Symulacje procesu kształtowania obrotowego materiałów trudno odkształcalnych

Transkrypt

1 Obróbka Plastyczna Metali t. XXII nr 3 (2011) Procesy kształtowania wyrobów z blach Mgr inŝ. Łukasz NOWACKI, mgr inŝ. Marek PAWLICKI Instytut Obróbki Plastycznej, Poznań nowacki@inop.poznan.pl Dr inŝ. Sławomir POLAK Politechnika Wrocławska, Wrocław Symulacje procesu kształtowania obrotowego materiałów trudno odkształcalnych Simulations of the process of rotary forming of hard-to-deform materials Streszczenie W niniejszym artykule przedstawiono i opisano badania symulacyjne procesu zgniatania obrotowego materiałów trudno odkształcalnych (Inconel 625) prowadzone w Instytucie Obróbki Plastycznej w Poznaniu (w programie PamStamp) oraz na Politechnice Wrocławskiej (w programie MSC.Marc). Wyniki dla poszczególnych programów róŝnią się m.in. ze względu na podział na elementy skończone oraz na przyjęcie innego modelu obliczeniowego (w MSC.Marc nie przeprowadzano operacji wstępnego tłoczenia materiału wyjściowego). Badania wymagają jeszcze dalszych kontynuacji ze względu na moŝliwości osiągnięcia parametrów w pełni odwzorowujących parametry rzeczywiste procesu. Abstract The paper presents and describes simulation investigation of the process of rotary extrusion of hard-to-deform materials (Inconel 625) performed by the Metal Forming Institute in Poznań ( in the PamStamp program) and by the Wroclaw University of Technology (in the MSC.Marc program). The results in the individual programs differ, among others, due to the division into finite elements and to the adoption of a different calculation mode (in the MSC.Marc program, the operation of initial stamping of the raw material has not been performed). The investigation requires continuation due to the possibility of obtaining parameters fully reflecting the actual parameters of the process. Słowa kluczowe: tłoczenie, zgniatanie obrotowe, symulacja, PamStamp, MSC.Marc, MES Key words: stamping, rotary extrusion, simulation, PamStamp, MSC.Marc, FEM 1. WSTĘP Z ostatnich publikacji naukowych wynika, Ŝe aktualnie wykonuje się coraz więcej symulacji procesu zgniatania obrotowego. Jest to coraz częstszy temat badań prowadzonych przez naukowców krajowych i zagranicznych. W niniejszym artykule przedstawiono i opisano badania symulacyjne procesu zgniatania obrotowego materiałów trudno odkształcalnych (Inconel 625) prowadzone w Instytucie Obróbki Plastycznej w Poznaniu [7] oraz na Politechnice Wrocławskiej. 1. INTRODUCTION Recent scientific publications indicate that more and more simulations of the rotary extrusion process are performed nowadays. It is a more and more frequent subject of investigations performed by domestic and foreign scientists. The present paper describes simulation investigation of the process of rotary forming of hard-to-deform materials (Inconel 625) performed by the Metal Forming Institute in Poznań [7] and in the Wroclaw University of Technology.

