ENERGY AND STRUCTURAL EFFECTS OF ROLLING PROCESS WITH CYCLIC CHANGE OF THE STRAIN PATH

Transkrypt

1 FRANCISZEK GROSMAN ZDZISŁAW CYGANEK Rudy Metale R nr 6 UKD :620.18: : : : : : :536.6 EFEKTY ENERGETYCZNE I STRUKTURALNE W PROCESIE WALCOWANIA Z CYKLICZNĄ ZMIANĄ DROGI ODKSZTAŁCENIA W ostatnich latach w wielu gałęziach przemysłu zastosowanie znajdują nowoczesne materiały, jednak ciągle dominującą rolę odgrywają metale i ich stopy. Wymagane są jednak od tych materiałów coraz lepsze właściwości wytrzymałościowe i użytkowe. Za rozwojem materiałów musi nadążać rozwój technologii ich wytwarzania. Prowadzone w ostatnich latach badania wskazują, że jedną z możliwości dla konwencjonalnych procesów przeróbki plastycznej metali są procesy z wymuszoną drogą odkształcenia. W artykule zaprezentowano wyniki badań procesu walcowania MEFASS prowadzone w Katedrze Modelowania Procesów i Inżynierii Medycznej Politechniki Śląskiej. Badania te miały na celu określenie pracy odkształcenia wykonanej w procesie walcowania MEFAS S. Otrzymane wyniki wskazują, że wprowadzenie dodatkowego ruchu narzędzi w procesie walcowania powoduje znaczący wzrost zapotrzebowania energetycznego procesu. W artykule przedstawiono również wyniki badań strukturalnych pasm po procesie walcowania z cykliczną zmianą drogi odkształcenia. Za- efekty, jakie zmiana drogi odkształcenia wywołuje w materiale. Badania strukturalne wykazały, że szczegól- prezentowano nie istotny jest dobór parametrów prowadzenia procesu walcowania MEFASS ze względu na występującą niejednorodność struktury materiału po odkształceniu. Słowa kluczowe: walcowanie, zmiana drogi odkształcenia, praca odkształcenia, struktura, lokalizacja odkształcenia ENERGY AND STRUCTURAL EFFECTS OF ROLLING PROCESS WITH CYCLIC CHANGE OF THE STRAIN PATH Modern non-metal materials are app lied in many industries last years, but still dominant part play metals and metal alloys. However higher demands are set for metals and metal alloys, concerning mechanical and utilitarian properties. Development of the materials must be balanced by development of metal production technology. Results of conducted research indic ate, that alternative for conventional metal forming processes are processes with change of the strain path. In this paper research results of MEFASS rolling process are presented. This research were conducted in Department of Process Modelling and Medical Engineering of Silesian University of Technology. One of the most important problems in this work was to evaluate the consumed energy in the process, because research in this area were not done yet. Research results indicated, that additional movement of working rolls caused significant increase of consumed energy during the process. Metallographic research results are also presented in this paper. Structural effects caused by change of the strain path are presented. This research were conducted in Department of Material Science and showed significant influence of process parameters on structure homogeneity of deformed material after rolling. Keywords: rolling, change of the strain path, deformation work, structure, strain localization Wstęp Zastosowanie procesów przeróbki plastycznej jest niezbędnym etapem wytwarzania wyrobów z metali nieżela- znych. Końcowe właściwości wyrobów są ściśle uzależnione od możliwości kształtowania właściwościami metalu w trak- procesu przeróbki plastycznej. Jednym ze sposobów ste- cie rowania strukturą i właściwościami materiału, w procesach