Analiza numeryczna naprężeń w narzędziu podczas wytwarzania śrub w procesie przeróbki plastycznej

Transkrypt

1 NOWOTYŃSKA Irena 1 KUT Stanisław 2 Analiza numeryczna naprężeń w narzędziu podczas wytwarzania śrub w procesie przeróbki plastycznej WSTĘP Współczesny przemysł wymaga od producentów elementów złącznych ciągłego udoskonalania swoich wyrobów. Dotyczy to zarówno konstrukcji, materiałów stosowanych na śruby jak również narzędzi do ich produkcji. Połączenia śrubowe znajdują szerokie zastosowanie w tym również w odpowiedzialnych urządzeniach, takich jak np.: turbiny, sprężarki przeznaczone dla motoryzacji, sprężarki przeznaczone dla przemysłu lotniczego, turbiny parowe, turbiny gazowe itd. Śrubom, jako elementom łączącym podzespoły i zespoły maszyn, stawiane są wysokie wymagania, ponieważ ogromny procent tych elementów pracuje w zróżnicowanych środowiskach, np. o dużej agresywności. Bardzo ważną rolę w produkcji śrub kształtowanych z wykorzystaniem metod obróbki plastycznej odgrywają narzędzia kształtujące. W praktyce przemysłowej proces technologiczny kształtowania typowych śrub na drodze obróbki plastycznej realizowany jest na zimno, co powoduje znaczne obciążenia narzędzi kształtujących. Odpowiednio skonstruowane, wykonane i eksploatowane narzędzie umożliwi zapewnienie wysokiej jakości wyrobów przy dostatecznie dużej wielkości produkcji, niskich jej kosztach oraz wymaganym poziomie bezpieczeństwa. W konsekwencji pozwoli to zapewnić skuteczne konkurowanie przedsiębiorstwa na współczesnym rynku. Trwałość narzędzia i jego przydatność do produkcji zależą od wielu czynników, często wywołujących przeciwstawne efekty. Nie ma jak dotąd jednoznacznych kryteriów doboru materiałów narzędziowych i trzeba w dużej mierze opierać się na doświadczeniach wytwórców oraz użytkowników narzędzi, w tym także na możliwościach jakie dają współczesne narzędzia informatyczne w postaci programów obliczeniowych wspomagających prace inżynierskie w zakresie analizy procesów technologicznych oraz projektowania oprzyrządowania technologicznego. Dzięki ich wykorzystaniu można prowadzić symulacje danych procesów bez konieczności prowadzenia długotrwałych badań eksperymentalnych [3-5]. Już na etapie badań symulacyjnych można uwzględnić pewne czynniki i zjawiska działające niekorzystnie na narzędzia, a następnie tak projektować proces i oprzyrządowanie, aby je wyeliminować lub chociaż w pewnym stopniu ograniczyć. Główną miarą jakości narzędzia jest jego niezawodność czyli zdolność do długotrwałej pracy bez powstawania braków. Niezawodność narzędzia jest ściśle związana z jego trwałością. Definicja trwałości narzędzia jest jednak w tym przypadku dość płynna ze względu na dużą ilość decydujących o niej czynników. W praktyce przemysłowej niekorzystnym zjawiskiem mogącym wystąpić podczas kucia śrub jest np.: pękanie narzędzi lub innych elementów oprzyrządowania, ich intensywne zużycie ścierne lub trwałe deformacje. Zatem trwałość narzędzia będzie w ogólnym przypadku zdeterminowana możliwością wystąpienia tych trzech zjawisk niszczących pękania, zużycia ściernego i odkształcenia trwałego. Każde z tych zjawisk będzie występowało z różną intensywnością w przypadku różnego wyjściowego stanu narzędzia. Celem artykułu jest analiza naprężeń panujących w matrycy podczas realizacji operacji kucia śruby z łbem sześciokątnym wewnętrznym (imbusowym) w zależności od wielkości zastosowanego wcisku. 1 Politechnika Rzeszowska, im. I. Łukasiewicza, Rzeszów, Wydział Zarządzania, al. Powstańców Warszawy 12, Tel: , i_nowot@prz.edu.pl 2 Politechnika Rzeszowska, im. I. Łukasiewicza, Rzeszów, Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa, al. Powstańców Warszawy 12, Tel: , stan_kut@prz.edu.pl 8006