2 192 Ł. Nowacki, M. Pawlicki, S. Polak 2. PARAMETRY WYJŚCIOWE SYMU- LACJI Przedmiotem badań modelowania komputerowego był materiał trudno odkształcalny, stop na osnowie niklu Inconel 625, który jest wykorzystywany w przemyśle lotniczym (elementy turbin w silnikach lotniczych). Do badań symulacyjnych procesu tłoczenia wytłoczki wstępnej zostały stworzone wirtualne narzędzia w programach Solid Works, VisiCad oraz ProENGINEER. Geometria narzędzi oraz wymiary materiału wyjściowego zostały wprowadzone do modelu MES symulacji na podstawie rysunków wykonanych w Instytucie Obróbki Plastycznej. Wyjściowe wymiary geometryczne: wzornik średnica: φ119,5 mm, wytłoczka średnica wewnętrzna: φ119,7 mm, grubość materiału: 3,1 mm. Badania prowadzone na Politechnice Wrocławskiej wykonano w programie MSC.Marc. Wytłoczka cylindryczna ze względu na proces odkształcania, została podzielona na elementy typu solid 3D (kaŝdy element to 8 węzłów). Na grubości materiału zastosowano 3 elementy. Wielkość elementów w kierunku wysokości wytłoczki przedstawia rys. 3. Na obwodzie zastosowano 288 elementów. Ze względu na kształtowanie zgniataniem jedynie bocznych ścianek wstępnej wytłoczki cylindrycznej wycięto w niej otwór zmniejszając liczbę elementów celem skrócenia czasu obliczeń. W Instytucie Obróbki Plastycznej zrealizowano badania w programie PamStamp. W programie PamStamp zasymulowano wstępny proces tłoczenia, w którym materiałem wyjściowym był krąŝek o średnicy 200 mm, grubości 3,1 mm. Następnie dla wirtualnej wytłoczki symulowano proces zgniatania obrotowego, w którym materiałem wyjściowym była wytłoczka cylindryczna po przeprowadzonej wcześniej symulacji tłoczenia. W procesie symulacji przyjęto 4 warstwy na grubości, zbudowane z siatki o rozmiarze elementów 3x3 mm, a narzędzia do modelowania przyjęto, jako sztywne. 2. INITIAL PARAMETERS OF THE SI- MULATION The object of computer modelling investigation was the hard-to-deform alloy on nickel matrix, Inconel 625, which is used in the aircraft industry (turbine elements in aircraft engines). For the simulation investigation of the process of forming a blank drawpiece, virtual tools have been created in Solid Works, VisiCad and ProENGINEER programs. The tool geometry and the initial material dimensions have been put to the FEM model of the simulation basing on the drawings made by the Metal Forming Institute. The initial geometrical dimensions: templet diameter: φ119.5 mm, drawpiece inner diameter: φ119.7 mm, material thickness: 3.1 mm. The investigation of the Wroclaw University of Technology has been performer in the MSC.Marc program. For the sake of the deformation, a cylindrical drawpiece has been divided into elements type solid 3D (each element has 8 nodes). On the material thickness, three elements were applied. The size of the elements in the direction of the drawpiece height can be seen in fig. 3. On the circumference, 288 elements have been applied. Since only the side walls of the initial cylindrical drawpiece were formed by extrusion, a hole has been cut out of it reducing the number of elements in order to shorten the time of calculations. In the Metal Forming Institute, the investigation has been performed in the PamStamp. In this program, the initial process of stamping has been simulated program; the input material was a 3.1 mm thick disk of 200 diameter. Then, for the virtual drawpiece, the process of rotary extrusion has been simulated in which process the input material was a cylindrical drawpiece after a prior simulation of stamping. In the process of simulation, 4 layers on the thickness have been adopted, made of a network of elements dimensioned 3x3 mm. The tools for modelling have been adopted as stiff ones.

3 Symulacje procesu kształtowania obrotowego materiałów trudno odkształcalnych METODYKA BADAŃ Przeprowadzono 2 odrębne symulacje procesu kształtowania obrotowego w 2 róŝnych programach (MSC.Marc oraz PamStamp): Symulacja procesu w programie MSC.Marc (rys. 1); Symulacja procesu w programie PamStamp (rys. 2). 3. INVESTIGATION METHODOLOGY Two separate simulations of rotary forming have been performed in two different programs (MSC.Marc and PamStamp): Process simulation in the MSC.Marc program (fig. 1); Process simulation in the PamStamp program (fig. 2) Rys. 1. Model numeryczny narzędzi w programie MSC.Marc 1 rolki, 2 dociskacz, 3 wzornik, 4 wytłoczka narysowana w programie typu CAD Fig. 1. Numerical model of tools in the MSC.Marc program 1 rolls, 2 blankholder, 3 templet, 4 drawpiece drawn in a program type CAD Rys. 2. Model numeryczny narzędzi w programie PamStamp [3] 1 rolki, 2 dociskacz, 3 wzornik, 4 wytłoczka Fig. 2. Numerical model of tools in the PamStamp program 1 rolls, 2 blankholder, 3 templet, 4 drawpiece a) b) Rys. 3. Ustawienia narzędzi wirtualnych: a) w programie MSC.Marc, b) w programie PamStamp Fig. 3. Positioning of virtual tools: a) in the MSC.Marc program, b) in the PamStamp program

