NUMERYCZNA ANALIZA OBCIAZENIA NARZEDZIA DO WYCISKANIA WSPÓLBIEZNEGO Streszczenie

Transkrypt

1 POLITECHNIKA CZESTOCHOWSKA Wydzial Inzynierii Mechanicznej i Informatyki Instytut Obróbki Plastycznej Inzynierii Jakosci i Bioinzynierii Dr inz. Piotr LACKI NUMERYCZNA ANALIZA OBCIAZENIA NARZEDZIA DO WYCISKANIA WSPÓLBIEZNEGO Streszczenie W pracy przedstawiono numeryczna symulacje narzedzia do wyciskania wspólbieznego. Narzedzie sklada sie ze stempla, matrycy ksztaltujacej, i pierscienia osadczowzmacniajacego. W pracy podano warunki pracy, geometrie, oraz material z którego wykonano te narzedzia. Symulacje obciazenia narzedzi w procesie wyciskania wspólbieznego przeprowadzono przy uzyciu programu ADINA System, który do swoich obliczen wykorzystuje Metode Elementów Skonczonych. W przyjetym modelu numerycznym przyjeto sprezysto-plastyczny model wyciskanej próbki, oraz sprezysty model narzedzia. Ze wzgledu na symetrie geometrii i obciazenia zamodelowano ¼ narzedzia. W pracy zamieszczono wyniki przeprowadzonej analizy numerycznej. Przedstawiono stan naprezenia i odksztalcenia dla narzedzia i próbki. Wstep Stale rosnace wymagania co do jakosci wykonania elementów odksztalcanych plastycznie, wymagaja od inzynierów dokladniejszej analizy procesów technologicznych. Nowoczesne techniki obliczeniowe pozwalaja na dokladniejsza analize plyniecia materialu w róznych fazach procesu ksztaltowania wyrobu jak tez na wyznaczenie stanu naprezenia przenoszonego przez narzedzia. Technologia wyciskania jest coraz czesciej stosowana w praktyce przemyslowej ze wzgledu na swoje zalety, wymaga jednak stosowania precyzyjnych metod obliczeniowych w celu otrzymania okreslonych celów technologicznych. W przypadku wyciskania mamy do czynienia z duzymi wartosciami odksztalcenia, duzymi naciskami jednostkowymi na powierzchni narzedzia, niejednokrotnie zlozona geometria wyrobu. W tej technologii oprócz nadania wlasciwego ksztaltu wyprasce, konieczne jest uwzglednienie ekonomicznie uzasadnionej zywotnosci narzedzia. Narzedzie przy tak duzych naciskach jednostkowych narazone jest na zuzycie powierzchni roboczych oraz pekanie. Z tego wzgledu tak wazne jest wlasciwe okreslenie czynników majacych wplyw na proces technologiczny wyciskania i prawidlowa eksploatacje narzedzi. Model obliczeniowy Symulacja wyciskania wspólbieznego na zimno zostala przeprowadzona dla: narzedzi wykonanych ze stali NC10, odkuwki wyciskanej z materialu stal 20. Dla tak skojarzonych materialów wspólczynnik tarcia w procesie wyciskania przyjeto µ = 0,1 Wymiary geometryczne narzedzi i próbki odksztalcanej wykorzystane do symulacji przedstawiono na rys. 2,3 Biorace udzial w symulacji procesu wyciskania wspólbieznego na zimno narzedzia i wyciskana próbka sa rozpatrywane tylko w ¼ czesci z uwagi na to, iz rozpatrywanie tak przyjetego modelu symulacji pozwala na 4-krotne zmniejszenie wygenerowanej liczby wezlów siatki MES, czyli obnizenie liczby elementów skonczonych, prowadzac tym samym

2 do krótszego czasu trwania obliczen. Koniecznosc zastosowania takiego modelu symulacyjnego wynika z powodu ograniczen mocy obliczeniowej komputera. Matryca osiowosymetryczna jest przecieta wzdluz swej osi na dwie czesci rys.1. Matryce sa mocowane w stozkowym pierscieniu osadczym celem wywolania korzystnych naprezen sciskajacych oraz zapewniaja jej latwy montaz i demontaz. Rys. 1. Dwie czesci matrycy z widoczna próbka przed i po odksztalceniu. Stempel ma na celu wcisniecie odksztalcanego materialu (pólfabrykatu) w matryce przy ustalonej wartosci drogi i czasu. Do stempla usytuowanego nad matryca i pierscieniem przylozono pionowe, zorientowane w dól przemieszczenie. Rys. 2 Ksztalt i wymiary narzedzi uzytych do analizy, od lewej stempel, matryca i pierscien osadczy.

