OCENA WPŁYWU PARAMETRÓW PROCESU KUCIA STALOWEJ PIASTY NA ZUŻYCIE TRZPIENIA FORMUJĄCEGO

Transkrypt

1 PROBLEMY EKSPLOATACJI 45 Piotr SKUBISZ, Janusz KRAWCZYK, Jan SIŃCZAK Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej OCENA WPŁYWU PARAMETRÓW PROCESU KUCIA STALOWEJ PIASTY NA ZUŻYCIE TRZPIENIA FORMUJĄCEGO Słowa kluczowe Mechanizmy zużycia, tribologia, modelowanie numeryczne, kucie na półgorąco, stal narzędziowa. Streszczenie Praca dotyczy analizy procesu kucia dokładnego odkuwki piasty pod kątem możliwości zwiększenia żywotności narzędzi. Badania obejmują proces stosowany w praktyce przemysłowej oraz wpływ zaobserwowanych warunków na stan narzędzi kuźniczych, z uwzględnieniem badań metalograficznych. Ocenie poddano powierzchnię stempla ze stali X38CrMoV5-3, z operacji kształtowania na wymiar. Określono lokalizację intensywnego zużycia oraz pęknięć, jak i ich morfologię. Podjęto próbę skorelowania warunków powstawania poszczególnych rodzajów pęknięć z określonymi numerycznie parametrami oddziaływań na powierzchnię stempla podczas kucia. Opis wpływu warunków termomechanicznych pracy narzędzia oparto o analizę rozkładu i wartości lokalnych wybranych wskaźników stanu naprężeń oraz pól temperatury, uzyskanych z modelowania numerycznego procesu kucia. Wskaźniki te posłużyły do określenia wytycznych zmiany technologii kucia w aspekcie minimalizacji zużycia.

2 46 PROBLEMY EKSPLOATACJI Wprowadzenie Zużycie ścierne, obciążenia mechaniczne oraz cieplne, jak również inne zjawiska i mechanizmy prowadzące do przedwczesnego zużycia mają istotny wpływ na jakość odkuwek oraz ekonomiczność procesów kucia matrycowego. Dlatego coraz większą wagę przywiązuje się do uwzględniania zjawisk tribologicznych oraz związanej z nimi trwałości narzędzi w projektowaniu kucia matrycowego. Obok tradycyjnych sposobów poprawy trwałości narzędzi, takich jak: stosowanie kosztownych materiałów na narzędzia i ich obróbki cieplnej, powłok, obróbki powierzchniowej oraz doboru odpowiedniego smaru, szerokie możliwości poprawy żywotności narzędzi zapewnia optymalizacja schematu płynięcia metalu. Szczególne znaczenie ma to w procesach kucia dokładnego na wymiar, gdzie oprócz efektów ekonomicznych, zużycie narzędzi wpływa na dokładność kucia, decydując o spełnieniu tolerancji wymiarowych. Przykładem takiego procesu jest kucie dokładne piasty do półosi samochodów osobowych, w którym w związku z wysokimi dokładnościami oraz dużymi seriami odkuwek zwiększenie trwałości narzędzi ma szczególne znaczenie. Jednym z krytycznych obszarów narzędzi kształtujących, w którym ogniskują się współdziałające mechanizmy zużycia jest stempel kształtujący, odpowiedzialny na kalibrowanie piasty na wymiar. Odpowiada on za zapewnienie wysokiej dokładności odkuwek (tolerancje 0,05 0,1 mm), uzyskiwanych bezpośrednio po kuciu na półgorąco [1]. Z uwagi na wysokie naprężenia, związane z obniżonymi temperaturami kucia, narzędzia kształtujące w szczególny sposób narażone są na intensywne zużycie, co skutkuje utratą założonych poziomów dokładności oraz spadkiem wydajności wielkoseryjnych cykli kucia. Analiza mechanizmów zużycia zachodzących w stemplu podczas kucia przy znajomości parametrów stanu naprężeń i odkształceń w narzędziu oraz materiale poddanym odkształceniu pozwala określić możliwości oraz wytyczne ich minimalizacji poprzez zmianę technologii kucia [2]. 1. Materiał do badań Materiał do badań pobrano ze zużytego stempla z lokalizacji przedstawionych na rys. 1a. Badania metalograficzne wykonano na mikroskopie świetlnym Axivert 200 MAT. Próbki trawiono 2% nitalem. Skład chemiczny stali, z której został wykonany element 1 wskazuje na stal X37CrMoV5-1 (tab. 1). Mikrostrukturę materiału rodzimego stempla przedstawiono na rys. 1b. Jak wskazują wyniki badań metalograficznych, mikrostruktura elementu była jednorodna, niewykazująca pasmowości. W mikrostrukturze widoczne są wyraźne wydzielenia węglików drugorzędowych stopowych usytuowanych w większości wzdłuż granic ziarn byłego austenitu.