4 194 Ł. Nowacki, M. Pawlicki, S. Polak Na rys. 3 pokazano podział na elementy skończone oraz ustawienie narzędzi roboczych względem siebie. W programie PamStamp wytłoczka nie jest idealna, jak wczytano do programu MSC.Marc. Wytłoczka w programie PamStamp ma zmienny kształt na pobocznicy i zmienną grubość. Wynika to z przeprowadzonej wcześniej, przed zgniataniem obrotowym, operacji tłoczenia Symulacja procesu zgniatania obrotowego w programie MSC.Marc Pierwszą symulację procesu zgniatania obrotowego przeprowadzono w programie MSC.Marc 2010 w przestrzeni 3D. Narzędzia w modelowaniu przyjęto, jako sztywne nieodkształcalne. Obliczenia zostały wykonane na komputerze: 12 GB pamięci ram, Procesor i7 4 rdzeniowy, Zastosowano licencję 4 procesorową. Obliczenia numeryczne procesu zgniatania obrotowego dla czasu odkształcania 4,421 s były wykonywane przez 8 dni. W symulacji procesu zgniatania obrotowego wytłoczki cylindrycznej w programie MSC.Marc określano wielkości dla następujących parametrów: odkształcenie zewnętrznej powierzchni wytłoczki, siły kształtowania, odkształcenie plastyczne, prędkość odkształcania. Na rysunku 1 przedstawiono schemat procesu zgniatania obrotowego przyjęty w pierwszej przeprowadzonej symulacji. Wzornik obraca się wokół osi x i jednocześnie powoduje obrót wytłoczki cylindrycznej z prędkością obrotową 500 obr/min (ok. 8,33 obr/s). Rolki kształtujące równieŝ obracają się wokół osi x oraz dodatkowo przesuwają się wzdłuŝ tej osi. Prędkość obrotowa rolek wyliczona z zaleŝności geometrycznych wynosi 5,226 obr/s, posuw 5 mm/s. Fig. 3 shows the division into finite elements and the positioning of the working tools in relation to each other. In the PamStamp program the drawpiece is not perfect as has been entered into the MSC.Marc program. The drawpiece in the PamStamp program has varying shape of t6he side wall and various thickness. This results from the operation of stamping performed prior to the rotary extrusion Rotary extrusion simulation in the MSC.Marc program The first simulation of rotary extrusion has been performed in the MSC.Marc 2010 program in 3D space. The tools in modelling have been adopted as stiff and indeformable ones The computer used in the calculations: 12 GB ram memory, 4-core i7 processor, 4-processor licence has been applied. The numerical calculations of the rotary extrusion process for the deformation time s have been performed for 8 days In the simulation of the rotary extrusion process for a cylindrical drawpiece in the MSC.Marc program, the following parameter magnitudes have been determined: deformation of the drawpiece outer surface, forming forces, plastic strain, deformation speed. In figure 1, one can see a diagram of the rotary extrusion process adopted in the first simulation performed. The templet rotates around axis x and, at the same time, makes the cylindrical drawpiece rotate at the rotational speed of 500 rpm (8.33 revolutions per second). The forming rolls also rotate around axis x and, additionally, move along that axis. The rotational speed of the rolls, calculated from the geometrical relationships is rev. per second, travel 5 mm/s.

5 Symulacje procesu kształtowania obrotowego materiałów trudno odkształcalnych Symulacja procesu zgniatania obrotowego w programie PamStamp Drugą symulację procesu zgniatanie obrotowego przeprowadzono w programie Pam- Stamp. W modelowaniu przyjęto narzędzia takŝe, jako sztywne, nieodkształcalne. Obliczenia zostały wykonane na komputerze: 16 GB pamięci ram, procesor 4x4 E7430 na wirtualnej maszynie 16-rdzeniowej, zastosowano licencję 2 procesorową. Wstępne badania wykonano z zastosowaniem elementów bryłowych siatki. Symulacja miała na celu sprawdzenie poprawności odwzorowania ruchu rzeczywistych narzędzi oraz dodania do bazy materiałowej programu PamStamp materiału Inconel 625. Schemat procesu zgniatania obrotowego w programie PamStamp pokazano na rys. 2. Wzornik porusza się wzdłuŝ osi z, rolki toczą się po wytłoczce imitując ruch wzornika. Obroty rolek: 572,4 obr./min, posuw wzornika: 300 mm/min. Czas obróbki został odniesiony jedynie do ruchu roboczego narzędzi. Wynosi on: 1,1 s. Po tłoczeniu wstępnej wytłoczki nie stosowano międzyoperacyjnej obróbki cieplnej. Dane materiałowe nadstopu niklu Inconel 625, przyjęte z dostępnych danych literaturowych, są następujące: moduł Younga: 2, MPa, liczba Poissona: 0,278, gęstość: 8,44 g/cm 3. Krzywa napręŝenie uplastyczniające odkształcenie rzeczywiste została określona z badań wytrzymałościowych wykonanych w Instytucie Obróbki Plastyczniej i wprowadzona w formie numerycznej zarówno do programu MSC.Marc (rys. 4) [7], jak i do programu PamStamp (rys. 5) [1]. 4. PRZEBIEG I WYNIKI BADAŃ W programie MSC.Marc symulacja procesu zgniatania obrotowego została wykonana bez uwzględnienia tarcia w modelu numerycznym (współczynniki tarcia = 0). Natomiast w programie PamStamp uŝyto współczynniki tarcia przedstawione w tablicy Rotary extrusion simulation in the Pam- Stamp program The other simulation of rotary extrusion has been performed in the PamStamp program. The tools in modelling have been adopted as stiff and indeformable ones, too. The computer used in the calculations: 16 GB ram memory, Processor 4x4 E7430 on a virtual 16- core machine, 2-processor licence has been applied. Initial reexamination has been effected with the use of solid elements of the lattice. The purpose of the simulation was top check the correctness of the representation of the actual tool motion and to add the Inconel 625 material to the material base of the Pam- Stamp program. A diagram of the rotary extrusion process in the PamStamp program can be seen in figure 2. The templet moves along z axis, the rolls move on the drawpiece imitating the motion of the templet. The roll speed: rpm, templet travel : 300 mm/min. The time of forming has been related only to the working motion of the tools. It amounts: 1.1 s. After the initial drawpiece has been stamped, no interoperation heat treatment has been applied. The material data of the Inconel 625 alloy, adopted from the available literature data are as follows: Young modulus: 2.08 x 10 5 MPa, Poisson ratio:0.278, density: 8.44 g/cm 3. The curve of the yield stress true strain has been determined on the basis of strength examination performed by the Metal Forming Institute and entered in the numerical form to both the MSC.Marc (fig.4) [7] and to the PamStamp program (fig. 5) [1]. 4. INVESTIGATION PROCEEDING AND RESULTS In the MSC.Marc program, the simulation of rotary extrusion process has been performed without consideration of friction in the numerical model (coefficient of friction = 0). In the PamStamp program, on the other hand, friction coefficients shown in table 1 have been used.

