blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2017-2-109-115blackmet-1018Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИMETALLURGICAL TECHNOLOGIESОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В КАЛИБРОВАННЫХ ПРУТКАХDETERMINATION OF RESIDUAL STRESSES IN THE CALIBRATED RODЗайдесС. А.ZaidesS. A.

Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой машиностроительных технологий и материалов

Dr. Sci. (Eng.), Professor, Head of the Chair “Engineering Technology and Materials”

zsa@istu.eduНгуенВан ХуанNguenVan Khuan

Аспирант

Postgraduate n>

nguyenvanhuan.istu@gmail.comИркутский национальный исследовательский технический университетРоссияIrkutsk National Research Technical UniversityRussian Federation201701032017602109115Copyright © Зайдес С.А., Нгуен В., 20172017Зайдес С.А., Нгуен В.Zaides S.A., Nguen V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1018

Калиброванный металл представлен как эффективный вид заготовок для ряда металлообрабатывающих технологий. Более широкому его использованию в промышленности препятствуют остаточные напряжения, формирующиеся в процессе холодного деформирования. Целью настоящего исследования явилось определение основных параметров калибровки, влияющих на формирование остаточных напряжений. Главные компоненты тензора остаточных напряжений в калиброванных прутках определены по методу обтачивания и растачивания одного цилиндра. Для выявления влияния основных параметров процесса калибровки на остаточное напряженное состояние использована методика планирования многофакторных экспериментов. Для учета одновременного влияния на остаточные напряжения величины относительного обжатия, угла рабочего конуса волоки, скорости калибровки, качества смазки был спланирован и реализован дробный четырехфакторный эксперимент. Из проведенных опытов выявлено, что параметры процесса калибровки существенно влияют на остаточные напряжения, которые изменяются не только по величине, но и по знаку. Результаты экспериментов показали, что в диапазоне углов волоки от 8 до 24° тангенциальные и осевые остаточные напряжения одновременно увеличивается: возрастают в 2,3  раза, а σφmax  –  в  1,8  раза. С увеличением длины калибрующей зоны максимальные осевые остаточные напряжения растяжения снижаются на 52  %, а тангенциальные увеличиваются на 21  %. Установлено влияние основных параметров процесса калибровки на величину и характер распределения по сечению цилиндрических прутков осевых, тангенциальных и радиальных остаточных напряжений. Смена знака остаточных напряжений зависит от параметров деформирования и происходит на глубине (0,5  –  0,8)r/R. Выявлено, что при режимах калибровки, которые используют на производстве, в периферийных слоях прутков при холодной обработке давлением формируются осевые и тангенциальные остаточные напряжения растяжения, а в центральных слоях – напряжения сжатия. Радиальные остаточные напряжения на поверхности равны нулю, а в остальном объеме тела остаточные напряжения – сжимающие.

Calibrated metal is presented as an effective form of blanks for a number of metal technologies. Greater its use in industry prevent residual stresses formed during cold deformation. The aim of this study was to determine the main calibration parameters that influence the formation of residual stresses. The main components of the tensor of residual stresses in a calibrated rod were determined by the method of grinding and boring of one cylinder. The planning methodology of multivariate experiments was used to determine the effect of the main parameters of the calibration process on the residual stress state. For the account of simultaneous effect on the residual stresses of the relative compression, angle of the working cone of the die, calibration speed and lubrication quality the fractional four-factor experiment has been planned and implemented. These experiments have shown that the parameters of the calibration process significantly affect the residual stresses, which vary not only in magnitude but also in sign. Experimental results have shown that the range of angles of the die was from 8 to 24°, the tangential and axial residual stresses increase simultaneously: increase by 2.3 and 1.8 times. With the increase in the length of the gauge zones maximum axial residual tensile stresses are reduced by 52 % and tangential increased by 21 %. The influence of the main parameters of the calibration process on the size and nature of the distribution over the cross section of cylindrical rods of axial, radial and tangential residual stresses was determined. Changing the sign of the residual stress depends on the deformation parameters and occurs at a depth of (0,5  –  0,8)r/R. It was revealed that at the calibration mode that is used in the production the axial and tangential residual tensile stresses are formed in the peripheral layers of rods at cold forming, and in the central layers – the compressive stresses are formed. Radial residual stresses at the surface are zero, and in the rest of the body volume residual stresses are compressive.