3 PROBLEMY EKSPLOATACJI 47 a) b) Rys. 1. Badany stempel formujący: a) lokalizacja próbek pobranych do badań z zaznaczeniem lokalizacji płaszczyzny zgładu, b) mikrostruktura wyjściowa materiału stempla Tabela 1. Skład chemiczny stali, z której wykonano stempel (% masowe) C Si Mn P S Cr Mo V PN - EN ISO 4957:200 2U Badany wytop 0,33 0,41 0,80 1,20 0,25 0,50 Max 0,03 Max 0,03 4,80 5,50 1,10 1,50 0,30 0,50 0,38 0,35 0,30 0,014 0,030 4,6 2,90 0,54 2. Wyniki badań metalograficznych Badania metalograficzne stempla kształtującego dotyczyły obserwacji jego zużycia tribologicznego. Prowadzono je tak, aby można było obserwować warstwę przypowierzchniową w miejscach i orientacjach prezentujących możliwie szeroki zakres oddziaływania na mikrostrukturę materiału stempla (rys. 1a). W próbce nr 1 zaobserwowano jedynie nieliczne pęknięcia w warstwie przypowierzchniowej (rys. 2a). Pęknięcia zarodkują i rozprzestrzeniają się mechanizmem zmęczeniowo-cieplnym transkrystalicznie lub mechanizmem naprężeniowo-korozyjnym po granicach ziarn. Można stwierdzić, że pęknięcia na większej głębokości rozwijają się głównie transrystalicznie (tylko na niewielkich odcinkach po granicach ziarn), co świadczy o tym, iż granice ziarn w przypadku tego materiału nie są obszarami, które przy warunkach tribologicznych występujących w tym przypadku, ułatwiałyby rozwój pęknięcia. Przesunięcie obserwacji zużycia w kierunku górnej części stempla formującego (próbka 2) wskazuje na istotny wpływ oddziaływania tribologicznego oraz zmęczenia cieplnego na tworzenia się pęknięć (rys. 2b). Jak widać, zarodkowanie pęknięć i ich początkowy rozwój ma wyraźnie charakter transkrystaliczny, przy czym na drogę ich rozwoju mają wpływ odkształcenie plastyczne warstwy wierzchniej oraz wtrącenia niemetaliczne. Dalszy rozwój pęknięć wy-