3 Tabela 1. Dane materialowe przyjete do obliczen Material na narzedzia Stal narzedziowa stopowa NC10 Material na odkuwke Stal niskoweglowa konstrukcyjna wyzszej jakosci 20 Modul Younga E [MPa] 2, , Wspólczynnik Poissona n 0,3 0,32 Granica plastycznosci Re [MPa] 250 Wspólczynnik tarcia w procesie wyciskania m 0,1 Rys. 3 Narzedzie do wyciskania: 1-oprawa, 2- matryca, 3- stempel, 4-próbka. Wymiary próbki przed i po odksztalceniu. Na rys. 4 pokazano przyjety model obliczeniowy do symulacji, czyli: narzedzie odpowiednio usytuowane z siatka elementów skonczonych przemieszczenie o wartosci 29,25 mm, przylozone do górnej czesci stempla, w wyniku którego dochodzi do procesu wyciskania. Obraz siatki elementów na powierzchni narzedzi i odksztalcanego materialu pozwala na dokladne przedstawienie rozkladu intensywnosci odksztalcenia i naprezenia w wyciskanym materiale. Rys. 4. Dyskretyzacja narzedzi kuzniczych uzytych w symulacji procesu wyciskania wspólbieznego na zimno oraz przylozone do stempla przemieszczenie.

4 Próbka Analizujac stan odksztalcenia w próbce mozna zaobserwowac, iz pierwsze odksztalcenia plastyczne, jakie pojawiaja sie w próbce zachodza w momencie jej bezposredniego zetkniecia z matryca, gdy sily oddzialywujace na próbke przekrocza granice plastycznosci materialu. Dalej w miare wciskania próbki w glab matrycy narastaja odksztalcenia plastyczne w kierunku osiowym i promieniowym, i osiagaja swoja maksymalna wartosc e = 1,652 w koncowym etapie wyciskania. Natomiast górna czesc objetosci wyciskanego pólfabrykatu, której srednica nie ulegla znaczacej zmianie, odznacza sie najmniejszym odksztalceniem plastycznym e = 0,191. Naprezenia zredukowane, jakie powstaja w odksztalcanym materiale sa nastepujace: w 3 sekundzie trwania procesu, s max = 208,9 MPa s min = 57,29 MPa w 6 sekundzie trwania procesu, s max = 207,6 MPa s min = 42,48 MPa w 10 sekundzie trwania procesu, s max = 227,6 MPa s min = 18,71 MPa. Analizujac rozklad naprezen zredukowanych powstajacy w próbce mozna zauwazyc, ze ich maksymalne wartosci wystepuja juz w poczatkowej fazie wyciskania, niewiele wzrastajac w koncowym etapie procesu. Natomiast wartosci minimalnych naprezen zredukowanych powstajacych w pólfabrykacie wyciskanym maleja wraz ze zwiekszeniem stopnia odksztalcenia materialu próbki. Stempel Rozklad naprezen zredukowanych w stemplu dla czasu t = 10 s pokazano na rys. 5. A Rys. 5. Rozklad naprezen zredukowanych w stemplu wystepujacych w 10 sekundzie symulacji procesu wyciskania.

5 Rozklad naprezen zredukowanych powstajacych w stemplu w funkcji drogi dla procesu wyciskania przedstawia sie nastepujaco: po 3 sekundzie trwania symulacji, naprezenia osiagaja wartosci s max =196,5 MPa s min =0,1794 MPa po 6 sekundzie trwania symulacji, naprezenia osiagaja wartosci s max = 450 MPa s min =0,3869 MPa po 10 sekundzie trwania symulacji rys. 5, naprezenia osiagaja wartosci s max = 486,7 MPa s min =0,4338 MPa. Dokladny przebieg naprezen zredukowanych wystepujacych w stemplu podczas trwania calego procesu wyciskania dla punktu A przedstawia krzywa na rys. 6. Analizujac wyniki obliczen numerycznych przedstawionych na rys. 5 i 6 mozna stwierdzic co nastepuje: niezaleznie od kroku czasowego symulacji obszar powstawania maksymalnych naprezen jest ten sam i ogranicza sie tylko do dolnej czesci roboczej stempla, analizujac krzywa przebiegu naprezen w stemplu mozna wyodrebnic 4 etapy: 1) do 2 sekundy trwania symulacji naprezenia narastaja liniowo, 2) od 2 do 5 sekundy trwania symulacji naprezenia utrzymuja stala wartosc na poziomie 200 MPa, 3) od 5 do 6 sekundy naprezenia narastaja liniowo, lecz intensywniej niz w pierwszej fazie, 4) od 6 do 10 sekundy wartosci naprezen zmieniaja sie oscylacyjnie w sposób regularny w stalym zakresie pasa. Wartosci naprezen w tej fazie oscyluja na poziomie MPa. Naprezenie zredukowane [MPa] ] Czas [s] Rys. 6. Przebieg naprezen zredukowanych wystepujacych w stemplu dla punktu A (rys. 5), w którym wartosci naprezen osiagaja maksimum - σ max = 486,7 MPa.