przeróbki plastycznej, są procesy ze sterowaną zmianą drogi odkształcenia. Wyniki badań procesów, charakteryzujących się sterowanym przebiegiem drogi odkształcenia, są bardzo interesujące. Uzyskiwane efekty związane są zarówno ze zmianą parametrów siłowo-energetycznych procesu [1] jak i uzyskanej struktury materiału po procesie odkształcania [2]. Na możliwości praktycznego wykorzystania tego typu sposobów odkształcenia wskazują m.in. pierwsze aplikacje przemysłowe, takie jak uzyskano w procesie wyciskania z obrotową matrycą KOBO [3]. Katedra Modelowania Procesów i Inżynierii Medycznej Politechniki Śląskiej prowadzi badania mające na celu poznanie zjawisk zachodzących w trakcie procesów odkształcania ze zmianą drogi odkształcenia, które pozwolą na opracowanie technologii kształtowania plastycznego wykorzystujących tego typu sposoby odkształcania. Ze względu na sposób obciążenia, polegający na przyłożeniu dodatko- Prof. dr hab.inż. Franciszek Grosman, dr inż. Zdzisław Cyganek Politechnika Śląska, Katedra Modelowania Procesów i Inżynierii Medycznej, Katowice. 363

2 wej siły wywołującej naprężenia ścinające, procesy te są określane skrótowo MEFASS (Metal Forming Aided by Share Stresses), czyli procesy przeróbki plastycznej wspomagane dodatkowymi na prężeniami ścinającymi. Proces walcowania z cykliczną zmianą drogi odkształcenia Stanowisko badawcze Zmiana drogi odkształcenia w procesie przeróbki plastycznej jest możliwa do uzyskania kilkoma metodami. W procesie walcowania MEFASS efekt ten jest wywołany przez wprowadzenie dodatkowego, cyklicznego ruchu poosiowego walców roboczych. W celu przeprowadzenia badań doświadczalnych tego procesu konieczne było zbudowanie walcarki, umożliwiającej taki ruch narzędzi. Walcarka laboratoryjna z możliwością cyklicznego, poosiowego ruchu walców posiada dwa walce robocze o średnicy 60 mm. Walce robocze w trakcie walcowania mogą przemieszczać się w kierunku poprzecznym do kierunku walcowania w przeciwnych kierunkach. W celu przeniesie- ruchu poprzecznego walców na odkształcany materiał nia na beczce walców wykonano obwodowe rowki. Maksymalna wartość wychylenia walców wynosi ± 2 mm (rys. 1), co pozwala na uzyskanie amplitudy przemieszczenia rów- 8 mm. Częstotliwość ruchu poosiowego walców może nej być regulowana w zakresie od 0 do 3 Hz, podobnie jak prędkość obrotowa walców regulowana w zakresie od 0 do 20 obr/min [4]. Schemat kinematyczny mechanizmu po- Rys. 2. Schemat systemu pomiarowego laboratoryjnej walcarki z cyklicznym, poosiowym ruchem walców [4] Fig. 2. Measurement system of laboratory rolling mill with cyclic, transverse rolls movement [4] zwalającego na cykliczny, poosiowy ruch walców w trakcie walcowania przedstawiono na rysunku 1. Walcarka jest wyposażona w system pomiarowy umożliwiający pomiar i rejestrację najważniejszych parametrów procesu walcowania (rys. 2). System ten umożliwia wizualizację wyników pomiarów w czasie rzeczywistym, zapis wyników do pliku oraz analizę i obróbkę danych. Program badań doświadczalnych Badania procesu walcowania z cyklicznym poosiowym ruchem walców prowadzone są od wielu lat. Obejmowały one m.in. wyznaczenie najkorzystniejszych parametrów prowadzenia procesu walcowania MEFASS z punktu wiodwalcowanego pasma [5], badania efektu dzenia kształtu cieplnego powstającego w trakcie walcowania [6] oraz próby uzyskania materiałów o strukturze drobnoziarnistej w tym procesie walcowania [7]. W ostatnim czasie główny nacisk w badaniach został położony na określenie pracy