2 1 BADANIA EKSPERYMENTALNE Przedmiotem badań była operacja kształtowania łba śruby z łbem sześciokątnym wewnętrznym (imbusowym). Przed przystąpieniem do badań numerycznych dokonano analizy oprzyrządowania i narzędzi w procesie realizowanym eksperymentalnie w warunkach przemysłowych. Model geometryczny oprzyrządowania wykorzystany w modelu numerycznym zbudowano na bazie modelu eksperymentalnego. Proces wytwarzania śrub przebiega w kilku etapach. Drut podawany jest do maszyny, gdzie jest cięty na odcinki o odpowiedniej długości; dalej pożądany kształt jest formowany w kolejnych operacjach spęczania, a następnie walcowany jest gwint (rys.1). Operacje kształtowania śruby I II III IV V VI VII Rys. 1. Kolejne operacje kształtowania plastycznego śruby z łbem sześciokątnym wewnętrznym (imbusowym) Większość maszyn wykorzystywanych do realizacji procesu kucia śrub na zimno to prasy poziome, choć zdarzają się również tzw. zbijarki pionowe. We wszystkich za ostateczny kształt wyrobu odpowiadają spęczaki i nagłowniki (z jednej strony) oraz matryce (z drugiej). Spęczaki i nagłowniki to swego rodzaju odpowiednio ukształtowane młotki, które deformują detal trzymany (unieruchomiony) w matrycy z drugiej strony. Wielkość przekucia (deformacji) uzyskiwana w czasie jednego uderzenia (w 1 stacji w maszynie wielomatrycowej) jest funkcją właściwości mechanicznych obrabianego materiału oraz stopnia skomplikowania produkowanego detalu [1]. W rozpatrywanym przypadku realizację procesu kucia śrub na zimno zrealizowano na maszynie typu SACMA SP38 EL przy wydajności ok sztuk śrub na minutę. Materiałem z którego wykonano śruby była stal typu 30MnB4. Zastosowano matrycę z =12,51. Właściwości mechaniczne materiału śruby (granica plastyczności oraz przebieg krzywej umocnienia) wyznaczono na podstawie statycznej próby rozciągania przeprowadzonej na maszynie wytrzymałościowej Zwick/Roell Z100. Jak już wcześniej zaznaczono w aktualnie stosowanej technologii śrubę uzyskuje się w kilku operacjach (rys.1). Z wieloletniej praktyki przemysłowej wynika, że najmniejszą trwałość maja narzędzia przeznaczone do realizacji czwartej operacji. Można zatem wnioskować, że w tej operacji występuje największe obciążenie narzędzi, które nie tylko powoduje najbardziej intensywne ich zużycie, ale często prowadzi do powstawania niebezpiecznych pęknięć w narzędziach. Z tego względu niniejsze badania zostały przeprowadzone dla czwartej operacji. Jak wiadomo narzędzia do produkcji śrub zawierają wiele elementów składowych, które muszą wytrzymać wysokie obciążenia mechaniczne i termiczne, a tym samym charakteryzować się wysoką trwałością. Przeprowadzony eksperyment pozwolił na wyodrębnienie miejsc najbardziej narażonych na utratę spójności czy też zużycia narzędzi co przekłada się na ich trwałość. Jako jedną z przyczyn występowania wspomnianych zjawisk mogą być źle dobrane wartości wcisku montażowego. W praktyce przemysłowej wartości wcisków zostały przyjęte szacunkowo. Dlatego pojawiające się negatywne zjawiska skłoniły do przeprowadzenia modelowania numerycznego, aby dać odpowiedź na pytanie, co przyczynia się do występowania wspomnianych wcześniej niekorzystnych zjawisk i podjęcia próby ich wyeliminowania. 8007