6 196 Ł. Nowacki, M. Pawlicki, S. Polak Rys. 4. Krzywa napręŝenie uplastyczniające-odkształcenie rzeczywiste dla materiału Inconel 625 wpisana do programu MSC.Marc [7] Fig. 4. Curve of the yield stress true strain for the Inconel 625 material entered into the MSC.Marc program [7] Rys. 5. Parametry materiałowe nadstopu niklu Inconel 625 wpisane do programu PamStamp 1 stałe materiałowe (E, ν, ρ), 2 graniczna krzywa formowania, 3 krzywa umocnienia [1] Fig. 5. Material parameters of the nickel superalloy, Inconel 625 entered into the PamStamp program 1 material constants (E, ν, ρ), 2 limit forming curie, 3 work-hardening curve [1] Tablica 1. Współczynniki tarcia wprowadzone do programu PamStamp Table 1. Coefficients of friction entered into the PamStamp program Narzędzie Tool Współczynnik tarcia Coefficient of friction Matryca Die Operacja tłoczenia Stamping operation Stempel Punch Dociskacz Blankholder Wzornik Templet Operacja zgniatania obrotowego Rotary extrusion operation Dociskacz Blankholder Rolki Rolls 0,06 0,06 0,06 0,95 0,95 0,06

7 Symulacje procesu kształtowania obrotowego materiałów trudno odkształcalnych Badania symulacyjne procesu zgniatania obrotowego w programie MSC.Marc Kształt zewnętrznej powierzchni wytłoczki został przedstawiony na rys. 6. Przy przyjętych warunkach brzegowych, podczas kształtowania, obserwuje się nieznaczne skręcenie materiału w obszarze odkształconym wytłoczki. Jest to związane z róŝnicą średnic początkowych wzornika oraz wytłoczki, a takŝe z miejscowym odkształcaniem materiału, w czasie procesu kształtowania obrotowego. Na początku procesu odkształcania zaobserwowano mniejsze skręcenie wytłoczki niŝ w kolejnych fazach procesu odkształcania, kiedy skręcenie materiału wzrosło. Wykresy sił występujących na narzędziach w czasie procesu zgniatania obrotowego zostały przedstawione na rys Wypadkowe siły występujące na wzorniku wynoszą około 73 kn (rys. 7); na rolkach kształtujących są większe i wynoszą około 98 kn. RóŜnica jest związana z występowaniem sił promieniowych, które w przypadku wzornika znoszą się, a w przypadku rolek kształtujących przyjmują przeciwne wartości (rys. 9) Simulation of the rotary extrusion process in the MSC.Marc program The shape of the outer surface of a drawpiece has been shown in fig. 6. Under the adopted boundary conditions, slight twisting of the material is observed in the deformed area of the drawpiece during forming. \this is related to the difference of the initial diameters of the templet and the drawpiece, as well as to the local deformation of the material during the process of rotary forming. The twisting of the drawpiece was less at the beginning of the deformation p[process than in the subsequent phases of the process of deformation when the twisting increased. The curves of forces acting on the tools during the process of rotary extrusion can be seen in figs 7 9. The resultant forces acting on the templet are about 73 kn (fig. 7); they are larger on the forming rolls and amount about 98 kn. The difference is related to the occurrence of radial forces which nullify each other in the case of the templet and take opposite values in the case of rolls (fig. 9). Rys. 6. Kształt zewnętrznych powierzchni modelu numerycznego narzędzi oraz wytłoczki dla czasu symulacji 4,421 s w programie MSC.Marc Fig. 6. The shape of the outer surfaces of the numerical model of the tools and the drawpiece in the MSC.Marc program, for the simulation time of s