odkształcenia, niezbędnej do prowadzenia procesu walcowania z cyklicznym, poosiowym ruchem walców. Analizie poddano również efekty strukturalne wywołane zmianą drogi odkształ- Tablica 1 Parametry procesu walcowania ze zmianą drogi odkształcenia zastosowane w badaniach Table 1 Parameters of rolling process with cyclic change of the strain path used in presented research Rys. 1. Schemat kinematyczny walcarki z cyklicznym, poosiowym ruchem walców [4] Fig. 1. Kinematic scheme of rolling mill with cyclic, transverse rolls movement [4] Gniot względny ε h Prędkość walcowania Częstotliwość ruchu poosiowego Amplituda wychylenia v w walców f walców A % m/s Hz mm 5 0, ,4 10 0, ,8 20 0, ,0 364

3 cenia. Materiałem do badań była miedź elektrolityczna M1E. Wymiary początkowe pasm wynosiły mm (b h l) i były podyktowane możliwościami napędu walcarki. Parametry prowadzenia procesu walcowania zostały dobrane na podstawie wcześniejszych badań i zostały przedstawione w tablicy 1. Zależnie od przyjętego wariantu prowadzenia procesu przeprowadzono od 3 do 9 przepustów walcowania. Pro- gram badań obejmował również przeprowadzenie przepustów walcowania konwencjonalnego, w celu określenia po- dla efektów uzyskiwanych w procesach ziomu odniesienia, z cyklicznie zmienną drogą odkształcenia. Wyniki badań Praca odkształcenia w procesie walcowania MEFASS Wyznaczenie pracy odkształcenia było jednym z naj- ważniejszych celów prowadzonych badań. Do tej pory w literaturze procesy odkształcenia ze zmianą drogi odkształcenia były określane jako energooszczędne, w związku z możliwością obniżenia siły nacisku w procesie. Nie brano jednak w tych rozważaniach pod uwagę energii potrzebnej do wykonania dodatkowego ruchu narzędzia. Praca odkształcenia w procesie walcowania konwencjonalnego jest wyznaczana jako iloczyn momentu walcowa- nia oraz kąta obrotu walców roboczych. W procesie walcowania MEFASS konieczne jest uwzględnienie pracy wyko- ale również nywanej nie tylko przez ruch obrotowy walca, przez cykliczny ruch poosiowy. Praca związana z ruchem poprzecznym walców była wyznaczona z iloczynu siły osiowej oraz wielkości przemieszczenia walca. Metodę wy- znaczania pracy odkształcenia w procesie walcowania ME- FASS przedstawiono na rysunku 3. Porównanie wielkości pracy odkształcenia w procesie walcowania konwencjonalnego z procesem MEFASS wy- a Rys. 3. Schemat wyznaczania pracy w procesie walcowania z cykliczną zmianą schematu obciążenia Fig. 3. Diagram of deformation work evaluation in MEFASS rolling process b Rys. 4. Porównanie wykonanej pracy a w procesie walcowania konwencjonalnego oraz b walcowania z cyklicznym, poosiowym ruchem walców Fig. 4. Deformation work comparison between a conventional rolling process and b MEFASS rolling process 365

4 kazało, że prowadzenie procesu MEFASS wymaga zdecydowanie większej energii (rys. 4). Szczególnie w przypadku prowadzenia procesu z niewielkimi prędkościami walcowania, wymaganymi ze względu na wspomniane wcześniej korzystne warunki odkształcania w kotlinie walcowniczej, wielkość energii konieczna do prowadzenia procesu walcowania przewyższa kilkakrotnie energię niezbędną do prowadzenia procesu walcowania konwencjonalnego. Jest to wynik dużej liczby poosiowych przemieszczeń walców przypadającej na jednostkę objętości pasma. Obniżenie prędkości walcowania powoduje zwiększanie liczby cykli ruchu poosiowego walców. Jak wynika z badań, przedstawionych w pracy [8], zastosowanie niewielkich prędkości walcowania pozwala na uzyskanie najlepszych