3 2 MODELOWANIE NUMERYCZNE Przedmiotem modelowania jest czwarta operacja procesu kucia śruby z łbem sześciokątnym wewnętrznym (imbusowym). Obliczenia numeryczne wykonano z wykorzystaniem komercyjnego oprogramowania MARC/Mentat firmy MSC Software. Proces wytwarzania śrub w czwartej operacji modelowano dla matrycy bez wcisku oraz z trzema różnymi wartościami wcisków montażowych. Umożliwiło to określenie m.in miejsc o dużej intensywności naprężeń między materiałem matrycy a materiałem śruby. Właściwości materiału śruby opisano przyjmując model ciała sprężystoplastycznego z nieliniowym umocnieniem. Zbudowano dwuwymiarowy model geometryczny procesu, który analizowano z założeniem symetrii osiowej (model osiowosymetryczny). Model z warunkami kontaktowymi ciał odkształcalnych przedstawiono na rysunku 2. Rys. 2. Model geometryczny analizowanego procesu Model tarcia opisano prawem Coulomba. Współczynniki tarcia pomiędzy śrubą, a matrycą przyjęto równy 0,1, między pozostałymi narzędziami 0,15. Do budowy siatki elementów skończonych odkształcanych materiałów zastosowano elementy klasy 4 typu 10 - axisymmetric ring quadrilateral [2]. Symulację numeryczną przeprowadzono przy użyciu opcji global remeshing. Wielkość elementów matrycy i śruby wynosiła ok. 0,20 mm, natomiast pozostałych materiałów ok. 0,4 mm. W badaniach wzięto pod uwagę trzy różne wartości wcisków montażowych, tj. 0,003mm; 0,006mm; 0,009mm określając naprężenia obwodowe występujące pomiędzy matrycą a obudową w procesie wytwarzania śrub. Do określenia wcisku montażowego posłużono się wzorem: Dzw D wp (1) 2 gdzie: D zw średnica zewnętrzna matrycy, mm D wp średnica wewnętrzna tulei narzędziowej, mm 3 WYNIKI I ICH ANALIZA Ilość i różnorodność czynników wpływających na trwałość narzędzia jest trudna do jednoznacznego określenia. Jednym z głównych czynników wpływających na żywotność narzędzia jest przestrzeganie parametrów technologicznych w produkcji, np. odpowiedni dobór wcisków montażowych. Na rysunku 3 pokazano rozkład naprężeń w śrubie i matrycy dla wcisku równego 0,009mm w momencie zetknięcia się śruby i matrycy (rys. 3a) oraz w końcowym etapie procesu (rys. 3b). 8008

4 a) b) Fig. 3. Rozkład intensywności naprężeń w MPa w momencie zetknięcia się matrycy ze śrubą a) oraz w końcowym etapie procesu b) Na rysunku 4 pokazano rozkład naprężeń w matrycy podczas wytwarzania śrub bez zastosowania wcisku oraz z zastosowaniem trzech różnych wcisków pomiędzy matrycą a śrubą. Należy zwrócić uwagę na wartości naprężeń jakie występują w poszczególnych rozważanych przypadkach ze względu na przyjęcie różnej skali dla poszczególnych wariantów. 8009

5 a) b) c) d) Fig. 4. Rozkład i wartości naprężeń obwodowych w MPa w matrycy podczas procesu wytwarzania śrub: a) bez wcisku, b) z wciskiem 0,003 mm, c) z wciskiem 0,006 mm, d) z wciskiem 0,009 mm W przypadku matrycy dla której nie zastosowano wcisku odnotowano największe naprężenia obwodowe równe 1240 MPa. Zastosowanie wcisku montażowego o wartości 0,003 zmniejszyło wartości tych naprężeń o około 2,5%. Zastosowanie dwukrotnie większego wcisku, równego 0,006 mm spowodowało nieznaczny spadek wartości naprężeń obwodowych w porównaniu z wciskiem 0,003 mm i wyniosło nieco powyżej 3% osiągając wartość 1200 MPa. Natomiast najmniejsze wartości naprężeń obwodowych odnotowano dla wcisku równego 0,009 mm i w porównaniu z tymi jakie osiągnięto bez zastosowania wcisku zmniejszyły się o ponad 7%, wynosząc 1150 MPa. WNIOSKI Przedstawione w artykule wyniki stanowią przykład wspomaganej komputerowo technologii projektowania i analizy ze szczególnym naciskiem na odpowiedni dobór warunków procesu 8010

