поверхности роликов.

Целью настоящей работы является разработка инструмента и технологии, обеспечивающих изготовление простых и фасонных профилей из труднодеформируемых сплавов роликовым волочением.

Кафедра «Процессы и машины обработки металлов давлением» ЮУрГУ имеет большой теоретический и практический опыт по проектированию, изготовлению и использованию роликовых волок со смещенными по оси волочения парами горизонтальных и вертикальных роликов [8–10]. Конструкция волок со смещенными парами рабочих роликов имеет определенные ограничения в геометрических соотношениях размеров рабочих роликов волоки и условием устойчивого положения полосы во втором калибре, зависящим от расстояния между парами рабочих роликов. На рис. 1 приведена схема расположения роликов, а в табл. 1 – геометрические параметры волок в зависимости от обрабатываемой проволоки.

Рис. 1. Схема расположения роликов в волоке

Таблица 1

Технические характеристики роликовых волок типа ВР

Наименование параметра	ВР-180	ВР-125	ВР-75
Номинальный диаметр ролика D , мм	180	125	75
Расстояние между парами роликов L , мм	80	52	25
Максимальное сечение заготовки F , мм2	110	30	5
Максимальная нагрузка на ролик N , кН	40	30	15

Роликовая волока ВР-180 (рис. 2) позволяет производить проволоку диаметром от 4,0 до 12,0 мм. Для изготовления проволоки диаметром от 2,0 до 6,0 мм применяется волока ВР-125, а для проволоки диаметром от 0,5 до 2,0 мм – волока ВР-75. Для изготовления проволоки диаметром 0,5…2,0 мм была разработана еще одна конструкция роликовой волоки РВ-50 (рис. 3). Волока типа РВ-50 состоит из двух блоков. Каждый блок состоит из двух роликовых узлов, заключенных в полустанине, один из узлов имеет эксцентриковую ось, необходимую для радиальной регулировки положения ролика.

а)

б)

Рис. 2. Роликовая волока типа ВР: а – фото; б – 3D-модель

а)

Рис. 3. Роликовая волока типа РВ-50: а – фото; б – чертеж

б)

В р оли к о в ых в олок а х пред с т а в лен н ой к о н с тр у к ц ии можн о пол у чать к ру гл ы й , п р ямо у голь н ый , ш е с ти гран н ы й и д р у ги е в и ды п рофи ле й , в т ом чи с ле фа с он ные . Д ля э т ого м ог у т б ыть и с польз ов ан ы к а ли бров ки « кр у г – овал – круг», «круг – ромб – гладкая б очк а» и д р у г и е .

Используя калибровку «круг – ромб – гладкая бочка», представленную на рис. 4, в лабораторных условиях кафедры «Процессы и машины обработки металлов давлением» ЮУрГУ был получен профиль «шестигранник» из труднодеформируемых сплавов 09Х16НЧБ, 12Х18Н10Т и ВТ16. В роликовой волоке предложенной конструкции из круглой заготовки путем предварительного воло- чения получали заготовки требуемого диаметра, а в последнем проходе осуществляли профилирование в «шестигранник». Круглое сечение заготовки деформировалось в ромб, а затем плоскими роликами обжималось в шестигранник. Для изготовления профилей использовался однократный волочильный стан В-1/650МБ с системой измерения и фиксации тянущего усилия (рис. 5) и роликовая волока ВР-125 (см. табл. 1). Технологические параметры процесса волочения шестигранного профиля S = 2,2 мм приведены в табл. 2. Полученный профиль (рис. 6) соответствует требованиям нормативно-технической документации, а именно допуску по размеру ±0,2 мм.

ЗА

Рис. 4. Калибровка роликов волоки ВР-125 для изготовления шестигранного профиля

Рис. 5. Волочильный стан В-1/650МБ с системой измерения и фиксации тянущего усилия и роликовой волокой ВР-125

Технологические параметры процесса волочения шестигранного профиля S = 2,2 мм из круглой заготовки

Таблица 2

Марка сплава	Проход	Диаметр заготовки d 0 , мм	Степень деформации ε, %	Тянущее усилие Р , Н	Геометрические размеры профиля после волочения
					высота h , мм	ширина b , мм	диагональ a , мм	диагональ c , мм
09Х16НЧБ	1	2,99	10,4	3360	2,68	2,67	2,67	2,7
	2	2,68	29,1	3530	2,12	2,06	–	–
08Х18Н10Т	1	3,47	12,4	4510	3,04	2,99	2,96	2,98
	2	2,98	22,5	3350	2,69	2,68	2,71	2,67
	3	2,71	37,5	3540	2,17	2,16	–	–
ВТ16	1	4,05	12,3	5340	3,55	3,55	3,56	3,54
	2	3,55	27,4	5400	2,94	2,95	2,97	2,92
	3	2,95	33,6	2340	2,69	2,68	2,69	2,72
	4	2,69	47,7	3300	2,12	2,16	–	–

Рис. 6. Схема измерения геометрических параметров круглого и шестигранного профиля

Инструмент, обрабатывающий трудно-деформируемые сплавы, работает в сложных условиях и достаточно быстро изнашивается. Поэтому при проектировании и изготовлении роликовых волок следует уделить повышенное внимание эксплуатационным свойствам и самих роликов. Для обеспечения высокой износостойкости ролики (рис. 7) изготавливаются из стали марки Х12МФ с последующим нанесением на рабочую поверхность функционального покрытия из сплава WC-10Co-4Cr детонационным напылением с последующим проплавлением этого слоя лазером [11]. Полученный рабочий слой (рис. 8) имеет твердость 1057 HV (> 67 HRC).

Износостойкость роликов с функциональным покрытием, полученным детонационным нанесением сплава WC-10Co-4Cr с последующим проплавлением лазером, повысилась в 7 раз по сравнению с роликами, подвергнутыми традиционной для Х12МФ термической обработке в виде закалки с отпуском [11].

Рис. 7. Ролики

а)

Рис. 8. Микроструктура рабочего слоя ролика: а – детонационное покрытие порошковым сплавом WC-10Co-4Cr; б – детонационное покрытие порошковым сплавом WC-10Co-4Cr после проплавления лазером

б)

Выводы

Предложены конструкции роликовых волок, позволяющие изготавливать проволоку простого и фасонного профилей диаметром от 0,5 до 12,0 мм. Показаны технологические решения по изготовлению шестигранного профиля S = 2,2 мм из заготовки труднодеформи-руемых сплавов 09Х16НЧБ, 12Х18Н10Т, ВТ16 различного диаметра. Для повышения ресурса эксплуатации волок ролики, изготовленные из термообработанной стали марки Х12МФ, ре- комендовано упрочнять путем нанесения на рабочую поверхность функционального покрытия из сплава WC-10Co-4Cr детонационным напылением с последующим проплавлением этого слоя лазером. Исследования, проведенные на образцах, показали семикратное повышение износостойкости по сравнению с аналогичными, подвергнутыми только традиционной для Х12МФ термической обработке в виде закалки с отпуском.