калиброванный металлостаточные напряженияпараметры калибровкиобжатиеугол рабочего конусадлина калибрующей зоныcalibrated metalresidual stressescalibration parameterscompressionworking cone anglelength of the gauge areaReferencesШефтель Н.И. Улучшение качества и сортамента проката. – М.: Металлургия, 1973. – 343 с.Sheftel’N.I. Uluchshenie kachestva i sortamenta prokata [Improvement of the quality and rolled products range]. Moscow: Metallurgiya, 1973, 343 p. (In Russ.).Недовизий И.Н., Завалишин Н.И. Основные пути повышения эффективности использования металла в метизном производстве. – В кн.: Повышение эффективности использования металла в метизном производстве. – М. : Металлургия. 1983. С. 7 – 16.Nedovizii I.N., Zavalishin N.I. Main ways to increase the efficiency of the usage of metals in hardware production. In: Povyshenie effektivnosti ispol’zovaniya metalla v metiznom proizvodstve [Increase the efficiency of the usage of metals in hardware production]. Moscow: Metallurgiya, 1983, pp. 7–16. (In Russ.).Стальная проволока / Х.Н. Белалов, А.А. Клековкин, Н.А. Клековкина и др. – Магнитогорск: ИЦ МГТУ, 2011. – 689 с.Belalov Kh.N., Klekovkin A.A., Klekovkina N.A. etc. Stal’naya provoloka [Steel wire]. Magnitogorsk: ITs MGTU, 2011, 689 p. (In Russ.).Зайдес С.А. Остаточные напряжения и качество калиброванного металла. – Иркутск: изд. ИрГТУ, 1992. – 200 с.Zaides S.A. Ostatochnye napryazheniya i kachestvo kalibrovannogo metalla [Internal stresses and quality of calibrated metal]. Irkutsk: IrGTU, 1992, 200 p. (In Russ.).Зайдес С.А. Охватывающее поверхностное пластическое деформирование. – Иркутск: изд. ИрГТУ, 2001. – 309 с.Zaides S.A. Okhvatyvayushchee poverkhnostnoe plasticheskoe deformirovanie [Cover surface plastic deformation]. Irkutsk: IrGTU, 2001, 309 p. (In Russ.).Соколов И.А., Уральский В.И. Остаточные напряжения и качество металлопродукции. – М.: Металлургия, 1981. – 97 с.Sokolov I.A., Ural’skii V.I. Ostatochnye napryazheniya i kachestvo metalloproduktsii [Internal stresses and quality of metal products]. Moscow: Metallurgiya, 1981, 97 p. (In Russ.).Поздеев А.А., Няшин Ю.И., Трусов П.В. Остаточные напряжения. Теория и приложения. – М.: Наука, 1982. – 111 с.Pozdeev A.A., Nyashin Yu.I., Trusov P.V. Ostatochnye napryazheniya. Teoriya i prilozheniya [Internal stresses. Theory and supplement]. Moscow: Nauka, 1982, 111 p. (In Russ.).Вишняков Я.Д., Пискарев В.Д. Управление остаточными напряжениями в металлах и сплавах. – М.: Металлургия, 1989. – 253 с.Vishnyakov Ya.D., Piskarev V.D. Upravlenie ostatochnymi napryazheniyami v metallakh i splavakh [Control of internal stresses in metals and alloys]. Moscow: Metallurgiya, 1989, 253 p. (In Russ.).Остаточные напряжения в профилях и способы их снижения / А.Н. Скороходов, Е.Г. Зудов, А.А. Киричков, Ю.П. Петренко. – М.: Металургия, 1985. – 185 с.Skorokhodov A.N., Zudov E.G., Kirichkov A.A, Petrenko Yu.P. Ostatochnye napryazheniya v profilyakh i sposoby ikh snizheniya [Internal stresses in cross-sections and ways of their reduction]. Moscow: Metalurgiya, 1985, 185 p. (In Russ.).Алексеев П.Г. Устойчивость остаточных напряжений и их влияние на износостойкость деталей, упрочненных наклепом. – В кн.: Повышение эксплуатационных свойств деталей поверхностным пластическим деформированием. – М.: МДНТП, 1971. С. 76 – 79.Alekseev P.G. Resistance of internal stresses and their influence on durability, hardened with cold hardening. In: Povyshenie ekspluatatsionnykh svoistv detalei poverkhnostnym plasticheskim deformirovaniem [Increase of operational properties of parts by surface plastic deformation]. Moscow: MDNTP, 1971, pp. 76–79. (In Russ.).Остаточные напряжения / Под ред. С.С. Макаревича. – Минск: УП «Технопринт», 2003. – 316 с.Ostatochnye napryazheniya [Internal stresses]. Makarevich S.S. ed. Minsk: UP Tekhnoprint, 2003, 316 p. (In Russ.).