6 wymaganych do uzyskania produktu wysokiej jakości (wskazania miejsc narażonych np. na pękanie, określenia wpływu wcisku na rozkład naprężeń obwodowych), przy minimalnych kosztach (redukcja strat materiałowych). Rozważono przykład procesu kucia na zimno śruby o sześciokątnym łbie. Przeanalizowano wpływ różnych wartości wcisku na odpowiedni dobór parametrów procesu i ich wpływ na efekt końcowy w postaci kształtu produktu i trwałości narzędzi. Zaobserwowano, że zastosowanie wcisku równego 0,009 mm spowodowało największy spadek wartości naprężeń obwodowych w porównaniu z pozostałymi przyjętymi wartościami wcisku, co może powodować, że materiał matrycy w całym obszarze będzie bardziej równomiernie obciążony, to w konsekwencji wpłynie na obniżenie poziomu wartości naprężeń, co z punktu ich zużycia i trwałości eksploatacyjnej jest bardzo korzystne. Niemniej jednak należy pamiętać, że zastosowanie zbyt dużych wcisków zwiększa ryzyko pojawienia się pęknięć w narzędziach. W praktyce inżynierskiej przy doborze wcisku należy zwrócić uwagę, aby podczas obciążenia narzędzi występowały w materiale możliwie jak najmniejsze gradienty naprężeń. Otrzymane wyniki wskazują na istnienie zależności między zastosowanymi wartościami wcisków, a wartościami roboczych naprężeń obwodowych w matrycach z zastosowaniem wcisków montażowych. Streszczenie Bardzo ważną rolę w produkcji śrub kształtowanych z wykorzystaniem metod obróbki plastycznej odgrywają narzędzia kształtujące. W praktyce przemysłowej proces technologiczny kształtowania typowych śrub na drodze obróbki plastycznej realizowany jest na zimno, co powoduje znaczne obciążenia narzędzi kształtujących. Odpowiednio skonstruowane, wykonane i eksploatowane narzędzie umożliwi zapewnienie wysokiej jakości wyrobów przy dostatecznie dużej wielkości produkcji, niskich jej kosztach oraz wymaganym poziomie bezpieczeństwa. W konsekwencji pozwoli to zapewnić skuteczne konkurowanie przedsiębiorstwa na współczesnym rynku. W pracy przedstawiono numeryczną analizę naprężeń panujących w matrycy podczas realizacji operacji kucia śruby z łbem sześciokątnym wewnętrznym (imbusowym) w zależności od wielkości zastosowanego wcisku. Przeprowadzone badania pozwoliły określić wpływ wartości wcisku m.in. na rozkład naprężeń obwodowych w matrycy podczas procesu wytwarzania śrub. Numerical analysis of stresses in the tool during the manufacture of screws in metal forming Abstract Very important role in the production of shaped screws using metal forming play swaging tools. In commercial practice, the typical manufacturing process of shaping by means of screws on the forming is carried out cold, which results in considerable load shaping tools. Properly designed, constructed and operated tool will allow to provide high quality products at a sufficiently high volume production, low cost, and the required level of security. As a result, this will provide the company to compete effectively in today's market. The paper presents a numerical analysis of the stress conditions in the die during the implementation of the forging operation hexagonal socket head cap screws depending on the size of the applied interference. The research allowed to determine the effect of interference, inter alia, the distribution of hoop stress in the die during the manufacturing process of screws. BIBLIOGRAFIA 1. ( 2. MSC Software: MSC.Marc Volume B: Element Library, Version Yung-Chang Y. [i in.]., Estimation of tool wear in orthogonal cutting using the finite element analysis. Journal of Materials Processing Technology. 146 (2004) Żmudzki A., Skubisz P., Sińczak J., Pietrzyk M., Wykorzystanie metod symulacji w procesach kuźniczych, Obróbka Plastyczna Metali t. XVII nr 3 (2006). 5. Żmudzki A., Węglarczyk S., Kondek T., Pietrzyk M., Numerical simulation of advanced metal processing, Manufacturing systems development: industry expectations, ed. Jerzy Jędrzejewski, Machine Engineering, Vol. 5, 3-4, 2005,