8 198 Ł. Nowacki, M. Pawlicki, S. Polak kn Czas trwania procesu [sek] Rys. 7. Siły wypadkowe na narzędziach [kn] wg programu MSC.Marc: 1 wzornik, 2 rolka prawa, 3 rolka lewa Fig. 7. Resultant forces on tools [kn] acc. to the MSC.Marc program: 1 templet, 2 the right roll, 3 the left roll kn Czas trwania procesu [sek] 1 Rys. 8. Siły osiowe na narzędziach [kn] wg programu MSC.Marc: 1 wzornik, 2 rolka prawa, 3 rolka lewa (siły na rolkach są jednakowe), 4 dociskacz Fig. 8. Axial forces [kn] on the tools acc. to the MSC.Marc program: 1- templet, 2 the right roll, 3 the left roll (the forces on the rolls are the same), 4 blankholder

9 Symulacje procesu kształtowania obrotowego materiałów trudno odkształcalnych 199 kn 1 2 Czas trwania procesu [sek] Rys. 9. Siły promieniowe na narzędziach [kn] wg programu MSC.Marc: 1 rolka prawa, 2 rolka lewa Fig. 9. Axial forces on the tools [kn] acc. to the MSC.Marc program: 1 the right roll, 2 the left roll Na rysunku 8 przedstawiono wykres sił osiowych na narzędziach. Charakter wykresu jest oscylacyjny (wynika on z podziału na elementy skończone). Wartość siły osiowej na wzorniku (1) wynosi około 72 kn. Na rolkach (2) kształtujących siła jest ponad dwukrotnie mniejsza. Na wykresie jest przedstawiona równieŝ siła docisku (3) wytłoczki do wzornika. Siły osiowe na rolce lewej (1) są jednakowe jak na rolce prawej (2). PoniewaŜ obliczenia numeryczne nie zostały wykonane do końca procesu kształtowania wyrobu, przesłanki wskazują, Ŝe proces powinien się ustabilizować i dalsze kształtowanie wytłoczki powinno się odbywać przy stałych wartościach sił na narzędziach. Odkształcenie plastyczne (total equivalent plastic strain) wytłoczki zostało przedstawione na rys Największe odkształcenia plastyczne występują na zewnętrznej średnicy wytłoczki. Wartość odkształcenia plastycznego wynosi ok. 2. Jest to dobrze widoczne na przekroju wytłoczki na rys. 10 i 12. Figure 8 shows the diagram of the axial forces on the tools. The diagram has an oscillating character (due to the division into finite elements). The value of the axial force on the templet is about 72 kn. It is less than half of it on the rolls. The diagram shows also the force of the drawpiece pressing to the templet (3). The axial forces on the left roll(1) are the same as those on the right one (2). Since the numerical calculations have not been performed to the end of the process of product forming, premises indicate that the process should stabilize and further forming of the drawpiece should be effected with constant forces on the tools. The total equivalent plastic strain of the drawpiece has been presented in figs The largest plastic strains occur on the outer diameter of the drawpiece. The value of the plastic strain is about 2. It is clearly visible on the drawpiece cross-section in figs 10 and 12.

10 200 Ł. Nowacki, M. Pawlicki, S. Polak Rys. 10. Odkształcenia zastępcze na powierzchni zewnętrznej wytłoczki wg programu MSC.Marc Fig. 10. Strain replacements on the outer surface of a drawpiece acc. to the MSC.Marc program Rys. 11. Odkształcenia zastępcze na przekroju wytłoczki 3D wg programu MSC.Marc dla czasu 2,515 s Fig. 11. Strain replacements on a 3D cross-section of a drawpiece acc. to the MSC.Marc program for the time of s Rys. 12. Odkształcenia zastępcze na przekroju 3D wytłoczki wg programu MSC.Marc dla czasu 4,421 s. Widoczny próg tworzący się przed rolką zgniatającą Fig. 12. Strain replacements on a 3D cross-section of a drawpiece acc. to the MSC.Marc program for the time of s. Visible shoulder formed before the extrusion roll

