MODELOWANIE PROCESU WYCISKANIA PROFILI ALUMINIOWYCH

Transkrypt

1 Robert Cacko, Piotr Czyżewski, Wojciech Presz, Politechnika Warszawska MODELOWANIE PROCESU WYCISKANIA PROFILI ALUMINIOWYCH Streszczenie W pracy przetestowano zastosowanie oprogramowania SimufactForming do modelowania procesu wyciskania profili aluminiowych bazując na wybranych kształtach profili uzyskiwanych przemysłowo. Wykorzystano możliwość połączenia metod elementów skończonych i skończonej objętości w procesie symulacji. Uzyskano wstępne wyniki dotyczące rozkładów odkształceń i temperatury zarówno w kształtowanym materiale jak i narzędziach. Na podstawie wybranych pomiarów geometrii dokonano porównania uzyskanych wyników z symulacji komputerowych i prób przemysłowych. Uzyskane wyniki stanowią wstępną weryfikację oprogramowania, które będzie służyło do prowadzenia szczegółowych badań realizowanych we współpracy z przemysłem, dotyczących zarówno analiz wad matryc jak i defektów obserwowanych w kształtowanych profilach, a także optymalizacji parametrów procesu kształtowania wybranych profili. 1. Wstęp Na rozwój branży aluminiowej mają coraz większy wpływ innowacyjne produkty mające zastosowanie w różnych branżach gospodarki, m.in. elektrotechnicznej, motoryzacyjnej, transportu kolejowego czy budowlano-konstrukcyjnej. Prym pod tym względem wiedzie od kilku lat branża motoryzacyjna, która m.in. wskutek przyjęcia dyrektywy unijnej o ograniczeniach emisji spalin znacznie zwiększyła zastosowanie komponentów aluminiowych jako elementów nowoczesnych i ekologicznych, bo lżejszych i łatwo poddających się recyklingowi, w samochodach osobowych. Na uwagę zasługuje również przemysł oświetleniowy, który z uwagi na zastosowanie diod LED w coraz szerszym zakresie wykorzystuje lekkie, charakteryzujące się wysoką przenikalnością cieplną profile aluminiowe stanowiące obudowę lamp. Pozytywny wpływ na rozwój branży aluminiowej ma także segment budowlano-konstrukcyjny obejmujący swym zasięgiem np. produkcję oraz montaż paneli solarnych i fotowoltaicznych na nowoczesnych budowlach, które wykorzystują profile aluminiowe jako element konstrukcji paneli. 1.1 Charakterystyka procesu wyciskania profili Proces wyciskania aluminium jest procesem stosunkowo nowym w porównaniu do innych metod stosowanych w przeróbce metali (np. odlewania czy kucia). Ogólna zasada jest prosta: wsad aluminiowy jest wyciskany za pomocą odpowiedniej prasy przez matryce (jedną lub układ matryc) o określonym kształcie. Wyjściowym materiałem jest przeważnie element o jednakowym przekroju poprzecznym. Proces wyciskania z reguły jest procesem przeprowadzanym na gorąco, tzn. wsad aluminiowy jest podgrzewany, aby nadać mu

2 odpowiednią plastyczność. Proces wyciskania jest realizowany na prasach hydraulicznych o nacisku w granicach od 100 do ton. Rys. 1. Schemat wyciskania współ- i przeciwbieżnego. Ilość czynników wpływających na proces technologiczny powoduje utrudnioną kompleksową nad nim kontrolę, a co za tym idzie optymalne projektowanie i modyfikacje procesu. Spośród czynników wpływających znacząco na przebieg procesu można wymienić m.in. temperaturę wsadu i narzędzi, tarcie, prędkość tłoka/stempla i kształt matrycy. Ogólnie można wyróżnić kilka etapów procesu (rysunek 2): Wyciskanie współbieżne Wyciskanie przeciwbieżne Ciśnienie wyciskania A D E B C Przemieszczenie tłoka prasy Rys. 2. Ogólny schemat przebiegu ciśnienia w procesie wyciskania profilu A wsad zostaje umieszczony w kontenerze, B wsad jest ściskany, pojawiają się pierwsze zarodki ziaren, wzrasta koncentracja dyslokacji oraz ziaren głównie w strefie czołowej wlewka (przy matrycy), C strefa maksymalnego ciśnienia (jej wielkość zależna jest od rodzaju stopu), D strefa równowagi; materiał zachowuje strukturę włóknistą; strefa nie znajduje się w równowadze, gdyż temperatura rośnie, a tarcie powoli się zmniejsza, co skutkuje obniżeniem się potrzebnego do wyciskania ciśnienia, E faza końcowa; ciśnienie zaczyna rosnąć ze względu na to, że wsad jest już bardzo krótki co uniemożliwia zachowanie prawidłowego przepływu materiału. Matryca jest szczególnie ważnym elementem składowym procesu, który wpływa znacząco na jakość produktu i efektywność procesu. Nie tylko jakość uzyskanego profilu określa poprawność konstrukcji matrycy, ale również jej trwałość. W zależności od rodzaju profilu zamknięty lub otwarty stosuje się odpowiednio matryce płaskie, które mają formę płyty z naciętymi otworami o kształcie wyciskanego profilu, lub komorowe (rysunek 3). Rys. 3. Przykłady matryc płaskiej (a) i komorowej (b)