4 48 PROBLEMY EKSPLOATACJI daje się być jednak uzależniony od granic ziarn, zwłaszcza w przypadku pęknięć wtórnych. Analiza górnej części trzpienia (próbka 3), a więc części najbardziej narażonej na oddziaływanie tribologiczne oraz zmęczeniowo-cieplne wskazuje na dalszą intensyfikację tworzenia się pęknięć w materiale. Pęknięcia w tym przypadku koncentrują się głównie w miejscach karbów konstrukcyjnych lub zmian przekroju (rys. 2c).W miejscu karbu tworzą się głębokie pęknięcia biegnące prostopadle do powierzchni roboczej, a równolegle do osi trzpienia. Jednakże, obok takich pęknięć występują również pęknięcia, które rozwijają się pod niewielkim kątem do powierzchni lub na niektórych odcinkach nawet równolegle do powierzchni. Wskazuje to na ich rozwój wzdłuż występowania największych naprężeń stycznych Herza (tzw. punkt Bielejewa). Występowanie obu wyżej wspomnianych mechanizmów rozwoju pęknięć stwarza niebezpieczeństwo takiego ich układu (połączenia), który może skutkować wykruszeniem się z powierzchni dużych fragmentów materiału (rys. 2d). Zmiana płaszczyzny obserwacji warstwy przypowierzchniowej dokonana w ten sposób, aby przekrój przez powierzchnię zużytą tribologicznie pozwalał na obserwację warstwy przypowierzchniowej wzdłuż kierunku płynięcia materiału kutego (próbka nr 4) pozwoliła zauważyć, że zarodkowanie pęknięć następuje w wyniku mikrozakuwania materiału narzędzia w zasięgu cienkiej warstwy przypowierzchniowej, powiązanego z odwęgleniem tej warstwy oraz z mechanizmem utleniania wzdłuż wydzieleń węglików stopowych, gdzie stężenie chromu w osnowie jest obniżone. W strefie odkształceń plastycznych pęknięcia biegną głównie wzdłuż pasm płynięcia (rys. 2e). Podobny mechanizm zarodkowania i rozwoju pęknięć jak w przypadku próbki nr 4 zaobserwowano również w próbce nr 5. Na rys. 2f przedstawiono sposób zarodkowania pęknięć w odkształconej plastycznie warstwie przypowierzchniowej. 3. Modelowanie numeryczne rozkładu temperatury i naprężeń W celu skorelowania zaobserwowanych zjawisk tribologicznych z warunkami termomechanicznymi pracy stempla przeprowadzono modelowanie numeryczne procesu kucia piasty. Modelowanie uwzględniało wszystkie etapy kucia z zachowaniem historii odkształcenia, zmian temperatury, włącznie z chłodzeniem podczas przenoszenia odkuwki. Obliczenia numeryczne wykonano programem komercyjnym QForm3D w przestrzennym stanie odkształcenia przy założeniu lepkoplastycznego modelu odkształcanego ciała oraz idealnie sprężystego ciała dla narzędzi kształtujących oraz model tarcia Levanova [3]. Warunki brzegowe odzwierciedlały przemysłowe warunki pracy stempla podczas kucia piasty.

5 PROBLEMY EKSPLOATACJI 49 a) b) c) d) e) f) Rys. 2. Obraz pęknięć powierzchniowych: a), b) próbki nr 1, c), d) próbki nr 2, e), f) próbki nr 3, g) próbki nr 4, h) próbki nr 5 W oparciu o metalograficzne wyniki badań zachowania materiału stempla podczas jego eksploatacji postanowiono zwrócić uwagę na powierzchniowy rozkład temperatury, naprężeń na powierzchni kontaktowej metal narzędzie na ostatnim etapie kucia, czyli etapie najwyższych obciążeń narzędzi. Parametry te posłużyły jako wskaźniki ilustrujące lokalizację zarodkowania pęknięć oraz intensywność procesów tribologicznych. Z obliczonych wartości naprężeń wynika, iż obszarem poddanym najwyższym naprężeniom ściskającym jest powierzchnia czołowa stempla. Ujemne naprężenia średnie osiągają tam wartość 1220 MPa (rys. 3b). Te wartości na-

6 50 PROBLEMY EKSPLOATACJI prężeń w połączeniu z zaobserwowaną temperaturą odkuwki, która w tym miejscu sięga 1040 C wyjaśnia powstawanie siatki pęknięć w tym obszarze. Co więcej, należy zwrócić uwagę, że wartość naprężeń (rys. 3c) przekracza wartość naprężenia uplastyczniającego w tej temperaturze, co tłumaczy zaobserwowane pasma płynięcia na pobocznicy stempla. a) b) c) Rys. 3. Wyniki analizy numerycznej końcowego stadium kucia wg obecnie stosowanej technologii: a) wektory przemieszczenia materiału w obszarze piasty, b) pola naprężeń średnich w stemplu, c) rozkład naprężeń normalnych na powierzchni a) b) c) Rys. 4. Wyniki analizy numerycznej końcowego stadium proponowanej technologii kucia: a) wektory przemieszczenia materiału w obszarze piasty, b) pola naprężeń średnich w stemplu, c) rozkład intensywność naprężenia w stemplu