6 W kolejnych krokach symulacji procesu wyciskania w stemplu dochodzi równiez do przemieszczen materialu w kierunku pionowym po osi Y przy czym: po 3 sekundzie trwania procesu, przemieszczenia osiagaja wartosc U y max = - 0,03 mm po 6 sekundzie trwania procesu, przemieszczenia osiagaja wartosc U y max = - 0,09 mm po 10 sekundzie trwania procesu, przemieszczenia osiagaja wartosc U y max = - 0,09 mm Powstajace w stemplu przemieszczenia wzdluz osi Y kumuluja sie tylko w dolnej czesci roboczej narzedzia a ich wartosci ustalaja sie na stalym poziomie i zachowuja ten sam rozklad juz od 6 sekundy symulacji procesu wyciskania. Matryca Rozklad naprezen zredukowanych w matrycy w kolejnych etapach wyciskania jest nastepujacy: 3 sekundzie trwania symulacji, naprezenia w materiale narzedzia osiagaja wartosci s max = 602 MPa, s min = 123 MPa 6 sekundzie trwania symulacji, naprezenia w materiale narzedzia osiagaja wartosci s max = 581,4 MPa, s min = 122,4 MPa 10 sekundzie trwania symulacji rys. 7, naprezenia w materiale narzedzia osiagaja wartosci s max = 577,3 MPa s min = 123,6 MPa Rys. 7. Rozklad naprezen zredukowanych w matrycy wystepujacych w 10 sekundzie symulacji procesu wyciskania.

7 Najbardziej obciazonym elementem analizowanego ksztaltu matrycy jest jej srodkowa i dolna czesc, gdzie naprezenia na powierzchni sa rzedu 2 5 razy wieksze niz w innym obszarze narzedzia. Analizujac stan naprezenia w matrycy mozna zaobserwowac, iz naprezenia zredukowane, jakie powstaja w matrycy, osiagaja swa wartosc maksymalna s max = 618 MPa na poczatku procesu wyciskania, juz po czasie 0,375 sekundy nastepnie wykazuje niewielka tendencje spadkowa, a od 6 do 10 sekundy trwania procesu ustalaja sie na stalym poziomie ok. 580 MPa. Przemieszczenia jakim ulega matryca sa nastepujace: a) w kierunku pionowym wzdluz osi Y po 3 sekundzie procesu wyciskania, U y max = 0,08888 mm po 6 sekundzie procesu wyciskania, U y max = 0,08729 mm po 10 sekundzie procesu wyciskania, U y max = 0,08694 mm b) w kierunku poziomym po osi X i Z po 3 sekundzie procesu wyciskania, U x max = 0 mm, U x min = 0,03171 mm po 6 sekundzie procesu wyciskania, U x max = 0 mm, U x min = 0,03125 mm po 10 sekundzie procesu wyciskania rys. 8, U x max = 0 mm, U x min = 0,03113 mm Rys. 8. Rozklad przemieszczen w matrycy wzdluz osi X powstalych w 10 sekundzie symulacji procesu wyciskania. Przemieszczenia jakie wystepuja w matrycy po osi X i Z sa identyczne, co do wartosci z uwagi na to, iz narzedzie posiada dwie plaszczyzny symetrii wzdluz tych osi. Maksymalna wartosc przemieszczen (U y max = 0,093 mm) wzdluz osi Y wystepuje w matrycy juz w chwili