rezultatów z punktu widzenia kształtu pasma oraz jednorodności odkształcenia w objętości materiału. Wynika z tego, że prowadzenie procesu MEFASS z najkorzystniejszymi parametrami wymaga dostarczenia największej ilości energii, niezbędnej do odkształcenia materiału. ście walcowania, co wynika z nałożenia się na siebie efektów zmiany drogi odkształcenia z poprzedniego przepustu. Wraz ze wzrostem liczby przepustów walcowania z cyklicznym, poosiowym ruchem walców, następuje intensyfikacja efektu lokalizacji odkształcenia (rys. 5 7). Rysunki te przedstawiają mikrostrukturę walcowanego pasma z maksymalnymi parametrami ruchu poosiowego walców, tj. amplitudą przemieszczenia walców A = 4,0 mm oraz częstotliwością ruchu poosiowego f = 3 Hz. Zmiany strukturalne miedzi po procesie walcowania MEFASS Badania strukturalne pasm po procesie walcowania z cyklicznym, poosiowym ruchem walców były wykonane w Katedrze Nauki o Materiałach Politechniki Śląskiej. Na zgładach metalograficznych, wykonanych na przekrojach poprzecznych walcowanych pasm zaobserwowano efekty lokaliza cji odkształcenia wywołanego przez zmianę drogi odkształcenia w trakcie walcowania. Efekt lokalizacji odkształcenia można zaobserwować już po drugim przepu- R ys. 5. Mikrostruktura miedzi obserwowana na przekroju porzecznym pasma po 3 przepuście walcowaniu z cy kliczną zmianą drogi odkształcenia Fig. 5. Copper microstructure observed on cross section of strip after 3 pass of rolling with cyclic change of the strain path Rys. 6. Mikrostruktura miedzi obserwowana na przekroju porzecznym pasma po 6 przepuście walcowaniu z cykliczną zmianą drogi odkształcenia Fig. 6. Copper microstructure observed on cross section of strip after 6 pass of rolling with cyclic change of the strain path Rys. 7. Mikrostruktura miedzi obserwowana na przekroju porzecznym pasma po 9 przepuście walcowaniu z cykliczną zmianą drogi odkształcenia Fig. 7. Copper microstructure observed on cross section of strip after 9 pass of rolling with cyclic change of the strain path 366

5 Na przekroju poprzecznym pasma, szczególnie w warstwach przypowierzchniowych, zaobserwowano zjawisko niejednorodności odkształcenia. Jednak w kolejnych przepustach jest ono likwidowane przez procesy zdrowienia i rekrystalizacji, wywołane efektem cieplnym wywołanym w trakcie odkształcenia ze zmianą drogi odkształcenia [6]. Wnioski Prowadzone w Katedrze Modelowania Procesów i Inżynierii Medycznej Politechniki Śląskiej badania procesu walcowania MEFASS zmierzają do zaprojektowania procesu kształtowania metali, wykorzystującego zjawisko zmiany drogi odkształcenia, do uzyskania najkorzystniejszej struktury. Zbudowana walcarka laboratoryjna jest oryginalnym rozwiązaniem konstrukcyjnym, chronionym zgłoszeniem patentowym [9]. Złożoność zjawisk, jakie występują w procesach przeróbki plastycznej ze zmianą drogi odkształcenia powoduje, że wdrożenie ich do produkcji przemysłowej wymaga analizy wszystkich aspektów prowadzenia tego typu procesów. W tych rozważaniach powinny zostać uwzględnione m.in. dobór parametrów prowadzenia procesu, zapewniających jednorodność odkształcenia w objętości materiału oraz korzystne efekty strukturalne. Na obecnym etapie badań procesu walcowania MEFASS można sformułować następujące wnioski: 1. Droga odkształcenia w procesie walcowania MEFASS oraz wielkość skumulowanego odkształcania są zależne od następujących parametrów procesu: wielkości gniotu ε h, prędkości walcowania v, częstotliwości ruchu poosiowego f oraz amplitudy