7 PROBLEMY EKSPLOATACJI 51 Na podstawie analizy wektorów przemieszczenia materiału w wykroju podczas kucia (rys. 3a) stwierdzono, że przyczyną zaobserwowanego stanu naprężeń jest nierównomierność etapów wypełnienia w dolnej i górnej części odkuwki piasty, powodująca jednostronne płynięcie metalu w obszarze piasty. W oparciu o analizę kinetyki płynięcia metalu zaprojektowano kształt przedkuwki, zapewniający zrównanie stadiów wypełniania wykroju w dolnej i górnej jego części (rys. 4a). Wynikiem zastosowania ww. zmiany kształtu przedkuwki jest uzyskanie redukcji wartości naprężeń średnich o ok. 30% (rys. 4b) oraz naprężeń na powierzchni o 30% (rys. 4c). Powinno to pozwolić uzyskać znaczące zwiększenie trwałości stempla. Należy zaznaczyć, że efekty redukcji naprężeń nie są proporcjonalne do wartości przyjętych wskaźników. Wnioski Badania metalograficzne w połączeniu z symulacją komputerową kucia pozwoliły na identyfikację i wyjaśnienie mechanizmów zjawisk tribologicznych na powierzchni stempla. Obniżenie wartości naprężeń podczas kucia na półgorąco stwarza szansę na istotną poprawę trwałości narzędzi. Obniżenie intensywności naprężeń poniżej naprężenia płynięcia, mimo iż nie zaobserwowano zmian temperatury, może zapobiec odkształceniu plastycznemu materiału narzędzia. Z kolei powstanie podziału kierunku płynięcia ze strefą neutralną w obszarze karbów konstrukcyjnych minimalizuje jeden z warunków koniecznych do zużycia ściernego, jakim jest intensywne przemieszczanie materiału pod naciskiem. Dlatego można oczekiwać, iż trwałość stempla może ulec nawet ponaddwukrotnemu zwiększeniu. Podziękowania Autorzy kierują podziękowania dla Marcina Jakubowskiego oraz Witolda Potońca za pomoc w badaniach. Badania realizowane w ramach Projektu Opracowanie nowych zaawansowanych technologii kucia materiałów wysokotopliwych Nr WND- POIG /09 w Programie Operacyjnym Innowacyjna Gospodarka (POIG). Projekt współfinansowany przez Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego. Bibliografia 1. Lee R.S., Jou J.L.: Application of numerical simulation for wear analysis of warm forging die. Journal of Materials Processing Technology 140 (2003)

8 52 PROBLEMY EKSPLOATACJI Świć J.: Modelowanie procesu kucia wybranej odkuwki pod kątem parametrów termomechanicznych narzędzi. Rudy i Metale, 2004, R49, nr 5, s Sińczak J., Łukaszek-Sołek A., Bednarek S., Skubisz P.: Metodyka projektowania procesów kucia przy wsparciu metody elementów skończonych. Wydawnictwo Naukowe Akapit, Kraków Recenzent: Józef GAWLIK Study of the influence of the forging process conditions on the wear of forming tool Key words Wear mechanisms, tribology, numerical modeling, warm forging, tool steel. Summary The paper presents some aspects of warm forging process concerning possibility of tool life enhancement. The analysis involves the effect of applied process variables on the forming tool surface condition in the industrial process, including metallographic examination of surface layers of the punch made of X38CrMoV5-3 tool steel. Areas of the most intense wear as well as location and morphology of ruptures were indicated. Attempt was made at correlation of the observed tribological phenomena occurring in the surface with numerically calculated thermal and mechanical parameters of the warm forging operation. Calculated fields of mean stress, effective stress and contact pressure, as well as, changes in metal displacement velocity and temperature were used to form guidelines for technology modification to reduce the stresses level and tool wear indicators.