8 rozpoczecia procesu wyciskania, tj. w czasie 0,375 sekundy. W dalszym etapie symulacji wartosci przemieszczen niewiele maleja, a od 6 10 sekundy utrzymuja sie na stalym poziomie osiagajac wielkosc U y 0,087 mm. Natomiast przebieg wartosci przemieszczen powstalych w matrycy wzdluz osi X przedstawia sie nieco inaczej a mianowicie: do 0,375 sekundy trwania procesu wyciskania przemieszczenia gwaltownie maleja osiagajac wartosc U x = 0,09 mm. Tzn. jest to najwieksze przemieszczenie do jakie wystapilo w matrycy, a znak oznacza, ze przemieszczenie w materiale narzedzia mialo kierunek przeciwny do zwrotu osi X dla tak przyjetego ukladu wspólrzednych. Przemieszczenia, które powstaly na tym etapie pochodza od cisnienia montazowego przy wtlaczaniu matrycy w pierscien wzmacniajacy. od 0,375 6,25 sekundy przemieszczenia wzrastaja krzywoliniowo tzn. nastepuje kompensacja duzych ujemnych wartosci z narastajacymi przemieszczeniami dodatnimi powstajacych w procesie wyciskania. od 6,25 10 sekundy przemieszczenia oscyluja (naprzemiennie rosnac i malejac) w zakresie pasa o szerokosci wartosci U x = 0, ,0008 mm. Oprawa Podczas procesu wyciskania matryca jest osadzona w oprawie, zatem w chwili, gdy w matrycy powstaja naprezenia rozciagajace to czesc z nich przenoszona jest na pierscien wzmacniajacy. Rozklad naprezen zredukowanych wystepujacych w pierscieniu ilustruje rys. 9. Wartosci naprezen zredukowanych w oprawie sa nastepujace: 3 sekundzie trwania procesu, s max = MPa, s min = 212,5 MPa 6 sekundzie trwania procesu, s max = MPa, s min = 216,0 MPa 10 sekundzie trwania procesu rys. 9, s max = MPa, s min = 215,7 MPa Rys. 9. Rozklad naprezen zredukowanych w pierscieniu wzmacniajacym wystepujacych w 10 sekundzie symulacji procesu wyciskania.

9 Znaczna koncentracja naprezen zredukowanych wystepuje w dolnej srodkowej czesci oprawy, gdzie naprezenia na powierzchni sa 2 3 razy wieksze niz w innym obszarze narzedzia. Naprezenia, jakie pojawiaja sie w oprawie osiagaja w przyblizeniu maksymalna wartosc (s = 687,29 MPa) juz na poczatku procesu, po czasie 0,01 sekundy. W dalszej czesci symulacji ich wartosc nieznacznie, liniowo wzrasta, a po czasie 6 10 sekundy trwania procesu naprezenia ustalaja sie na stalym poziomie s 592 MPa. Z matrycy na oprawe przenoszone sa równiez przemieszczenia. Rozklad przemieszczen w pierscieniu wzmacniajacym wystepujacych w kierunku osi Y i X, Z jest nastepujacy: a) w kierunku osi Y w 3 sekundzie procesu wyciskania, U y max = 0 mm U y min = 0,04281 mm w 6 sekundzie procesu wyciskania, U y max = 0 mm U y min = 0,04336 mm w 10 sekundzie procesu wyciskania, U y max = 0 mm U y min = 0,04346 mm b) w kierunku osi X i Z w 3 sekundzie procesu wyciskania, U x max = 0,0669 mm w 6 sekundzie procesu wyciskania, U x max = 0,06747 mm w 10 sekundzie procesu wyciskania rys. 10, U x max = 0,0676 mm Przemieszczenia, jakie wystepuja w oprawie po osi X i Z sa identyczne, co do wartosci z uwagi na dwie plaszczyzny symetrii narzedzia wzdluz tych osi. Do najwiekszych przemieszczen osiowych (wzdluz osi Y), jakim ulega oprawa dochodzi w górnej, czesci narzedzia. Przemieszczenia osiagaja znaczna wartosc (U y = 0,0425 mm) juz na poczatku procesu, w czasie 0,413 sekundy. W dalszym etapie symulacji procesu wyciskania wartosci przemieszczen osiowych nieznacznie wzrastaja, a po czasie 6 10 sekund utrzymuja sie na stalym poziomie U y = 0,0435 mm. Znak oznacza, ze przemieszczenie w materiale narzedzia nastapilo w kierunku przeciwnym do zwrotu osi Y, dla tak przyjetego ukladu wspólrzednych. Natomiast na znaczne przemieszczenia poziome (wzdluz osi X) w materiale oprawy narazona jest cala czesc srodkowa pierscienia. Wartosci przemieszczen promieniowych sa 1,5 razy wieksze od przemieszczen osiowych. Wartosci przemieszczen poziomych wystepujacych w narzedziu sa nastepujace: do 0,01 sekundy trwania procesu wyciskania przemieszczenia gwaltownie wzrastaja do wartosci U x = 0,0669 mm, w czasie 0,01 7,3 sekundy przemieszczenia nieznacznie wzrastaja osiagajac wartosc maksymalna U x max = 0,0676 mm, po 7,3 sekundy przemieszczenia utrzymuja sie na stalym poziomie o wartosci rzedu U x = 0,0675 mm. Rozklad przemieszczen wystepujacych w pierscieniu wzdluz osi X ilustruje rys. 10 Na wartosc przemieszczen wystepujacych w narzedziu istotny wplyw wywiera tarcie. Z tego wzgledu przy opracowywaniu technologii wyciskania metalu nalezy brac pod uwage mozliwosc sterowania oporami tarcia poprzez stosowanie smarów, dzieki czemu uzyska sie korzystne plyniecie materialu zapobiegajace przedwczesnemu zuzyciu matryc. Podczas procesu wyciskania, matryca obciazona jest cisnieniem wewnetrznym, pochodzacym od ksztaltowanego materialu. Maksymalna wartosc tego cisnienia, jaka moze przeniesc matryca, wyznacza granica plastycznosci R e materialu pierscienia wzmacniajacego oraz jego wzgledna grubosc wyrazona ilorazem srednicy zewnetrznej D z i otworu d o.

