Numeryczna analiza wpływu rodzaju śrutu na właściwości technologicznej warstwy wierzchniej poddanej procesowi kulowania

Transkrypt

1 PAULINA BYCZKOWSKA, JACEK SAWICKI, MARIUSZ STEGLIŃSKI Numeryczna analiza wpływu rodzaju śrutu na właściwości technologicznej warstwy wierzchniej poddanej procesowi kulowania WPROWADZENIE Dynamiczny wzrost zainteresowania lekkimi materiałami funkcjonalnymi sprawia, że poszukiwane są coraz to tańsze metody optymalizacji procesów ich obrabiania. Materiałami klasyfikowanymi do tej grupy są niektóre stopy aluminium, m.in. AL7075 czy AL2024. Ich korzystny iloraz właściwości do masy sprawia, że są nadal materiałem badań [1 5]. Wadą stopów aluminium jest jednak brak odporności na zużycie tribologiczne, jak i zmęczenie stykowe, dlatego stopy te są poddawane obróbce plastycznej. Procesem wpływającym na właściwości stopów aluminium jest między innymi kulowanie (shot peening) [6]. Kulowanie jest jedną z metod nagniatania dynamicznego stosowaną do umacniania części maszyn, w celu zwiększania wytrzymałości [7]. Kulowanie jest realizowane przez wywieranie zmiennego nacisku na powierzchnię obrabianego, metalowego elementu przez twardszy element (kulki, śrut) [8]. Efektem stosowania tego rodzaju obróbki jest powstanie odkształceń plastycznych i wytworzenie ściskających naprężeń własnych w warstwie wierzchniej obrabianego elementu [9]. Podczas procesu kulowania można dobierać takie parametry, jak: rodzaj i granulację śrutu, intensywność śrutowania, pokrycie powierzchni [10]. Od tych parametrów zależy rozkład wartości naprężeń oraz ich zasięg w obrabianym materiale. Uzyskanie oczekiwanych właściwości wytrzymałościowych stopów wiąże się z przeprowadzeniem wielu prób, w celu znalezienia najkorzystniejszych parametrów obróbki. Jedną z możliwości analizy rozkładu oraz wartości naprężeń wywołanych odkształceniem są metody numeryczne. Parametrem wpływającym na stan naprężeń w technologicznej warstwie wierzchniej, według pracy [11], jest średnica śrutu. Zastosowanie śrutu odlewanego o średnicy 0,92 mm powoduje większy wzrost granicy zmęczenia badanych tytanowych próbek niż po nagniataniu śrutem o średnicy 0,39 mm. Podobną zależność uzyskali autorzy pracy [12], w której dla śrutu o większej średnicy stwierdzili zwiększenie naprężeń oraz poprawienie innych właściwości wytrzymałościowych i zmęczeniowych aluminiowego elementu. Kolejnym ważnym parametrem znacząco wpływającym na zmianę właściwości obrabianego elementu jest pokrycie obrabianej powierzchni śrutem. Analizą tego problemu zajął się w swojej monografii Nakonienczny [10]. Rozpatrzył on dwa typy pokrycia obrabianej stalowej powierzchni. Pierwszy z nich dotyczył wielokrotnego uderzenia śrutu w to samo miejsce, natomiast drugi odnosił się do wykonywania kolejnych uderzeń w sąsiedztwie poprzednich. Maksymalne naprężenia ściskające występowały na głębokości punktu Bielajewa. Zauważono również, że po 13 uderzeniach w to samo miejsce następuje zwiększenie naprężeń własnych oraz ich stabilizacja wraz z poziomem odkształceń. Z kolei w drugim typie pokrycia powierzchni uderzenia powodują wyrównanie stanu naprężeń w obrąbie poszczególnych warstw. Mgr inż. Paulina Byczkowska (paulina.byczkowska@dokt.p.lodz.pl), dr hab. inż. Jacek Sawicki, dr inż. Mariusz Stegliński Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Łódzka Ten sam parametr rozpatrywał również Patyk i Kułakowska [13] oraz Szyc [14, 15]. Badali oni wpływ sposobu pokrycia powierzchni (odległości uderzeń kulek od siebie) na uzyskany stan naprężeń oraz odkształceń trwałych w obrabianym elemencie stalowym. Na podstawie przeprowadzonych badań można zauważyć zależność proporcjonalnego wzrostu naprężeń ściskających do liczby uderzeń. Rozważaniem nad relacjami zachodzącymi pomiędzy naprężeniami ściskającymi, wielokrotnością uderzeń śrutu, a rozkładem naprężeń zajął się zespół Jianming [16]. Jianming i wsp. dostrzegli, że dopiero po wielokrotnych uderzeniach (po 10) w stalową próbkę następuje