blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2017-11-870-876blackmet-1168Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИMETALLURGICAL TECHNOLOGIESВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА КАЛИБРОВКИ НА ИЗГИБНУЮ ЖЕСТКОСТЬ СТАЛЬНЫХ ПРУТКОВ. ЧАСТЬ 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В КАЛИБРОВАННЫХ ПРУТКАХINFLUENCE OF PARAMETERS OF THE CALIBRATION PROCESS ON BENDING STIFFNESS OF STEEL ROD. PART 1. DETERMINATION OF RESIDUAL STRESSES IN THE CALIBRATED RODЗайдесС. А.ZaidesS. A.

д.т.н., профессор, заведующий кафедрой машиностроительных технологий и материалов,

664074, Иркутск, ул. Лермонтова, 83

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

Irkutsk

zsa@istu.eduНгуенВан ХуанNguenVan Khuan

аспирант,

664074, Иркутск, ул. Лермонтова, 83

Postgraduate,

Irkutsk

nguyenvanhuan.istu@gmail.comИркутский национальный исследовательский технический университетРоссияIrkutsk National Research Technical UniversityRussian Federation2017281120176011870876Copyright © 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/1168

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. Так, основной проблемой при изготовлении из калиброванного металла маложестких деталей типа валов является наличие в материале значительного уровня и неравномерного распределения остаточных напряжений, появление которых в значительной мере обусловлено технологическими причинами. 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 математического планирования многофакторных экспериментов, на основе которой выявлены основные параметры процесса калибровки, влияющие на формирование технологических остаточных напряжений. Установлено влияние степени относительного обжатия, угла рабочего конуса и длины калибрующей зоны рабочего инструмента на величину и характер распределения осевых, тангенциальных и радиальных остаточных напряжений. Установлено, например, что наибольшую величину растягивающие тангенциальные напряжения имеют при степени относительного обжатии 23 %, рабочем угле волоки 18°, скорости калибровки 2,5  мм/с и наихудших условиях смазки. Следует отметить неоднозначную зависимость компонентов остаточных напряжений от параметров процесса. Так, при увеличении степени относительного обжатия тангенциалные остаточные напряжения возрастают, а осевые снижаются. С увеличением обжатия от 5 до 34 % тангенциальные остаточные напряжения возрастают в 2,5 раза, а осевые уменьшаются на 13  %. Установлено также, что на осевые напряжения большее влияние оказывает угол рабочего конуса волоки, а на тангенциальные  – степень относительного обжатия. В диапазоне углов рабочего конуса волоки от 8 до 24° характер остаточных напряжений по сечению прутка не изменяется. С увеличением длины калибрующей зоны волоки значения компонент тензора остаточных напряжений существенно снижаются. Увеличение длины калибрующей зоны является эффективным средством для снижения остаточных напряжений в калиброванных прутках. Глубина распространения остаточных напряжений растяжения не является величиной постоянной и зависит от режимов калибровки.

Calibrated metal is presented as an effective form of blanks for a number of metal technologies. Greater its use in industry is prevented by residual stresses formed during cold deformation. So, the main problem at manufacture from the calibrated metal of low-rigid details like shaft, is existence in material of the considerable level and a nonuniform distribution of residual stresses, the appearance of which is large due to technological reasons. 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 calibration process on residual stress state, on the basis of which the main parameters of the calibration process that affect the formation of technological residual stresses are revealed. Influence of extent of the relative cobbing, corner of a working cone and length of the calibrating zone of the working tool on the size and the nature of distribution of axial, tangential and radial residual stresses were determined. It was established, for example, that the stretching tangential stresses have the largest value at degree of the relative cobbing of 23  %, working angle of drawing die of 18° and calibration speeds of 2.5  mm/sec under the worst conditions of lubricant. The ambiguous dependence of components of residual stresses on process parameters should be noted. So, at the increase in extent of the relative cobbing, the tangential residual stresses increase and axial ones decrease. With increase in cobbing from 5 to 34  % tangential residual stresses increase by 2.5  times, and axial ones decrease by 13  %. It was established also that on axial tension the greater influence is exerted by an angle of working drawing die, and on tangential – extent of the relative cogging. In the range of angles of working drawing die from 80 to 240  character of residual stresses on the section of a bar does not change. With increase in length of the calibrating zone of the drawing die the values of components of residual stresses tensor significantly decrease. Increase in length of the calibrating zone is an effective remedy for decrease in residual stresses in the calibrated bars. Depth of distribution of compressive residual stresses is not a stationary value and depends on the calibration modes.

