MODELOWANIE FIZYCZNE

Transkrypt

1 MODELOWANIE FIZYCZNE

2 Wrocław, Cel ćwczena Celem ćwczena jest: Poznane zasad modelowane fzycznego. Dobór materałów modelowych. Przeprowadzene modelowana procesu wycskana współbeżnego alumnum w płaskm stane odkształcena. Przeprowadzene modelowana procesu wycskana współbeżnego alumnum przy użycu materału modelowego w płaskm stane odkształcena. Porównane modelu rzeczywstego z modelem fzycznym. 2. Wprowadzene Coraz wększa konkurencyjność przedsęborstw powoduje, że poszukuje sę metod, które ułatwłyby z jednej strony projektowana procesu przeróbk plastycznej, natomast z drugej strony wyelmnowałyby eksperyment na materale rzeczywstym jako narzędze weryfkujące. Poszukwana te prowadzone są w dwóch kerunkach. Perwszy kerunek oparty na aparace matematycznym oraz technkach oblczenowych, które gwałtowne rozwnęły sę w ostatnm dwudzestolecu, pozwala budować matematyczne modele różnych procesów kształtowana plastycznego oraz zjawsk zachodzących w odkształcanym materale. Należy tu główne wspomneć o metodze elementów skończonych. Popularność tej metody wynka z jednej strony z coraz wększej dostępnośc komputerów o dużych mocach oblczenowych, z drugej zaś z coraz prostszej obsług programów wykorzystujących tą metodę. Pommo bezdyskusyjnej przydatnośc neunknonego wdrażana modelowana matematycznego do analzy projektowana procesów, należy pamętać zarówno o potencjalnych możlwoścach jak też o ogranczenach tej metody. Podstawowym ogranczenem w bezpośrednm wykorzystanu matematycznego modelowana w procese projektowana jest brak pewnośc czy uzyskane wynk są wystarczająco poprawne [1]. Nepewność ta może być spowodowana przyjęcem błędnych założeń. Dlatego koneczne jest porównane modelowana matematycznego z rzeczywstym procesem, którego alternatywą może być metoda fzycznego modelowana jako dużo tańsza szybsza. Metoda ta może stanowć samodzelne narzędze w projektowanu procesów przeróbk plastycznej z uwzględnenem zarówno kształtu jak właścwośc gotowego wyrobu lub też współdzałać z modelowanem matematycznym, dostarczając mu nezbędnych nformacj dotyczących zachowana sę odkształcanego materału, warunków brzegowych oraz może pełnć rolę narzędza weryfkującego [2]. Podstawową deą modelowana fzycznego jest zastąpene rzeczywstego materałów danym procese przeróbk plastycznej materałem modelowym o grancy plastycznośc razy mnejszej od materału rzeczywstego. Stwarza to możlwość użyca tańszych narzędz oraz pras o dużo mnejszych nacskach nż w procesach rzeczywstych [3]. Poprawność fzycznego modelowana oraz możlwość transformacj wynków na rzeczywsty proces przeróbk plastycznej jest ścśle uzależnona od zachowana warunków podobeństwa mędzy modelem fzycznym a procesem rzeczywstym. Podobeństwo to pownno obejmować: ops właścwośc materału, geometrę, warunk brzegowe (tarca), oraz warunk termczne, knematyczne dynamczne. O le oddzelne spełnene wększośc poszczególnych warunków podobeństwa ne stwarza wększych problemów, o

3 tyle jednoczesne spełnene wszystkch warunków jest praktyczne nemożlwe [4]. Jednym z najstotnejszych warunków jest warunek podobeństwa materału w zakrese plastycznym. Jednym z podstawowych warunków prawdłowego zaprojektowana eksperymentów modelowana fzycznego jest dobór odpowednego materału modelowego, symulującego zachowane sę rzeczywstego materału metalcznego. Tak materał modelowy wnen charakteryzować sę nskm właścwoścam wytrzymałoścowym, umożlwającym realzację eksperymentów modelowych przy użycu narzędz wykonanych najczęścej z drewna, gumy, żywc nnych tworzyw sztucznych oraz z materałów przeźroczystych pozwalających na obserwację przebegu procesu (np.: płynęca materału). Równocześne pownen on umożlwać wykonane eksperymentów modelowana w temperaturach pokojowych zarówno w skal powększonej, jak w skal zmnejszonej w stosunku do rzeczywstośc. W zależnośc od celu eksperymentu modelowana fzycznego (badana własnośc zachowana sę samego materału modelowego, analza przebegu fragmentu procesu, badane nteresującego zjawska występującego w eksperymence np.: strefa martwa) próbk posadają zróżncowaną budowę od prostej bryły np.: walca, prostopadłoścanu aż po skomplkowane konstrukcje np.: próbk wg technk jam roll (rys. 1). Rys. 1 Przykładowe próbk jem roll stosowanej w modelowanu fzycznym procesu wycskana wraz z narzędzam Obecne stosowane materały modelowe zasadnczo mogą być podzelone na dwe grupy: metalczne nemetalczne. Do grupy metalcznych należą mędzy nnym: ołów, alumnum, sód, medź ch mękke stopy. Do grupy nemetalcznych zalcza sę: gumę, materały termoplastyczne, różne rodzaje wosków oraz ch meszanny, a także plastelny z różnym dodatkam (kaoln, lanolna, slkon, kreda). Nemetalczne materały modelowe są szczególne wykorzystywane do badana płynęca, bowem materały metalczne ne dają takch możlwośc, zwłaszcza w przypadku procesów, w których występują znaczne odkształcena, lub w operacjach, gdze zachodz obrót odkształcanego materału. Materały z grupy nemetalcznych posadają równeż wady: wykazują dużą wrażlwość na prędkość odkształcana oraz temperaturę, co powoduje, że poprawna realzacja eksperymentów modelowych pownna te zachowana szczególne uwzględnć. Laboratorum