11 Symulacje procesu kształtowania obrotowego materiałów trudno odkształcalnych 201 Wielkość odkształcenia na powierzchni wewnętrznej i zewnętrznej jest związana z tym, Ŝe na powierzchni zewnętrznej materiał jest odkształcany w kierunku osiowym, promieniowym i obwodowym, natomiast na powierzchni wewnętrznej głownie dominuje odkształcenie osiowe z niewielkim udziałem odkształceń promieniowych i obwodowych. Dodatkowo w wierzchnich warstwach zewnętrznych wytłoczki obserwuje się ścinanie, które moŝna łatwo zaobserwować na przekroju próbki. Dodatkowo w trakcie operacji zgniatania obrotowego następuje spiętrzenie materiału przed częścią roboczą rolki kształtującej (rys. 11). Dla czasu 2,515 s jest widoczne niewielkie spiętrzenie, a dla czasu 4,421 s znacznie większe. Efektem tego jest zwiększenie średnicy wytłoczki (rys. 12). Z przyjętego modelu materiału, którego odkształcenie rzeczywiste wynosiło 0,3 i z symulacji, gdzie obserwowana jest wartość rzeczywistego odkształcenia plastycznego na poziomie 2, wyniki nie są w pełni porównywalne w tym zakresie. The deformation magnitude on the inner and outer surface is relate to the fact that the material is deformed in the axial, radial and circumferential direction on its outer surface while axial deformation, with only slight contribution of radial and circumferential ones, dominates on the inner surface. Moreover, in the outer surface layers of the drawpiece, one can observe shearing which is easy to see on the sample cross-section. During the rotary extrusion operation, accumulation of material before the working part of the forming roll takes place (fig. 11). For the time of2.515 s, a slight accumulation can be observed, a significantly larger one fo the time of s. An effect of that is an increase of the drawpiece diameter (fig. 12). From the adopted model of material whose true strain was 0.3 and from simulation where the true plastic strain of 2 is observed, the results are not fully comparable in that respect. Rys. 13. Prędkość odkształcenia na zewnętrznej powierzchni wytłoczki wg programu MSC.Marc dla czasu symulacji 4,421 s Fig. 13. Deformation speed on the outer drawpiece surface acc. to the MSC.Marc program for the simulation time of s

12 202 Ł. Nowacki, M. Pawlicki, S. Polak Rys. 14. Prędkość odkształcenia na przekroju wzdłuŝnym 3D wytłoczki wg programu MSC.Marc dla czasu symulacji 2,515 s Fig. 14. Deformation speed on the 3D longitudinal drawpiece section acc. to the MSC.Marc program for the simulation time of s Największą prędkość odkształcania obserwuje się na zewnętrznej powierzchni wytłoczki, wynosi ona około 140 s -1 dla czasu symulacji 4,421 s rys. 13. Dla porównania zamieszczono rezultaty dla czasu 2,515 s rys. 14. W innych krokach obliczeniowych prędkości te są większe, bądź mniejsze i jest to związane między innymi z podziałem na elementy skończone, postępującym odkształceniem wytłoczki, itp. Na przekroju wzdłuŝnym wytłoczki dla czasu symulacji 4,421 s rys. 13 prędkość odkształcania ma wartości do 36 s -1. Jest to związane z tym, iŝ największa zmiana odkształcenia w czasie następuje w obszarze styku z rolką zgniatającą dla średnich wartości grubości ścianki wytłoczki. The highest deformation speed is found to occur on the outer drawpiece surface; it is about 140 s -1 for simulation time of s fig. 13. For comparison, the results for the time of s have also been stated fig. 14. In other calculation steps, those speeds are higher or lower and it is related, among others, to the division into finite elements, the progressing deformation of the drawpiece, etc. On the longitudinal section of the drawpiece, for the simulation time of s, fig. 13, the deformation speed has the values of up to 36 s -1. This is due to the fact that the largest change of deformation in time takes place in the area of contact with the extrusion roll for the average thicknesses of the drawpiece wall Badania symulacyjne procesu zgniatania obrotowego w programie PamStamp W programach symulacyjnych procesów technologicznych kształtowania blach, dla uproszczenia, przy odzwierciedlaniu rzeczywistej geometrii, stosuje się elementy typu powłokowego (shell). Wynika to z dostosowania silników obliczeniowych (solverów) do płaskiego stanu odkształcenia i napręŝenia Simulation of the rotary extrusion process in the PamStamp program In the simulation programs of the technological processes of sheet metal forming, shell type elements are used in representing the true geometry for the sake of simplicity. This is due to the adaptation of computation solvers to the flat state of stress and strain.