3 1.2 Projektowanie procesu wyciskania W praktyce produkcyjnej projektowanie procesu wyciskania oraz matryc o złożonym kształcie odbywa się głównie na podstawie zgromadzonej wiedzy i doświadczenia projektantów. Defekty pojawiające się w profilach mogą mieć różny charakter i są zwykle usuwane na drodze wielokrotnego dostrajania wybranych parametrów procesu. Takie podejście spełnia generalnie swoją rolę w codziennej praktyce produkcyjnej, ale nie jest satysfakcjonujące w przypadku konieczności szybkiego wprowadzania nowych kształtów lub materiałów. Budowa odpowiednich modeli numerycznych jest zatem koniecznością jeśli chodzi o elastyczne projektowanie optymalnej technologii wyciskania profili [1][2]. W literaturze można odnaleźć wiele przykładów zastosowań poszczególnych programów opartych na metodzie elementów skończonych, takich jak DEFORM3D, QForm3D, Abaqus, HyperXtrude, i innych, do modelowania procesów obróbki objętościowej. Symulacje mogą mieć na celu uzyskanie informacji na temat rozkładu prędkości odkształcenia, naprężenia czy temperatury, np. [3-6], jak również określenia złożonego charakteru płynięcia materiału przez składane matryce, np. [7-9]. Metoda skończonej objętości sprawdza się w symulacjach ciągłych i chwilowych modeli trójwymiarowych procesów wyciskania na gorąco, np. [10-11]. Najefektywniejsze z punktu widzenia modelowania zarówno dużych odkształceń materiału kształtowanego jak i obciążeń narzędzi, które doznają relatywnie małych odkształceń okazuje się połączenie metod MES i MSO [12-13]. W poniższej pracy zastosowano połączony algorytm MES MSO, który wykorzystano do numerycznej analizy procesu wyciskania wybranych z praktyki produkcyjnej profili aluminiowych. Praca stanowi początek procedury optymalizacji oprogramowania SimufactForming pod katem przewidywanych badań. Dane wejściowe zostały dobrane na podstawie zaleceń produkcyjnych. 2. Wybór profili do analiz Analiza stosowanych obecnie konstrukcji matryc wskazuje, że w większości przypadków konieczne jest tworzenie pełnych lub prawie pełnych (np. symetria cykliczna) modeli trójwymiarowych (3D) ze względu na brak symetrii osiowej większości procesów. W pewnych przypadkach, zwłaszcza na etapie wstępnego dostrajania parametrów modelu dotyczących np. własności materiałowych i/lub zjawisk kontaktowych (tarcia), przeprowadza się modelowanie uproszczonych modeli 2D (osiowo-symetrycznych lub w płaskim stanie odkształcenia). Poza odpowiednim dopasowaniem elementów skończonych z punktu widzenia geometrii analizowanego przypadku, szczególnie krytycznym fragmentem tworzenia modelu numerycznego procesu jest zawsze opis własności materiałowych. Dotyczy to zarówno materiału kształtowanego jak i materiału stosowanego na narzędzia. Przeprowadzono symulację kształtowania dwóch profili: prostej rury o średnicy 50mm i grubości ścianki 4mm oraz profilu o przekroju złożonym, przedstawionym na rysunku 6. Dane wejściowe do tworzenia modeli numerycznych zostały wybrane z bieżącej produkcji producenta profili. W obydwu przypadkach jako materiał kształtowany został użyty stop aluminium 6060 (ISO AlMgSi), natomiast narzędzia wykonano ze stali WNL. Dane materiałowe do modeli numerycznych zostały wykorzystane z bazy danych oprogramowania SimufactForming z uwzględnieniem korekty niektórych parametrów zgodnie z sugestią producenta profili. W każdym z analizowanych przypadków nagrzany wsad był umieszczany w podgrzanym kontenerze, a przemieszczenie tłoka było sterowane, zgodnie z zaleceniami, prędkością. Przykładowe wyniki końcowe, po długotrwałej procedurze optymalizacji uwzględniającej dopasowanie siatki skończonych objętości na materiale kształtowanym oraz siatki elementów skończonych na narzędziach, zaprezentowano poniżej.