zwiększenie naprężeń własnych oraz osiąga osiągają one stałą wartość, a wyniki pokrywają się z danymi eksperymentalnymi. Symulacji procesu (SP) podjął się również zespół z Uniwersytetu w Toronto. W swojej publikacji Meguid i wsp. [17] potwierdzają słuszność wykorzystania symulacji. Otrzymali oni wyniki podobne między innymi do Jianming i wsp. [16]. Wielokrotne uderzenia śrutu w obrabianą powierzchnię ze stali skutkują bardziej jednorodnymi naprężeniami w porównaniu z pojedynczymi czy dwukrotnymi uderzeniami śrutu. Znaczny wpływ ma również gęstsze pokrycie powierzchni obrabianej. Podobnie jak inni autorzy zauważają oni zależność, że zmniejszenie odległości między punktami uderzeń śrutu prowadzi do jednorodnych naprężeń oraz wzrostu odkształceń plastycznych w obrabianym materiale. W prezentowanej pracy analizowano numerycznie proces kulowania próbek aluminiowych za pomocą śrutu o różnej wielkości, wykonanego z różnych materiałów. Dobór właściwych parametrów śrutu wymagałaby dużej liczby prób badawczych. Wprowadzenie symulacji komputerowej do procesu obróbki plastycznej przyczynia się do ograniczenia zbędnej liczby eksperymentów. W efekcie pozwala to na zmniejszenie kosztów produkcji wraz z poprawą właściwości wytrzymałościowych elementów. Do przeprowadzenia modelowania komputerowego szybkozmiennych i dynamicznych zjawisk wykorzystano program ANSYS LS-Dyna. Metody numeryczne w porównaniu z technikami analitycznymi stanowią najszybszy i najtańszy sposób doboru parametrów procesu w odpowiednio szerokim zakresie. Celem przeprowadzonych badań było uzyskanie za pomocą symulacji, najkorzytniejszych parametrów obróbki pozwalającej na otrzymanie ze stopu aluminium elementów o zwiększonych właściwościach wytrzymałościowych przez wprowadzone zmiany w ich warstwie wierzchniej. W konsekwencji pozwoli to na znaczne obniżenie kosztów produkcji. DEFINICJA MODELU NUMERYCZNEGO Na podstawie analizy dostępnych ścierniw z najczęściej wykorzystywanych wybrano cztery granulacje, dla których przeprowadzono analizę numeryczną (tab. 1). Model numeryczny przygotowano dla procesu umacniania powierzchniowego na drodze odkształcenia plastycznego kulowania. W modelu numerycznym dokonywano zmiany średnicy kulki d w przedziale 0,425 2,0 mm. Nr 6/2014 I N Ż YNIERIA MATERIAŁ O W A 459

2 Do każdej kulki przyłożono pewną siłę (szczegółowo opisana w dalszej części). Obciążenie przyłożono do specjalnie opracowanego segmentu (rys. 1). Jako pre- i post- procesor wykorzystane zostało oprogramowanie LS-PrePost 4.1, natomiast obliczenia wykonano w oparciu o solver ANSYS LS-Dyna. Analiza wyników została prowadzona pod kątem rozkładu naprężeń powstałych na skutek uderzenia kulki o powierzchnię oraz określenia wielkości i głębokości maksymalnych naprężeń ściskających w zależności od parametrów procesu. Rozkład naprężeń rozpatrzono również w zależności od pokrycia powierzchni śrutem. Schemat zastosowanych sposobów pokrycia powierzchni przedstawiono na rysunku 2. Wartość ciśnienia oddziaływująca na śrut została przedstawiona w tabeli 3. Wartości te stanowiły początkowy warunek brzegowy, odpowiadający ciśnieniu wylotowemu dyszy wynoszącym 0,8 MPa. Tabela 1. Najczęściej wykorzystywane stalowe ścierniwa kuliste [18] Table 1. Commonly used spherical steel abrasives [18] Granulacja S 170 S 230 S 280 S 330 S 390 S 460 S 550 S 660 S 780 Średnia wielkość śrutu 0,425 mm 0,600 mm 0,710 mm 0,850 mm 1,000 mm 1,180 mm 1,400 mm 1,700 mm 2,000 mm Tabela 3. Wartość ciśnienia oddziaływująca na śrut Table 3. The pressure acting on the shot Granulacja śrutu Powierzchnia segmentu, mm 2 Ciśnienie, MPa S170 0, ,5 S330 1, ,6 S550 3, ,2 S780 6,5434 1,5 ANALIZA NUMERYCZNA STANU NAPRĘŻEŃ I ODKSZTAŁCEŃ Na rysunkach 3 i 4 przedstawiono uzyskane wyniki analiz numerycznych procesu kulowania przeprowadzonego śrutem S330 dla trzech sposobów pokrycia powierzchni stopu Al7075. Uderzenie śrutu o powierzchnię stopu powoduje trwałe odkształcenie plastyczne powierzchni materiału (rys. 