13 Symulacje procesu kształtowania obrotowego materiałów trudno odkształcalnych 203 W przypadku procesów tłoczenia blach i procesów wyoblania takie uproszczenie jest zasadne. Skraca to czas obliczeń numerycznych. W procesach zgniatania obrotowego, które są klasyfikowane na pograniczu obróbki blach i objętościowej obróbki plastycznej metali, takie uproszczenie prowadzi do niejednoznaczności w wynikach symulacji. Mając to na uwadze, przeprowadzono wstępne próby programowania procesu kształtowania obrotowego w programie PamStamp z wykorzystaniem elementów objętościowych siatki MES (typu solid), korzystając z opcji Volume Blank. Przedstawione w artykule wyniki badań rozpoznawczych wskazują na moŝliwość uŝycia funkcji Rotational kinametics (kinematyka obrotowa) celem zasymulowania procesów kształtowania obrotowego. Nie są to jednak wyniki ostateczne. Trwają równieŝ dalsze badania w programie PamStamp z wykorzystaniem elementów typu solid do symulacji procesu zgniatania obrotowego rzutowego, z kinematyką narzędzi porównywalną do występującej w rzeczywistości. Na rys. 15 pokazano wytłoczkę wirtualną po operacji tłoczenia w programie PamStamp (wraz z wizualizacją odkształcenia plastycznego). Such a simplification is justifiable in the case of stamping metal sheets and spinning processes. It shortens the me of numerical calculations. In the processes of rotary extrusion, classified at the boundary of sheet metal forming and solid forming, such a simplification leads to ambiguity of the simulation results. With this in mind, initial tests of programming of the rotary forming process in the PamStamp program have been performed with the use of the volumetric elements of the FEM lattice (solid type), with the application of the Volume Blank option. The results of recognition investigation presented in this paper indicate the possibility of utilizing the function of Rotational kinematics in order to simulated the processes of rotary forming. Those are not, however, final results. Further investigation in the PamStamp program, with the use of solid type elements for simulation of the process of shear forming, with the tool kinematics comparable to that occurring in reality, is in progress. Fig. 15 shows a virtual drawpiece after the operation of stamping in the PamStamp program (with plastic strain visualized). Rys. 15. Wytłoczka wirtualna po operacji tłoczenia w programie PamStamp z wizualizacją odkształcenia plastycznego Fig. 15. Virtual drawpiece after stamping operation in the PamStamp program with the visualization of plastic strain

14 204 Ł. Nowacki, M. Pawlicki, S. Polak Rys. 16. Wytłoczka zgniatana obrotowo wydłuŝająco ze zgniotem 38% otrzymana w programie PamStamp, z wizualizacją odkształceń głównych w czasie procesu Fig. 16. A drawpiece, after elongating rotary extrusion, with cold work of 38%, obtained in the PamStamp program, main deformation visualized Rys. 17. Końcowa wytłoczka wirtualna po procesie zgniatania obrotowego wydłuŝającego ze zgniotem 38%, z wizualizacją odkształceń głównych Fig. 17. The final virtual drawpiece after the process of elongating rotary extrusion with cold work of 38%, with the main deformations visualized Na rys. 16 przedstawiono wytłoczkę otrzymaną w procesie zgniatania obrotowego wydłuŝającego z załoŝonym zgniotem 38%. Widoczny próg materiałowy potwierdza poprawność odwzorowania rzeczywistego procesu zgniatania. Na rys. 17 pokazano końcową wirtualną wytłoczkę po operacji zgniatania obrotowego wydłuŝającego. In fig. 16, one can see a drawpiece obtained in the process of elongating rotary extrusion with an assumed cold work of 38%. The visible material shoulder proves correct representation of real extrusion process. Fig. 17 shows a final virtual drawpiece after the operation of elongating rotary extrusion.

15 Symulacje procesu kształtowania obrotowego materiałów trudno odkształcalnych 205 Na rysunkach znajdują się wykresy sił wypadkowych na narzędziach wirtualnych w procesie zgniatania obrotowego z programu PamStamp. In figs 18 21, one can see diagrams of the resultant forces on virtual tools in the process of rotary extrusion, from the PamStamp program. Rys. 18. Siła wypadkowa na dociskaczu [kn] w programie PamStamp. Zgniot 38%, nacisk dociskacza 180 kn Fig. 18. Resultant force [kn] on the blankholder in the PamStamp program. Cold work 38% Blankholder force 180 kn Rys. 19. Siła wypadkowa na wzorniku [kn] wg programu PamStamp. Zgniot 38% Fig. 19. Resultant force [kn] on the templet back acc. to the PamStamp program. Cold work 38%

16 206 Ł. Nowacki, M. Pawlicki, S. Polak Rys. 20. Siła wypadkowa na rolce lewej [kn] wg programu PamStamp. Zgniot 38% Fig. 20. Resultant force [kn] on the left-hand roll acc. to the PamStamp program. Cold work 38% Rys. 21. Siła wypadkowa na rolce prawej [kn] wg programu PamStamp. Zgniot 38% Fig. 21. Resultant force [kn] on the right-hand roll acc. to the PamStamp program. Cold work 38%