4 Tabela 1. Skład chemiczny stopu 6060 Si Fe Cu Mn Mg Zn Ti Cr Inne Tabela 2. Korekta własności materiału kształtowanego Materiał Granica plastyczności Wytrzymałość na rozciąganie Wydłużenie [%] [MPa] [MPa] Tabela 3. Zalecenia produkcyjne zastosowane w modelowaniu Temp. wsadu Temp. tłoka Temp. kontenera Min. temp. na wyjściu Prędkość wyciskania [m/min] Profil 1 prosta rura Największy problem związany z budową geometrii modelu jest odpowiedni rysunek konstrukcji matrycy. Geometria matrycy została dostarczona przez projektantów w formacie IGS i zaimportowana do oprogramowania za pomocą odpowiednich filtrów. Całość operacji zwykle kończy się ręczą korektą drobnych błędów, które na etapie importu mogą się pojawić. Pozostałe elementy modelowanego procesu (wsad, kontener, tłok) mają na tyle proste kształty, że można je łatwo zamodelować stosując standardowe procedury budowania modeli geometrycznych, dostępne w pre-procesorze. Schemat poglądowy modelu przygotowanego do symulacji pierwszego profilu przedstawiono na rysunku 4. Rys. 4. A: Elementy składowe modelu 1 (1-składana matryca, 2-kontener); B: Przekrój początkowego stadium modelowania (1-tłok, 2-wsad, 3-kontener, 4-matryca); C: Przekrój stadium stabilizacji profilu Przyjęto założenie, że procedura budowania modelu powinna zakończyć się uzyskaniem zbliżonego kształtu profilu oraz uwzględnieniem występowania stref zgrzewania materiału, jako istotnego z punktu widzenia dalszych badań własności profilu. Aby uzyskać płynne przejścia materiału przez matrycę konieczne było wykonanie szeregu prób optymalizacji parametrów regeneracji siatki. Na rysunku 6 przedstawiono na przekroju wyniki wybranych etapów procesu wyciskania w dopracowanym modelu. Na obecnym etapie, różnice pomiędzy wynikami uzyskanych średnic zewnętrznych w symulacji i z produkcji wahały się w granicach 3-5%.

5 Rys. 5. A: Etapy modelowania wyciskania na przekroju modelu po optymalizacji; B: Sekwencja tworzenia się zgrzein 2.1 Profil 2 profil złożony Procedura budowania modelu była identyczna jak w pierwszym przypadku. Pozostałe elementy modelowanego procesu (wsad, kontener, tłok) mają na tyle proste kształty, że można je łatwo zamodelować stosując standardowe procedury budowania modeli geometrycznych, dostępne w pre-procesorze. Schemat poglądowy modelu przygotowanego do symulacji pierwszego profilu przedstawiono na rysunku 5. Rys. 6. A: Elementy składowe modelu 2 (1-składana matryca, 2-kontener); B: Przekrój profilu; C: Początkowe stadium wyciskania profilu proces zoptymalizowany; Rys. 7. Uzyskane przykładowe dane do badań nad trwałością narzędzi: A,C-rozkład temperatury, B-ciśnienie na powierzchniach roboczych analizowanych matryc 3. Podsumowanie W artykule zaprezentowano wyniki modelowania numerycznego procesu wyciskania dwóch profili aluminiowych z wykorzystaniem oprogramowania SimufactForming. Praca stanowi początek zadań związanych z budowaniem złożonych modeli numerycznych procesu