калиброванный металлостаточные напряженияпараметры калибровкиобжатиеугол рабочего конусадлина калибрующей зоныcalibrated metalresidual stressescalibration parameterscobbingangle of working conelength of calibrating zoneReferencesШефтель Н.И. Улучшение качества и сортамента проката. – М.: Металлургия, 1973. – 343 с.Sheftel’N.I. Uluchshenie kachestva i sortamenta prokata [Improvement of quality and assortment of rolled products]. Moscow: Metallurgiya, 1973, 343 p. (In Russ.).Зайдес С.А. Остаточные напряжения и качество калиброванного металла. – Иркутск: ИрГТУ, 1992. – 200 с.Zaides S.A. Ostatochnye napryazheniya i kachestvo kalibrovannogo metalla [Residual stresses and quality of the calibrated metal]. Irkutsk: IrGTU, 1992, 200 p. (In Russ.).Зайдес С.А. Охватывающее поверхностное пластическое деформирование. – Иркутск: ИрГТУ, 2001. – 309 с.Zaides S.A. Okhvatyvayushchee poverkhnostnoe plasticheskoe deformirovanie [Covering 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 [Residual 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 [Residual stresses. Theory and applications]. 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 [Management of residual 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 [Residual stresses in profiles and the ways of their decrease]. Moscow: Metalurgiya, 1985, 185 p. (In Russ.).Алексеев П.Г. Устойчивость остаточных напряжений и их влияние на износостойкость деталей, упрочненных наклепом // Повышение эксплуатационных свойств деталей поверхностным пластическим деформированием. – М.: МДНТП, 1971. С. 76 – 79.Alekseev P.G. Stability of residual stresses and their influence on wear resistance of hardened parts. 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.).Радченко В.П., Саушкин М.Н. Ползучесть и релаксация остаточных напряжений в упрочненных конструкциях. – М.: Машиностроение–1, 2005. – 226 с.Radchenko V.P., Saushkin M.N. Polzuchest’ i relaksatsiya ostatochnykh napryazhenii v uprochnennykh konstruktsiyakh [Creep and relaxation of residual stresses in hardened structures]. Moscow: Mashinostroenie–1, 2005, 226 p. (In Russ.).Стружанов В.В. Об остаточных напряжениях после прокатки и расслоения двухслойных полос // Вестник СамГТУ. Серия физ.-мат. науки. № 5. 2010. С. 55 – 63.Struzhanov V.V. On residual stresses after rolling and stratification of double-layer strips. Vestnik SamGTU. Seriya fiz-mat nauki. 2010, no. 5, pp. 55–63. (In Russ.).Остаточные напряжения / Ж.А. Мрочек, С.С. Макаревич, Л.М.Кожуро и др. / Под ред. С.С. Макаревича. – Минск: УП «Технопринт», 2003. – 316 с.Mrochek Zh.A., Makarevich S.S., Kozhuro L.M. etc. Ostatochnye napryazheniya [Residual stresses]. Makarevich S.S. ed. Minsk: UP “Tekhnoprint”, 2003, 316 p. (In Russ.).Подзей А.В., Сулима А.М., Евстигнеев М.И. Технологические остаточные напряжения / Под ред. А.В. Подзея. – М.: Машиностроение, 1973. – 216 с.Podzei A.V., Sulima A.M., Evstigneev M.I. Tekhnologicheskie ostatochnye napryazheniya [Technological residual 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 [Residual 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 [Residual stresses in layered composites]. Moscow: Metallurgizdat, 2010, 237 p. (In Russ.).Недорезов И.В., Поляков А.П., Волегов и др. Методы определения остаточных напряжений в незакаленных рельсах // Производство проката. 2001. № 2. С. 11 – 16.Nedorezov I.V., Polyakov A.P., Volegov etc. Methods for determining residual stresses in no-tempered rails. Proizvodstvo prokata. 2001, no. 2, pp. 11–16. (In Russ.).Белоусов Ю.В. Вычисление остаточных напряжений при травлении консольно закрепленного образца // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2017. № 1. С. 78 – 80.Belousov Yu.V. Calculation of residual stresses during etching of the fixed sample. Stroitel’naya mekhanika inzhenernykh konstruktsii i sooruzhenii. 