4 modelowana fzycznego w zakładze Z3 wykorzystuje do eksperymentów materały modelowe z grupy nemetalcznych. Dotychczasowe badana prowadzone nad uzyskanem właścwych nemetalcznych materałów modelowych, symulujących zachowane sę rzeczywstych materałów metalcznych (równeż kompozytów metalowych) doprowadzły do wyodrębnena dwóch grup takch materałów: 1. Materały modelowe bazujące na naturalnych lub syntetycznych woskach z różnego rodzaju dodatkam (wosk mękke twarde). Materały modelowe na baze wosków charakteryzują sę małym stopnem nejednorodnośc struktury, z tego też powodu są one wykorzystywane w badanach parametrów słowych analzowanych procesów. 2. Materały modelowe oparte na różnego rodzaju czystych plastelnach lub plastelnach zawerających zarówno dodatk zmękczające (olej, wazelna), jak utwardzające (kreda, glnka kaolnowa). Materały te wykazują wększą nejednorodność strukturalną nż materały z grupy perwszej. Poneważ zachowane tych materałów zależą od rodzaju lośc barwnka, stopna wymeszana, warunków wytwarzana przechowywana, stosowane są one główne do oceny jakoścowej badanych procesów, szczególne obrazów płynęca materału. 3. Ocena doboru materałów modelowych Najstotnejszym warunkem w modelowanu fzycznym jest podobeństwo materałów w zakrese plastycznym. Można założyć że warunek ten jest spełnony, gdy materał modelowy zachowuje sę tak samo jak materał rzeczywsty podczas odkształcana. Poneważ o zachowanu sę materału podczas odkształcana decyduje główne krzywa umocnena, warunek ten można sprowadzć do dobrana odpowednej krzywej umocnena materału modelowego. Przyjmując funkcję opsującą naprężene uplastycznające w postac C n m, można przyjąć, że warunek podobeństwa materałów jest spełnony, gdy wartośc współczynnków m n są take same dla materału rzeczywstego modelowego. Dobrane współczynnka n ne stwarza wększych trudnośc, w przecweństwe do doboru współczynnka m, który określa czułość materału na prędkość odkształcana. Na ogół materały stosowane do fzycznego modelowana są bardzej czułe na prędkość odkształcana nż materały rzeczywste. Do dokładnejszej oceny stopna podobeństwa krzywych umocnena materału modelowego rzeczywstego najwygodnej jest posługwać sę współczynnkem podobeństwa określonym ponższym wzorem [5] 1 C n n n rz m (1) gdze: rz naprężene uplastycznające materału rzeczywstego w punkce, rm naprężene uplastycznające materału modelowego w punkce, n lczba punktów na krzywych umocnena materału modelowego rzeczywstego w których wyznaczono średn współczynnk podobeństwa określony wzorem. C śr rz m (2)