przemieszczenia walców A. 2. Najkorzystniejsze efekty procesu walcowania MEFASS można uzyskać w przypadku takiego doboru parametrów procesu, który zapewni maksymalizację liczby cykli zmiany drogi odkształcenia w trakcie przejścia mate- riału przez kotlinę walcowniczą. Jest to możliwe do uzy- skania w przypadku zastosowania możliwie małej prędkości walcowania v i amplitudy wychylenia walców A oraz maksymalnej częstotliwości ruchu poosiowego walców f. 3. Wielkość pracy odkształcenia plastycznego, wykonanej w procesie walcowania z cykliczną zmianą drogi odkształcenia, zależy przede wszystkim od liczby cykli ruchu poosiowego, przypadających na jednostkę objętości materiału, w trakcie jej przejścia przez kotlinę walcowania. Wielkość wykonanej pracy odkształcenia rośnie przy zmniejszaniu prędkości walcowania v oraz zwiększaniu częstotliwości ruchu poosiowego walców f i amplitudy przemieszczenia walców A. 4. Z obserwacji opisanych we wniosku 2 i 3 wynika, że uzyskanie najkorzystniejszych efektów, w zakresie oddziaływania na strukturę i właściwości materiału w procesie walcowania MEFASS, wymaga dostarczenia energii zdecydowanie większej niż w przypadku walcowania konwencjonalnego. 5. Przeprowadzone badania strukturalne potwierdzają korzystny wpływ zmiany drogi odkształcenia na mikro- i substrukturę materiału. Dzięki efektowi kumulacji odkształcenia, uzyskane wielkości ziarna są zdecydowanie mniejsze niż w przypadku walcowania konwencjonal- nego. Jednak znalezienie parametrów odkształcania zapewniających uzyskanie jednorodnego ziarna, w całej objętości walcowanego pasma, wymaga dalszych badań w zakresie wpływu parametrów walcowania na strukturę materiału oraz efektów wywołanych zjawiskami zdrowienia i rekrystalizacji. Literatura 1. Cyganek Z., Grosman F.: Parametry siłowo-energetyczne w procesie walcowania MEFASS, XIV Międzynarodowa Konferencja Forming 2007, Podbanské Vysoké Tatry, września, 2007, s Furukawa M., Horita Z., Nemoto M., Valiev R., Langdon T. G.: Microstructural characteristics of an ultrafine grain metal processed with equal channel angular pressing. Materials Characterization, 1996, t. 37, nr 5, s Bochniak W., Korbel A.: KOBO Type Forming: forging of metals under complex conditions of the process. Journal of Materials Processing Technology, 2003, nr 134, s Cyganek Z., Grosman F., Pawlicki J.: Walcowanie z cykliczną zmianą schematu obciążenia. III Konferencja Naukowa Walcownictwo 2005, Ustroń, , s Cyganek Z., Grosman F.: Wpływ parametrów walcowania z cykliczną zmianą schematu obciążenia na kształt pasm walco- oraz wielkość uzyskanego odkształcenia. XIV Seminawanycrium Naukowe Nowe Technologie i Materiały w Metalurgii i Inżynierii Materiałowej, Katowice, 19 maja, 2006, s Cyganek Z., Grosman F.: Influence of MEFASS rolling parameters on temperature of formed strip. Acta Metallurgica Slovaca, 2007, t. 13, nr 2, s Sus-Ryszkowska M., Grosman F., Pawlicki J., Kuziak R., Drużycka-Wiencek A., Kurzydłowski K. J.: Properties and microstructure of 316LVM steel subjected to severe plastic deformation by Max Strain and transverse rolling, NATO ARW, Nanostructured Materials by High-Pressure Severe Plastic Deformation. Donetsk, Ukraine; Cyganek Z.: Analiza procesu walcowania metodą MEFASS w zakresie odkształceń sprężysto-plastycznych. Sprawozdanie z pracy BW-505/RM-2/2007 [niepublik.]. 9. Zgłoszenie do Urzędu Patentowego RP nr P wyna- lazku pt.: Sposób walcowania, zwłaszcza metali oraz klatka walcownicza do walcowania, zwłaszcza metali. 367