MODELOWANIE NUMERYCZNE WIELOOPERACYJNEGO PROCESU KUCIA MATRYCOWEGO

Transkrypt

1 Obróbka Plastyczna Metali Nr 2, 2005 Wspomaganie komputerowe dr hab. in. Jan Siczak, prof. AGH, dr in. Aneta Łukaszek-Sołek, mgr in. Sylwia Bednarek Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków MODELOWANIE NUMERYCZNE WIELOOPERACYJNEGO PROCESU KUCIA MATRYCOWEGO Streszczenie Przedstawiono analiz oblicze numerycznych procesu kucia matrycowego okuwki wydłuonej kutej w matrycach otwartych na zespole agregatów z zastosowaniem walcowania przedkuwki i kucia na prasie. Obliczenia numeryczne wykonano dla kilku alternatywnych technologii przy załoeniu rónych kształtów i masy wsadu. Analiz przeprowadzono uwzgldniajc rozkład odkształce, temperatury i parametrów energetycznych procesu kucia oraz wielkoci uzysku kuniczego dla przyjtych technologii. Słowa kluczowe: modelowanie numeryczne, kucie matrycowe, walcowanie przedkuwki, korbowód 1. Wprowadzenie W procesie kucia matrycowego technologia jest opracowywana z reguły pod wzgldem minimalizacji liczby operacji po- rednich. Takie podejcie do procesu nie moe by głównym kryterium optymalizujcym koszt produkcji. Ostateczn decyzj podejmuje si z uwzgldnieniem bilansu kosztów uwzgldniajcego szereg innych czynników, w tym uzysk kuniczy, trwało narzdzi oraz wielko maszyny stosowanej do kucia matrycowego na gotowo [2]. Z praktyki przemysłowej wynika, e dla odkuwek wydłuonych o znacznej rónicy przekroju poprzecznego zastosowanie walcowanej przedkuwki podwysza wydajno procesu rednio dwukrotnie, uzysk zwiksza si do 20 %, ywotno narzdzi wzrasta o 50 %, natomiast koszt robocizny zmniejsza si o ok. 15 % [6]. Inne parametry tej technologii, w tym własnoci mechaniczne finalnych produktów, mona prognozowa rozpatrujc rozkład odkształce i zmiany temperatury z uwzgldnieniem czasu trwania cyklu kucia [1, 4, 7]. W niniejszym artykule analizowano wymienione czynniki na przykładzie kucia korbowodu z przedkuwki walcowanej wzdłunie ze wsadu przeznaczonego na jedn odkuwk [5]. Korbowód posiada charakterystyczny kształt odkuwki wydłuonej z dwoma zgrubieniami o maksymalnym przekroju poprzecznym kilkakrotnie wikszym w stosunku do przekroju minimalnego. ebra usztywniajce trzonu korbowodu s trudne do kształtowania, co niekiedy wymaga stosowania wykroju wstpnie matrycujcego [3]. Wyeliminowanie wykroju wstpnie matrycujcego przy kuciu korbowodu jest moliwe, jeli zastosuje si cile okrelony kształt wsadu w przekroju poprzecznym, np. kwadratowy lub prostoktny. Przedkuwki odkuwek typu korbowodu wykonuje si take przez walcowanie poprzeczne walcami klinowymi. Proces walcowania walcami klinowymi jest bardzo wydajny, lecz przedkuwka ma przekrój poprzeczny kołowy. Podwyszenie wydajno- ci kucia matrycowego mona osign równie przez zastosowanie kucia wielokrotnego. W tym przypadku o kształcie przedkuwki decyduje sposób ułoenia odkuwek w wykroju matrycujcym na gotowo. 2. Zakres bada Obliczenia numeryczne procesu kucia korbowodu, przedstawionego na rysunku