4). Z przedstawionych w tabeli 4 wyników odkształcenia całkowitego dla śrutu S330 można wnioskować, że wraz ze wzrostem gęstości pokrycia śrutem obrabianej powierzchni następuje zwiększenie odkształcenia materiału obrabianego. Podobne zależności uzyskano dla pozostałych średnic śrutu. Dodatkowo wraz ze zwiększeniem średnicy śrutu następował wzrost odkształcenia. F a) Rys. 1. Model geometryczny i dyskretny analizowanego procesu Fig. 1. Geometric and the discrete model of the analysed process b) Tabela 2. Właściwości fizyczne Table 2. Physical properties Materiał elementu Moduł Younga E Współczynnik Poissona Gęstość Al ,7 GPa 0, kg/m 3 Stal 205 GPa 0, kg/m 3 typ A typ B typ C Rys. 2. Sposoby pokrycia powierzchni śrutem Fig. 2. Types of shot surface coverage c) Rys. 3. Naprężenia zredukowane Von Misesa dla pokrycia powierzchni: a) typu A, b) typu B, c) typu C; śrut S330 Fig. 3. Von Mises reduced stress of cover the surface: a) type A, b) type B, c) type C; the S330 shot 460 INŻ YNIERIA MATERIAŁ O W A ROK XXXV

3 Tabela 4. Głębokość strefy odkształcenia plastycznego dla śrutu S330 Table 4. The depth of the plastic deformation zone for the S330 shot Sposób pokrycia Odkształcenie plastyczne, mm A 0, B 0, C 0, Na rysunkach 5 7 przedstawiono wyniki oceny naprężeń oraz położenie punktu Bielajewa dla analizowanych wielkości śrutów. Z zależności naprężeń w funkcji średnicy śrutu (rys. 5) oraz zmiennego pokrycia obrabianej powierzchni (rys. 6 7) wynika, że wraz ze zwiększeniem średnicy śrutu można zaobserwować zmniejszenie wartości naprężeń ściskających. Największe naprężenia ściskające można uzyskać przez zastosowanie pokrycia powierzchni typu C (rys. 7). Zastosowanie tego typu pokrycia powoduje również przesunięcie punktu Bielajewa w kierunku powierzchni obrabianego elementu od 5 do 35 µm (rys. 5 7), w porównaniu z pozostałymi dwoma analizowanymi typami pokrycia Z analizowanych śrutów największą wartość naprężeń ściskających uzyskano dla śrutu S170. Wartość tych naprężeń zwiększała się wraz ze zmianą typu pokrycia do około 700 MPa. Przedstawione na rysunkach 5 7 naprężenia rozciągające występują wokół miejsc, w których nastąpił kontakt kulki z podłożem. Zastosowanie pokrycia typu C w każdym z analizowanych przypadków śrutu powodowało zwiększenie naprężeń rozciągających, co jest wynikiem kumulacji naprężeń wywołanych trwałym odkształceniem. PODSUMOWANIE Rys. 4. Odkształcenie plastyczne dla pokrycia powierzchni: a) typu A, b) typu B, c) typu C; śrut S330 Fig. 4. Plastic deformation of the surface cover: a) type A, b) type B, c) type C; the S330 shot Opracowanie metodyki budowy i rozwiązywania modeli procesu kulowania jest kluczowym zagadnieniem pozwalającym panować nad procesami technologicznymi. Wykorzystując symulacje komputerowe, można śledzić przebieg zjawisk fizycznych zachodzących podczas kontaktu kulka-próbka oraz ich wpływu na właściwości mechaniczne obrabianego materiału. Analiza tych zjawisk umożliwia ustalenie najkorzystniejszych parametrów procesu oraz obniżenie kosztów. Rys. 5. Wyniki symulacji komputerowej procesu kulowania; pokrycie powierzchni typu A Fig. 5. Shot peening computer simulation results; cover the surface of type A Nr 6/2014 I N Ż YNIERIA MATERIAŁ O W A 461

4 Rys. 6. Wyniki symulacji komputerowej procesu kulowania. Pokrycie powierzchni typu B Fig. 6. Shot peening computer simulation results. Cover the surface of type B Rys. 7. Wyniki symulacji komputerowej procesu kulowania. Pokrycie powierzchni typu C Fig. 7. Shot peening computer simulation results. Cover the surface of type C W dalszych badaniach będzie przeprowadzona optymalizacja superpozycji obróbki plastycznej SPD (severe plastic deformation) z wykorzystaniem metod numerycznych. Superpozycji zostaną poddane dwa procesy: kulowania oraz HPT (high pressure torsion). WNIOSKI wpływ na wartość i rozkład naprężeń w TWW ma wielkość śrutu; zmiana wielkości śrutu z S170 na S780 powoduje zmniejszenie naprężeń Von Misesa średnio o około 