5 Spełnene pozostałych warunków sprowadza sę główne do dobrana odpowednej temperatury oraz rodzaju smaru sposobu smarowana 4, 6]. Wynka to z faktu, że wosk są bardzo czułe na temperaturę, a tarce w modelowanu fzycznym stotne zmena przebeg procesu. Wzrost temperatury już tylko o 3-4 o C może powodować obnżene naprężena uplastycznającego o 20%. Nektóre materały zawerające lanolnę charakteryzują sę nawet jeszcze wększą czułoścą na prędkość odkształcana. Dlatego bardzo ważne jest utrzymane kontrolowane temperatury podczas modelowana fzycznego. Aby modelowane fzyczne było poprawne trzeba zwrócć szczególną uwagę na nne jeszcze czynnk, które mogą powodować otrzymywane błędnych wynków. Wykonane próbk ne mogą posadać nejednorodnej struktury wynkającej z nedokładnego wymeszana składnków lub z faktu, ze dane składnk są trudnomeszalne. Mały moduł sprężystośc duże odkształcene sprężyste, jakm charakteryzują sę materały stosowane do fzycznego modelowana w porównanu do metal, może znekształcć cały proces modelowana być przyczyną rozbeżnośc pomędzy modelem a procesem rzeczywstym, zwłaszcza wtedy, gdy w procese kształtowana plastycznego stotną rolę odgrywają odkształcena sprężyste. Podczas modelowana fzycznego bardzo stotne jest określene celu modelowana, gdyż od tego zależy sposób przygotowana próbek, realzacja modelowana ostateczne sposób analzy otrzymanych wynków. Np. gdy nteresuje nas sposób wypełnena matrycy oraz błędy powstające w prostych stanach odkształcena jak: płask lub osowo symetryczny stan wystarczy zastosować próbkę jednokolorowa z nanesoną na powerzchn satką, analza przebegu takego procesu może polegać jedyne na obserwacj deformacj satk na powerzchn próbk. Natomast do analzy złożonych stanów odkształcena, gdy materał płyne w rożnych kerunkach trzeba stosować welokolorowe próbk składane warstwowo. Wówczas analzę procesu przeprowadza sę na podstawe obserwacj kolejnych przekrojów próbk. Dodatkowo, gdy chcemy wyznaczyć wartośc sł odkształceń w procese należy zastosować specjalne urządzena do ch pomaru na modelu następne transformować je na proces rzeczywsty. 4. Przebeg ćwczena 4.1. Ops stanowska Ćwczene laboratoryjne dotyczą przeprowadzena modelowana fzycznego procesu wycskana współbeżnego alumnum w płaskm stane odkształcena, (rys. 2) Rys. 2. Schemat wycskana współbeżnego w płaskm stane odkształcena początkowa szerokość próbk wynos H 0, kąt matrycy oraz szerokość matrycy H 1 Zmenając wartośc początkowej końcowej szerokośc próbk uzyskuje sę różne stopne

6 redukcj przekroju odkształcanej próbk. Zmana kąta matrycy powoduje zmanę przebegu płynęca materału poprzez matrycę, wpływając jednocześne na rozległość strefy martwej, w które materał ne ulega odkształcenu. Na rys. 3 przedstawono wdok stanowska do wycskana materałów modelowych w płaskm stane odkształcena Rys. 3. Wdok stanowska do modelowana fzycznego procesu wycskana współbeżnego w płaskm stane odkształcena 1 Stanowsko do odkształcana zbudowane jest z: głównej płyty stołowej (1), na której zamontowana jest matryca (2) oraz ruchomy stempel (3) wraz z prowadncam (5), do którego jest następne zamontowany czujnk sły (4). Na zdjęcu przedstawono równeż odkształcaną próbkę (6) oraz szybę (7), przez którą rejestrowany był proces wycskana za pomocą aparatu cyfrowego. Po prawej strone umeszczono układ napędowy: slnk o mocy 1kW wraz z motoreduktorem frmy LENZE oraz mechanzm śruba - nakrętka zamenający ruch obrotowy slnka na ruch posuwsty stempla. Maksymalna sła kształtowana na przedstawonym stanowsku wynos 4 kn. W celu zapewnena możlwośc pomaru odkształceń na powerzchn próbk nanesona została kwadratowa satka o długośc boku 2,5 mm przy pomocy stodruku. Podczas procesu wycskana poprzez szybę rejestrowane jest odkształcena tej satk za pomocą aparatu cyfrowego. Zarówno w procese rzeczywstym jak modelu fzycznym rejestrowana jest sła wycskana w funkcj drog stempla. W procese rzeczywstym jako smar zwykle stosuje sę stearynan cynku, dla którego współczynnk tarca wynosł W modelu fzycznym natomast stosuje sę zwykle wazelnę, umeszczoną w specjalne wykonanych rowkach na powerzchn próbek, dla takch warunków uzyskuje sę zblżony współczynnk tarca, który wynos około 0.05.