17 Symulacje procesu kształtowania obrotowego materiałów trudno odkształcalnych 207 Z rysunku 18 i 19 wynika, Ŝe wartości sił wypadkowych na wzorniku i dociskaczu są w przybliŝeniu stałe w momencie pierwszego styku rolek z materiałem kształtowanym. Wypadkowa siła rzeczywista na dociskaczu wynosi 180 kn, a na wzorniku kn. Wielkości sił na rolkach lewej i prawej (rys. 20 i 21) są zbliŝone do siebie i maleją wraz ze wzrostem odkształcenia wytłoczki i wynoszą kn. 5. WNIOSKI 1. Stworzono model procesu kształtowania obrotowego zarówno w programie PamStamp jak i w programie MSC.Marc. 2. Uzyskano wyniki zmiany kształtu wytłoczki (pocienień), wielkości odkształceń, napręŝeń i wypadkowych sił na narzędziach. 3. Wyniki dla programów MSC.Marc i PamStamp róŝnią się m.in. ze względu na podział na elementy skończone oraz na przyjęcie innego modelu obliczeniowego 4. W programie MSC.Marc nie przeprowadzano operacji wstępnego tłoczenia materiału wyjściowego. 5. Badania symulacyjne procesu zgniatania obrotowego wymagają jeszcze dalszej kontynuacji szczególnie z uŝyciem elementów objętościowych typu solid w siatce MES, ze względu na moŝliwości osiągnięcia parametrów w pełni odwzorowujących parametry rzeczywiste procesu. 6. Planuje się dalsze badania procesu kształtowania obrotowego w innych programach symulacyjnych Pracę zrealizowano w ramach działalności statutowej BT Badania testujące program PamStamp w zastosowaniu do tłoczenia i modelowania MES procesu zgniatania obrotowego wydłuŝającego wytłoczek z blach. Figures 18 and 19 indicate that that the resultant force values on the templet and the blank holder are approximately constant at the moment of the first contact of the rolls with the material. The resultant actual force on the blankholder is 180 kn; kn on the templet. The force magnitudes on the left-hand side roll and the right-hand one are close to each other; they decrease with the increase of the drawpiece deformation, amounting kn. 5. CONCLUSIONS 1. A model of the rotary extrusion process has been created both in the PamStamp program and in the MSC.Marc program. 2. The results of drawpiece shape changes (thinning), the magnitudes of strain and stress and the resultant forces on the tools have been obtained. 3. The results for the MSC.Marc and the Pam- Stamp programs differ due, among others, to the division into finite elements and adoption of another computation model. 4. In the MSC.Marc program, the operation of initial stamping of the raw material has not been performed. 5. Simulation investigation of the rotary extrusion process require continuation, particularly with the use of solid type volumetric elements in the FEM lattice, due to the possibility of obtaining parameters fully representing the actual parameters of the process. 6. Further investigation of the rotary forming process in other simulation programs is intended. The work has been realized within the statute activity, BT Investigation testing the PamStamp program in the application to stamping and FEM modelling of the process of elongating rotary extrusion of sheet metal drawpieces.

18 208 Ł. Nowacki, M. Pawlicki, S. Polak LITERATURA/REFERENCES [1] PAM STAMP 2G & PAM TUBE 2G, User s Guide, [2] Shan Debin, Yang Guoping, Xu Wenchen: Deformation history and the resultant microstructure and texture in backward tube spinning of Ti 6Al 2Zr 1Mo 1V. Journal of Materials Processing Technology 2009 nr 209 s [3] Chang Chongyia, Wang Chengguoa, Jin Yingb: Study on numerical method to predict wheel/rail profile evolution due to wear. Wear 2010 nr 269 s [4] Liang Huang, He Yang, Mei Zhan, Lijin Hu: Forming characteristics of splitting spinning based on the behaviors of roller. Computational Materials Science 2009 nr 45 s [5] Sebastiani G., Brosius A., Ewers R., Kleiner M., Klimmek C.: Numerical investigation on dynamic effects during sheet metal spinning by explicit finite-element-analysis. Journal of Materials Processing Technology 2006 nr 177 s [6] Mohebbi M.S., Akbarzadeh A.: Experimental study and FEM analysis of redundant strains in flow forming of tubes. Journal of Materials Processing Technology 2010 nr 210 s [7] Sprawozdanie z badań statutowych BT , pt: Badania innowacyjnych technologii tłoczenia, wyoblania i zgniatania obrotowego, szczególnie wyrobów o złoŝonych kształtach z trudno odkształcalnych i szybko umacniających się materiałów z wykorzystaniem nowoczesnych technik komputerowych. Instytut Obróbki Plastycznej, Poznań 2009 (praca niepublikowana).