10 Rys. 10. Rozklad przemieszczen w pierscieniu wzmacniajacym wzdluz osi X powstalych w 10 sekundzie symulacji procesu wyciskania. Wnioski Symulacja procesu wyciskania wspólbieznego na zimno odkuwki osiowosymetrycznej zostala przeprowadzona przy uzyciu programu ADINA System 7.4. Zastosowanie programów symulacyjnych w praktyce przemyslowej moze poprawic efektywnosc wytwarzania wyprasek poprzez wlasciwy dobór ksztaltu materialu w poszczególnych operacjach wyciskania i poprzez racjonalne projektowanie obciazenia matryc, przy ograniczeniu kosztownych eksperymentów. Mozliwe jest takze wybranie najlepszego wariantu procesu technologicznego, przy uniknieciu kosztownych poprawek oprzyrzadowania technologicznego. Przedstawiona numeryczna analiza procesu wyciskania wspólbieznego wskazuje na mozliwosci wykorzystania nowoczesnych metod obliczeniowych do projektowania narzedzi. Zakres i jakosc danych uzyskanych z symulacji stwarza mozliwosc dokladniejszej analizy uwzgledniajacej wieksza niz dotychczas ilosc danych. Mozliwa staje sie równiez wielowymiarowa optymalizacja procesu przez co mozna osiagnac wysoka jakosc wyrobów.

11 Literatura 1. ADINA Theory and Modeling Guide. 2. Erbel S., Kuczynski K., Marciniak Z. Obróbka plastyczna. PWN Warszawa Erbel S., Kuczynski K., Marciniak Z. Obróbka plastyczna na zimno. Wydanie III, PWN Warszawa Graczynski Z., Kaczorowski D. Wyciskania promieniowe na zimno krzyzaka samochodowego. Obróbka Plastyczna Metali, Nr 2, 1999, str Kocanda A., Presz W., Adamczyk G. Doswiadczalne wyznaczanie rozkladu nacisków na powierzchni narzedzia. Obróbka Plastyczna Metali, Nr 2/3, 1995, str Kuczynski K. Plastyczne ksztaltowanie na zimno nakretek regulacyjnych aparatury paliwowej silników wysokopreznych. Obróbka Plastyczna Metali, Nr 2/3, 1995, str Wozniak H. Odksztalcenia sprezyste w matrycy z jednym pierscieniem wzmacniajacym. Obróbka Plastyczna Metali, Nr 3, 1997, str Zimpel J. Obliczanie matryc wzmacnianych jednym pierscieniem. Obróbka Plastyczna Metali, Nr 2, 1996, str Ziólkiewicz S., Wozniak H. Próba zastosowania programu FORM 2D do symulacji procesu wyciskania na zimno odkuwki czesciowo niesymetrycznej. Obróbka Plastyczna Metali, Nr 1, 1998, str 39 45