7 W celu dobrana odpowednch materałów modelowych, które zachowywałyby sę podobne jak materał rzeczywsty podczas odkształcana należy dobrać odpowedne meszanny wosków z dodatkam. W rzeczywstym procese wycskana przecwbeżnego w płaskm stane odkształcena zastosowane będą próbk złożone z dwóch prostopadłoścanów 10x40x70 mm. Na powerzchn styku obu prostopadłoścanów nanos sę satkę koordynacyjną o boku 2,5 mm, która służyła do wyznaczana rozkładu odkształceń. Wygląd próbek przed wycskanem przedstawono na rys. 4. W procese mogą być stosowane matryce o różnym kące rozwarca, o różnym promenu stopnu redukcj. Rys. 4. Próbka z satką koordynacyjną do wycskana współbeżnego w płaskm stane odkształcena Narzędza do wycskana materału rzeczywstego przedstawone są na rys. 5a, natomast przyrząd do wycskana na rys. 5b. a) b)

8 naprężene uplastycznajace [MPa] Rys. 5. a) narzędza do procesu wycskana w płaskm stane odkształcena, b) stanowsko badawcze Krzywa umocnena wybranej meszanny wosku fla z dodatkam 20% kaolnu, której charakter jest zblżony do krzywej umocnena alumnum przedstawono na rys. 6. Meszanna ta zostane zastosowana do modelowana fzycznego procesu wycskana alumnum alumnum umocnone 0.01 s-1 fla+20%kaolnu-0.01 s-1 0-0,03 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 odkształcene Rys. 6. Krzywe naprężene uplastycznające odkształcene wyznaczone w próbe spęczana dla meszanny fl z 20 % kaolnu oraz dla alumnum umocnonego przy prędkośc odkształcana 0,01 s -1 (lewa skala dotyczy alumnum, prawa materałów modelowych) 0,47 0,42 0,37 0,32 0,27 0,22 0,17 0,12 0,07 0,02

9 4.2. Program ćwczena Ćwczene wymaga realzacj następujących zadań: Dobór określene właścwośc materału rzeczywstego. Dobór przygotowane materału modelowego o charakterystyce odpowadającej materałow rzeczywstemu. Badana dośwadczalne analza procesu wycskana przy użycu materału modelowego. Badana dośwadczalne analza procesu wycskana materału rzeczywstego. Określene warunków podobeństwa materału modelowego rzeczywstego ze wzoru (1). Wyznaczene wpływu warunków podobeństwa materałów rzeczywstego modelowego na dokładność odwzorowana procesów rzeczywstych modelem opracowanym dla materału modelowego poprzez porównane sły wycskana obu rodzajów materałów. Sły wycskana materału modelowego zostały przelczone na sły występujące w procese rzeczywstym przy użycu wzoru (1). Opracowane zasad, warunków zakresu zastosowana modelowana przy użycu materałów modelowych do projektowana rzeczywstych procesów kształtowana plastycznego. 5. Wytyczne do opracowana wynków pomarów sprawozdana Przy opracowywanu sprawozdana należy podać współczynnk podobeństwa materału modelowego rzeczywstego. Omówć sposób wycskana materału modelowego rzeczywstego. Uzasadnć różnce pomędzy wynkam otrzymanym z modelowana fzycznego w stosunku do procesu rzeczywstego. Tabl.1. Wynk pomarów oblczeń Materał Prędkość odkształ cana Tempe ratura modelowy rzeczywsty Współczynnk podobeństwa Sły wycskana T C P s -1 K Uwag W sprawozdanu należy ponadto zameścć: - warunk prowadzena prób (materał rzeczywsty, materał modelowy, krzywe umocnena materału rzeczywstego modelowego, stopeń redukcj przekroju, prędkość temperatura odkształcana, przebeg sły wycskana w funkcj drog stempla - wnosk spostrzeżena. Lteratura 1. Wanhem T.: Physcal modellng of metalprocessng. Procestechncs Insttut, Laboratores for Mekanske Materaleprocesser, Danmarks Teknsk Hojkole, Danmark Arentoft M., Gronostajsk Z., Nechajowcz A. Wanhem T.: Physcal and

10 mathematcal modellng of extruson processes, J. of Mat. Proc. Techn., 106, 2000, Arentoft M., Hennngsen P., Baya N., Wanhem T.: Smulaton of defects n metal formng. An example, Proc. of 5 th Int. Conf. On Metal Formng, Brmngham, 1994, Fner S., Kvvuor S., Kleemola H.: Mechancal and thermal propertes of model materals. Part 1, Model wax (Fla), Mkanska och Termska Egenskaberav Modellmateral, Del.1: Modellvaxet Fla Report Metall Lab. Metallmansgraeden Espoo 15, Fnland v. 16 No. 4, 39, Gronostajsk Z., Hawryluk M.: Wpływ warunków podobeństwa w zakrese plastycznym na modelowane osowo symetrycznego wycskana przecwbeżnego, FMM, 2003, Warszawa, 2003, Fnčr, S.; Kvvuor, S.; Kleemola, H.: Stress-Stran Relatonshps of Wax-based Model Materals, Journal of Mechancal Workng Technology, V.. 12, No. 2,

11