20%, zastosowanie w rozpatrywanych przypadkach gęstszego pokrycia powierzchni śrutem prowadzi do przesunięcia punktu Bielajwa w kierunku powierzchni o 14,3 27% w zależności od wielkości śrutu. Przeprowadzona symulacja numeryczna procesu kulowania wykazuje, technologicznej warstwie wierzchniej (TWW) są zależne od założonych parametrów wyjściowych, tj.: wraz ze zwiększeniem stopnia pokrycia (od typu A do typu C) następuje wzrost odkształceń i naprężeń, pokrycie powierzchni typu C powoduje zwiększenie odkształceń dla śrutu S330 o około 28% w porównaniu z pokryciem powierzchni typu A, PODZIĘKOWANIE Praca została sfinansowana ze środków Narodowego Centrum Nauki przyznanych na podstawie decyzji numer DEC-2012/07/N/ST8/ INŻ YNIERIA MATERIAŁ O W A ROK XXXV

5 LITERATURA [1] Kaczmarek Ł., Stegliński M., Sawicki J., Świniarski J., Batory D., Kyzioł Ł., Kołodziejczyk Ł., Szymański W., Zawadzki P., Kottfer D.: Optimization of the heat treatment and tribological properties of 2024 and 7075 aluminium alloys. Archives of Metallurgy and Materials 58 (2013) [2] Kaczmarek Ł., Kyzioł K., Sawicki J., Stegliński M., Radziszewska H., Szymański W., Kołodziejczyk Ł., Atraszkiewicz R., Kottfer D., Zawadzki P.: The influence of chemical groups on the mechanical properties of SiCNH coatings deposited on 7075 aluminum alloy. Thin Solid Films 534 (2013) [3] Meric C: An investigation on the elastic moduls and denisty of vacum casted aluminium alloy 2024 containing lithium additions. Journal of Materials Engineering and Perfomance 9 (2000) [4] Li. J., Peng Z., Li C., Chen W., Zheng Z.: Mechanical properties, corrosion behaviors and microstructures of 7075 aluminium alloy with various aging treatments. Trans. Nonferrous Met. Soc. China 18 (2008) [5] Yang C., Hodgson P., Liu Q., Ye L.: Geometrical effects on residual stress in 7075-T7451 alumminium alloy rods subject to laser shock peening. Journal of Mechanical Design 201 (2008) [6] Kaczmarek Ł.: Lekkie, przeciwzużyciowe materiały funkcjonalne na bazie stopów aluminium. Zeszyty Naukowe Politechnika Łódzka, Rozprawy Naukowe. Wydanie 1152, Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź (2013). [7] Katsuji T.: Papers on shot peening publisched in the world for the last thirteen years. The 7th International Conference on Shot Peening, IMP Warszawa (1999) [8] Burakowski T., Wierzchoń T.: Inżynieria powierzchni metali. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa (1995). [9] Karwala K.: Zastosowanie kulowania w technologii zestawów kołowych pojazdów szynowych. Czasopismo Techniczne, Mechanika 10-M (2003) [10] Nakonieczny A.: Dynamiczna powierzchniowa obróbka plastyczna kulowanie. Instytut Mechaniki Precyzyjnej, Warszawa (2002). [11] Zaleski K.: Kształtowanie właściwości warstwy wierzchniej metali w procesie dynamicznego nagniatania rozproszonego. Inżynieria Powierzchni 3 (2011) [12] Stegliński M., Kaczmarek Ł., Sawicki J., Gawroński Z., Januszewicz B., Stachurski W.: Zmiana właściwości trybologicznych oraz naprężeń własnych stopu 7075 wywołana deformacją plastyczną procesu shot peening. Inżynieria Materiałowa 5 (2012) [13] Patyk R., Kułakowska A.: Modelowanie procesu kulowania części maszyn. Logistyka 6 (2011) [14] Szyc M., Kukiełka L.: Numerical analysis of shot peening on surface in Ansys application. Proceeding in Applied Mathematics and Mechanics (2008) [15] Szyc M., Patyk R., Kukiełka L.: Computer modelling and simulation of the physical phenomena in shot peening proces of cultivator tine. Journal of Research and Application in Agricultural Engineering 55 (1) (2011) [16] Jianming W., Feihong L., Feng Y., Gang Zhang: Shot peening simulation based on SPH method. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology 56 (2011) [17] Meguid S. A., Shagal G., Stranart J. C.: 3D FE analysis of peening of strain-rate sensitive materials using muliple impingement model. International Jurnal of Impact Engineering 27 (2002) [18] Nr 6/2014 I N Ż YNIERIA MATERIAŁ O W A 463