Технологические остаточные напряжения / Под ред. А.В. Подзея. – М.: Машиностроение, 1973. – 216 с.Tekhnologicheskie ostatochnye napryazheniya [Technological internal stresses]. Podzei A.V. ed. Moscow: Mashinostroenie, 1973, 216 p. (In Russ.).Биргер И.А. Остаточные напряжения. – М.: Машгиз, 1963. – 232 с.Birger I.A. Ostatochnye napryazheniya [Internal stresses]. Moscow: Mashgiz, 1963, 232 p. (In Russ.).Остаточные напряжения в слоистых композитах / Ю.П. Трыков, Е.П. Покатаев, В.Г. Шморгун, А.А. Храпов. – М.: Металлургиздат, 2010. – 237 с.Trykov Yu.P., Pokataev E.P., Shmorgun V.G., Khrapov A.A. Ostatochnye napryazheniya v sloistykh kompozitakh [Internal stresses in layered composites]. Moscow: Metallurgizdat, 2010, 237 p. (In Russ.).Зайдес С.А., Климова Л.Г. Управление технологическими остаточными напряжениями в маложестких валах охватывающим деформированием // Вестник ИрГТУ. 2006. № 4 (28). С. 58 – 61.Zaides S.A., Klimova L.G. Control of technological internal stresses in low-abrasive trucks with braced deformation. Vestnik IrGTU. 2006, no. 4 (28), pp. 58–61. (In Russ.).Русаков A.A. Рентгенография металлов. – М.: Атомиздат, 1977. – 237 c.Rusakov A.A. Rentgenografiya metallov [Metal X-ray diffraction]. Moscow: Atomizdat, 1977, 237 p. (In Russ.).Tekkaya A.E., Gerhardt I. Residual Stresses in Gold–Formed Workpieces // Annals of the CIRP. 1985. 34/1. P. 225–230.Tekkaya A.E., Gerhardt I. Residual stresses in cold–formed workpieces. Annals of the CIRP. 1985, vol. 34, no. 1, pp. 225–230.Tszeng T.C., Kobayashi S. Determination of Residual Stresses in Radial Forming Proceedings // Manufacturing Simulation and Processes the Winter Annual Meeting of the American Society of Mechanical Engineers. 1986. P. 31 – 45.Tszeng T.C., Kobayashi S. Determination of residual stresses in radial forming proceedings. Manufacturing Simulation and Processes the Winter Annual Meeting of the American Society of Mechanical Engineers. 1986, pp. 31–45.Коковихин Ю.И., Туктамышев И.Ш., Поляков М.Г. Методическое пособие по математическому планированию экспериментов. – Магнитогорск: изд. МГТУ, 1973. Ч. 1-2. – 76 с.Kokovikhin Yu.I., Tuktamyshev I.Sh., Polyakov M.G. Metodicheskoe posobie po matematicheskomu planirovaniyu eksperimentov [Study guide in mathematical planning of experiments]. Magnitogorsk: MGTU, 1973, Part 1-2. 76 p. (In Russ.).Новик Ф.С. Математические методы планирования экспериментов в металловедении. Разд. 1. Общие представления о планировании экспериментов. Планы первого порядка. – М.: МИСиС. 1969. – 82 с.Novik F.S. Matematicheskie metody planirovaniya eksperimentov v metallovedenii. Razd. 1: Obshchie predstavleniya o planirovanii eksperimentov. Plany pervogo poryadka [Mathematical methods of planning experiments in metallurgical science. Section 1. General overview of the experiment planning. Plans of the first order]. Moscow: MISiS, 1969, 82 p. (In Russ.).Берин И.Ш., Днестровский Н.З. Волочильный инструмент. – М.: Машиностроение, 1971. – 174 с.Berin I.Sh., Dnestrovskii N.Z. Volochil’nyi instrument [Drawing tool]. Moscow: Mashinostroenie, 1971, 174 p. (In Russ.).Дружинина Т.Я., Зайдес С.А., Аркулис Г.Э. и др. Остаточные напряжения в калиброванном металле и способы их регулирования. – В кн.: Остаточные напряжения и методы регулирования. Тр. Всесоюз. симпоз. по остаточным напряжениям. – М.: Институт проблем механики АН СССР. 1982. С. 175 – 180.Druzhinina T.Ya., Zaides S.A., Arkulis G.E. etc. Internal stresses in calibrated metal and ways of their control. In: Ostatochnye napryazheniya i metody regulirovaniya. Tr. Vsesoyuz. simpoz. po ostatochnym napryazheniyam [Residual stresses and methods of their regulation. Papers of All-Union. Symp. on Residual Stresses]. Moscow: Institut problem mekhaniki AN SSSR, 1982, pp. 175–180. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.