6 w celu analizy wybranych jego parametrów i ich wpływu na właściwości użytkowe uzyskiwanych profili oraz trwałości narzędzi. W przeprowadzonych symulacjach udało się zamodelować złożony charakter płynięcia materiału przez matrycę, proces powstawania stref zgrzewania materiału oraz porównać wymiary zewnętrzne uzyskanych wyprasek. W dalszej perspektywie przewidziane jest zastosowanie kryterium zużycia w celu szacowania trwałości matryc, modyfikacji ich kształtu pod kątem optymalnego płynięcia materiału oraz uwzględnienia mikrostruktury w modelu materiału. Literatura [1] YAN Hong, BAO Zhong-xu, LIU He-sheng, Study progress on aluminium profile extrusion die CAD/CAE/ CAM, Light Alloy Fabrication Technology, 1999, 27(10), pp. 1 4 [2] Pietzka D., Ben Khalifa N., Donati L., Tomesani L., Tekkaya A.E., Extrusion benchmark 2009 experimental analysis of deflection in extrusion dies, Advances on Hot Extrusion and Simualtion of Light Alloys, Ed. A.E. Tekkaya, Trans Tech Publ. Ltd., 2010, [3] LI G, JINN J T, WU W T., Recent development and applications of three-dimensional finite element modeling in bulk forming process, Journal of Materials Processing Technology, 2001, 113: [4] Zhou J., Li L., Mo J., Zhou J., Duszczyk J., Prediction of the Extrusion Load and Exit Temperature Using Artificial Neural Networks Based on FEM simulation, Extrusion Workshop: Latest advances on Extrusion Technology and simulation, 2009, Sept , pp [5] Zasadziński J., Rękas A., Libura W., Richert J., Leśniak D., Numerical analysis of aluminum alloys extrusion through parthole dies, Extrusion Workshop: Latest advances on Extrusion Technology and simulation, 2009, Sept , pp [6] Biba N., Stebunov S., Lishny A., Vlasov A., A new approach to 3D finite-element simulation of material flow and its application to bult metal forming, Proceedings of the 7 th International Conference on Technology of Plasticity, Yokohama, Japan, 27 October 1 November [7] CHEN F K, CHUANG W C, SHAN T., Finite element analysis of mutli-hole extrusion of aluminum-alloy tubes, Journal of Materials Processing Technology, 2008, 201, pp [8] FANG G, ZHOU J, DUSZCZYK J., FEM simulation of aluminum extrusion through two-hole multi-step pocket dies, Journal of Materials Processing Technology, 2009, 209, pp [9] PENG Z, SHEPPARD T., Effect of die pockets on multi-hole die extrusion, Materials Science and Engineering A, 2005, 407, pp [10] LOU S M, ZHAO G Q, WANG R, WU X H., Modeling of aluminum alloy profile extrusion process using finite volume method, Journal of Materials Processing Technology, 2008, 206, pp [11] Lou S., Zhao G., Wang R., Aluminum alloy profile extrusion simulation using finite volume method on nonorthogonal structured grids, Engineering Computations, 2010, Vol. 29 Issue: 1, pp [12] WILLIAMS A J, CROFT T N, CROSS M., Computational modeling of metal extrusion and forging process, Journal of Materials Processing Technology, 2002, , pp [13] GANVIR V, LELE A, THAOKAR R, GAUTHAM B P., Prediction of extrudate swell in polymer melt extrusion using an arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE) based finite element method, Journal of non- Newtonian Fluid Mechanics, 2009, 156, pp [14] Libura W., Płynięcie metalu w procesie wyciskania, AGH, Kraków, 2008 [15] Simufact.Forming 11.0 Manual NUMERICAL MODELING OF THE ALUMINUM PROFILE EXTRUSION In this paper initial optimisation of the SimufactForming software for the aluminium profile extrusion is presented. For the validation procedure industrial examples are analyzed. Two different profiles taken from the production line are examined. The ALE algorithm, combining finite element and finite volume procedure is applied for the numerical analysis. The results of simulations are to be compared with outer geometry measurements.