2017, no. 1, pp. 78–80. (In Russ.).Каратушин С.И., Храмова Д.А., Бильдюк Н.А. Моделирование и расчет остаточных напряжений в прокатных профилях // Изв. вуз. Машиностроение. 2017. № 6. С. 28 – 34.Karatushin S.I., Khramova D.A., Bil’dyuk N.A. Modeling and calculation of residual stresses in rolling profiles. Izv. vuz. Mashinostroenie. 2017, no. 6(582), pp. 28–34. (In Russ.).Блюменштейн В.Ю., Махалов М.С. Влияние режимов на формирование остаточных напряжений в поверхностном слое при размерном совмещенном обкатывании // Обработка металлов. 2008. № 2. С. 15 – 22.Blyumenshtein V.Yu., Makhalov M.S. Influence of the modes on formation of residual stresses in the surface layer at dimensional combined rolling. Obrabotka metallov. 2008, no. 2 (39), pp. 15–22. (In Russ.).Махалов М.С. Расчетная модель формирования остаточных напряжений поверхностного слоя при размерном совмещенном обкатывании // Обработка металлов. 2008. № 4. С. 17 – 18.Makhalov M.S. Calculated model of formation of residual stresses of the surface layer at dimensional combined rolling. Obrabotka metallov. 2008, no. 4, pp. 17–18. (In Russ.).Радченко В.П., Морозов А.П., Саушкин М.Н. Стохастическая модель для расчета остаточных напряжений в поверхностно упрочненном полом цилиндре в условиях ползучести // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2017. № 1. С. 181 – 207.Radchenko V.P., Morozov A.P., Saushkin M.N. Stochastic model for calculating residual stresses in a surface-hardened hollow cylinder under creep conditions. Vestnik Permskogo natsional’nogo issledovatel’skogo politekhnicheskogo universiteta. Mekhanika. 2017, no. 1, pp. 181–207. (In Russ.).Русаков A.A. Рентгенография металлов. – М.: Атомиздат, 1977. – 237 c.Rusakov A.A. Rentgenografiya metallov [Radiography of metals] Moscow: Atomizdat, 1977, 237 p. (In Russ.).Реброва И.А. Теория планирования эксперимента. – Омск: СибАДИ, 2016. – 106 с.Rebrova I.A. Teoriya planirovaniya eksperimenta [Theory of experiment planning]. Omsk: SibADI, 2016, 106 p. (In Russ.).Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов / К. Хартман и др. – М.: Мир, 1977. – 552 с.Hartmann K., Lezki E., Schäfer W. Statistische Versuchsplanung und Auswertung in der Stoffwirtschaft. Klaus Hartmann (Hrsg.). Leipzig: VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, 1974. (Russ.ed.: Hartmann K. etc. Planirovanie eksperimentov v issledovanii tekhnologicheskikh protsessov. Moscow: Mir, 1977, 552 p.).Берин И.Ш., Днестровский Н.З. Волочильный инструмент. – М.: Металлургия, 1971. – 174 с.Berin I.Sh., Dnestrovskii N.Z. Volochil’nyi instrument [Drawing tool]. Moscow: 1971, 174 p. (In Russ.).Домрачев А.Ф., Зайдес С.А., Квактун В.Б. и др. Освоение повышения скоростей волочения алюминиевой проволоки // Кабельная техника. 1977. № 8. С. 10 – 12.Domrachev A.F., Zaides S.A., Kvaktun V.B. etc. Development of increase in speeds of drawing of an aluminum wire. Kabel’naya tekhnika. 1977, no. 8, pp. 10–12. (In Russ.).Дружинина Т.Я., Зайдес С.А., Аркулис Г.Э. и др. Остаточные напряжения в калиброванном металле и способы их регулирования // Остаточные напряжения и методы регулирования: Тр. Всесоюз. симпоз. по остаточным напряжениям. – М., 1982. С. 175 – 180.Druzhinina T.Ya., Zaides S.A., Arkulis G.E. etc. Residual stresses in the calibrated metal and methods of their regulation. In: Ostatochnye napryazheniya i metody regulirovaniya: Tr. Vsesoyuz. simpoz. po ostatochnym napryazheniyam [Residual stresses and control methods: Papers of All-Union Symp. on Residual Stresses]. Moscow: 1982, pp. 175–180. (In Russ.).

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