2 Pow. przekroju poprzecznego odkuwki, mm Długo odkuwki, mm Rys. 1. Odkuwka korbowodu: a kształt odkuwki, b wykres pól przekroju poprzecznego odkuwki 1a, charakteryzujcego si znacznym zrónicowaniem przekroju poprzecznego (rys. 1, wykonano dla dwóch kształtów przedkuwki walcowanej (rys. 2b i 2 oraz, dla porównania, ze wsadu w postaci prostego prta (rys. 2. rednic wsadu przyjto przy załoeniu, e wypływka stanowi ok. 5 % maksymalnego przekroju poprzecznego odkuwki. Przy kuciu z prta długo wsadu wynosi 155 mm. Przy kuciu ze wsadu walcowanego, na kocu odkuwki korbowodu współczynnik redukcji przekroju wynosi 2,3. W przypadku wsadu walcowanego w rodku odkuwki, stopie redukcji wynosi 3,6. Wymagany całkowity stopie redukcji w tym obszarze wynosi 8,2. Do walcowania przedkuwki przyjto system owal koło [5]. Uzyskanie wymaganego przekroju poprzecznego przy walcowaniu koca odkuwki otrzymuje si w dwóch wykrojach, przy walcowaniu rodka odkuwki w dalszych czterech wykrojach. Kształt i wymiary wykroju owalnego pokazano na rysunku 3, natomiast wymiary podano w tablicy 1. Rys. 3. Kształt i wymiary wykroju owalnego Tablica 1 Wartoci wymiarów owal koło (rys. 3) Kształt wykroju Wymiar [mm] owal koło owal koło owal koło b 70 φ33 44 φ24 30 φ17,5 Rys. 2. Wymiary wsadu do kucia odkuwki w wykroju matrycujcym: a odcinek prta, b przedkuwka walcowana w dwóch pierwszych wykrojach, c przedkuwka walcowana w szeciu wykrojach h 20 φ33 15 φ24 11 φ17,5 R 66 16, ,75 r , Obliczenia numeryczne Obliczenia numeryczne wykonano programem QForm3D. Poniewa program nie zawiera modułu walcowania, załoono, e

3 w pionowej strefie kotliny odkształcenia w procesie walcowania przemieszczenie metalu jest zblione do wystpujcego w procesie walcowania. W konstrukcji kotliny walcowania przyjto rednic podziałow walców 400 mm. Odkształcenie w pionowej strefie, która znajduje si w płaszczynie przechodzcej przez osie walców, uzyskano przez ich zblianie a do kocowej odległoci s = 4 mm. Redukcja przekroju poprzecznego odkształcanego materiału w pionowej strefie kotliny odkształcenia była zgodna z wielkoci przyjt w systemie kalibrowania. W zwizku z powyszym stwierdzono, e obliczone parametry procesu walcowania w tym obszarze s poprawne. We wszystkich trzech przypadkach wykonywanych oblicze przyjto takie same warunki brzegowe procesu kucia. Pocztkow temperatur nagrzewu wsadu (stal 45) przyjto 1150 o C. W celu przeledzenia procesu kucia w kolejnych etapach, wyznaczono rozkłady odkształce i napr- e we wszystkich wymienionych zabiegach analizowanych technologii. Wyniki oblicze numerycznych pierwszego dwuwykrojowego etapu walcowania przedstawiono na rysunkach 4 i 5. Na rysunkach od 6 do 9 przedstawiono wyniki oblicze drugiego etapu walcowania, rodkowej czci prta, w czterech przepustach. Rysunek 10 przedstawia kształt odkuwki wraz z wypływk z rozkładem napre rednich. Wartoci siły nacisku w funkcji drogi odkształcenia w procesie kucia matrycowego z wypływk odkuwki podano na rysunku 11. Rys. 4. Proces walcowania w pierwszym wykroju owalnym: a temperatura ( o C), b intensywno odkształcenia, c naprenia rednie (MP Rys. 5. Proces walcowania w pierwszym wykroju okrgłym: a temperatura ( o C), b intensywno odkształcenia, c naprenia rednie (MP

4 4. Analiza wyników i podsumowanie Rys. 6. Proces walcowania w drugim wykroju owalnym: a temperatura ( o C), b intensywno odkształcenia, c naprenia rednie (MP Po pierwszym etapie walcowania w wykroju owalnym minimalna temperatura wynosi 1060 o C i jest zlokalizowana w strefie styku z walcami w najmniejszym przekroju poprzecznym (rys. 4. Wyznaczony numerycznie rozkład intensywnoci odkształcenia w tym wykroju, zgodnie z przewidywaniem, wskazuje, e najwiksze odkształcenie, dwukrotnie wiksze od minimalnego, wystpuje w rodkowym obszarze walcowanej czci przedkuwki (rys. 4. Naprenia rednie w całym obszarze przekroju poprzecznego w tym wykroju s ciskajce (rys. 4. W pozostałych wykrojach owalnych naprenia rednie s równie ciskajce (rys. 6c i rys. 8, natomiast w wykrojach okrgłych w bocznej strefie s bliskie zero (rys. 5c i rys. 9 lub maj niewielk warto dodatni (rys. 7. Obliczenia rozkładu temperatury w kolejnych wykrojach uwzgldniaj spadki temperatury wynikajce z ochłodzenia spowodowanego stykiem z walcami, których temperatur przyjto 300 o C i czasu przerw midzy kolejnymi przepustami. Rys. 7. Proces walcowania w drugim wykroju okrgłym: a temperatura ( o C), b intensywno odkształcenia, c naprenia rednie (MP

5 Rys. 8. Proces walcowania w trzecim wykroju owalnym: a temperatura ( o C), b intensywno odkształcenia, c naprenia rednie (MP W drugim wykroju, po uzyskaniu przedkuwki stosowanej do kucia korbowodu ze wsadu pokazanego na rysunku 2b, minimalna temperatura wynosi 1000 o C (rys. 5, natomiast po ostatnim przepucie temperatura spada do 980 o C (rys. 9. Odkształcenia charakteryzuje duy gradient przy powierzchni, niezalenie od kształtu przekroju poprzecznego (rysunki b od 5 do 9). Jest to wynikiem kształtu walcowanego pasma po kolejnych odkształceniach, jak równie duego gniotu w kadym pojedynczym wykroju, przy redukcji przekroju poprzecznego wynoszcego ok. 1,5. Kocowa warto intensywnoci odkształcenia, uzyskana z sumowania kolejnych etapów walcowania, prawie w całym obszarze przekracza 4,0 (rys. 9. Zarys odkuwki wraz z wypływk dla trzech analizowanych kształtów wsadu, przedstawiony na rysunku 10, wskazuje, e maksymalne naprenia ciskajce maj wartoci zblione i wynosz ok. 500 MPa. Wynika z tego, e nacisk jednostkowy i w konsekwencji zuycie narzdzi, nie zaley od zastosowanego wsadu przy tym kształcie odkuwki. Rys. 9. Proces walcowania w trzecim wykroju okrgłym: a temperatura ( o C), b intensywno odkształcenia, c naprenia rednie (MP

6 Rys. 10. Rozkład napre rednich w kocowym etapie kucia korbowodu w matrycy ze wsadu: a prt okrgły, b przedkuwka walcowana w dwóch wykrojach, c przedkuwka walcowana w rodku Rys. 11. Siła nacisku prasy w funkcji drogi odkształcenia w procesie kucia matrycowego z wypływk korbowodu ze wsadu: a prt okrgły, b przedkuwka walcowana dwóch wykrojach, c przedkuwka walcowana w rodku

7 Jednak naley przewidywa, e znaczny wpływ na trwało narzdzi moe mie wpływ poprzeczne przemieszczanie wsadu, szczególnie w obszarze trzonu korbowodu wykonywanego z prta prostego (rys. 10. Znaczcy wpływ wielkoci wsadu na całkowit sił nacisku przedstawiono na rysunku 11. Nawet przy znacznym niedokuciu wysokoci, przy gruboci mostka wypływki 3 mm, dla skoku suwaka prasy 45 mm, całkowita siła nacisku jest ponad dwukrotnie wiksza przy kuciu z prta (krzywa, ni ze wsadu walcowanego równie w obszarze trzonu korbowodu (krzywa. W ocenie kosztów wytwarzania nie mona pomin wielkoci uzysku kuniczego, który w analizowanych procesach wynosi 0,3 dla odkuwki kutej z prta, dla odkuwki kutej ze wsadu walcowanego w dwóch wykrojach wynosi 0,5 oraz dla odkuwki kutej z wsadu walcowanego w szeciu wykrojach wynosi 0,7. Masa analizowanego korbowodu wynosi ok. 0,7 kg, a strata materiału - przy uzysku 0,3 - wynosi 1,6 kg. Praca wykonana w ramach umowy nr Literatura [1] Altan T., Thomas W., Vazqez V., Koc M.: Simulation of metal forming processes applications and future trends. Advanced Technology of Plasticity, Vol. 1, 1999, [2] Baba A., Nishikawa J., Kawashima Y.: State of the art. And survey of large automatic forging presses in Japan. Advanced Technology of Plasticity, Vol. 1, 1999, [3] Ervasti E., Stahlberg U.: Aquasi-3D method used for increasing the material yeld in closed-die forging of a front axle beam. J. of Materials Processing Technology. 2005, 160, s [4] Grass H., Krempaszky C., Reip T., Werner E.: 3-D simulation of hot forming and microstructure evolution. Computation Materials Science. 2003, 28, s [5] Lisowski J.: Walcowanie kunicze, WNT, Warszawa [6] Siczak J., Malinowski Z., Szczepanik S.: Eksperymentalna analiza płynicia i stan odkształcenia metalu w wykroju wydłuajcym i rolujcym otwartym. Metalurgia i Odlewnictwo, 1992, 1, s [7] Takemasu T., Vazqez V., Panter B., Altan T.: Investigation of metal flow reform optimization In flashless forging of a connecting rod. J. of Materials Processing Technology. 1996, 59, s NUMERICAL MODELLING OF THE MULTISTAGE DIE FORGING PROCESS Abstract In the paper numerical modelling of the multistage die forging process of connecting-rod was analysed. Numerical calculation was performed for a several alternative technologies with different weight and shape of a billet. In the analysis of the assumed technologies strain, temperature and energy parameters distribution and forging yield have been investigated. Key words: numerical modelling, die forging, rolling of preform, connecting-rod