Algorytm do ustalania planu kucia w kowadłach rombowych

2008 r. Hutnik Wiadomości hutnicze S. 223 4. Jegorow A. W.: Elektropławilnyje pieczi czornoj mietałłurgii, Mietałłurgia, Moskwa, 1985 5. Jegorow A. W.: Rasczot moszcznosti i paramietrow elektropieczej cziernoj mietałłurgii, Mietałłurgia, Moskwa, 1990 6. Antti Roine: HSC Chemistry 6.0. User s Guide, v.1/2, OutoKumpu Research Information Center, 2006 instrukcja obsługi do programu. 7. Machulec B.: Teoretyczne podstawy procesu elektrotermicznego wytopu żelazokrzemu oraz krzemu technicznie czystego, Politechnika Śląska, Zeszyty Naukowe, Nr 1589, Gliwice, 2003 8. Katalog i niepublikowane dane dot. wyrobów węglowych firmy SGL Carbon, 2006 9. Katalog Zakładów Materiałów Ogniotrwałych Skawina, 1980 10. Refractory Bricks and monolithics. Katalog Firmy Nuova Sirma Sp. A., Italia, 2000 11. Katalog firmy Didier-Werke AG, 1997 12. Asphaug B., Innvar R.: Introduction to the Soderberg Electrode, Elkem Carbon, Kristiansand, 1997 13. Suris A. L.: Płazmo-chimiczeskije processy i aparaty, Chimija, Moskwa, 1989 14. Senkara T.: Obliczenia cieplne pieców grzewczych w hutnictwie, Wydawnictwo Śląsk, Katowice, 1981 15. Mochnacki B., Suchy S.: Modelowanie i symulacja krzepmięcia odlewów, PWN, Warszawa, 1993 Dr inż. MAREK TKOCZ UKD 621.73.042.001.57:537.388.25.001.002.1 Prof. dr hab. inż. FRANCISZEK GROSMAN Politechnika Śląska, Katedra Modelowania Procesów i Inżynierii Medycznej ul. Krasińskiego 8, 40-019 Katowice e-mail: marek.tkocz@polsl.pl Algorytm do ustalania planu kucia w kowadłach rombowych An algorithm for pass schedule design of forging in V-dies W artykule przedstawiono koncepcję wyznaczania planu kucia wydłużającego w kowadłach rombowych. Proponowany algorytm postępowania uwzględnia wpływ parametrów operacji wydłużania (pojedynczego gniotu względnego oraz posuwu względnego) na stany mechaniczne w kotlinie odkształcenia oraz ograniczenia procesu (tj. maksymalny nacisk prasy, maksymalny posuw, maksymalny gniot, odkształcenie graniczne kutego materiału, zakres temperatur kucia). Koncepcja zakłada podział operacji wydłużania na fazy, aby mieć możliwość jak najwcześniejszego zastosowania korzystnych kombinacji parametrów. Zaproponowano równania do obliczania zmiany wysokości kutego materiału po kolejnych przejściach. In the paper, an algorithm has been suggested for the pass schedule design of forging by drawing out in V-dies. It takes into account the effect of process parameters (the relative reduction in height and the bite ratio) on the mechanical states in the deformation zone as well as the process constraints (i.e. the press capacity, the maximum bite, the maximum press stroke, the strain to fracture, the forging temperature range). The concept assumes division of the pass schedule into some stages in order to apply the recommended combinations of cogging parameters as soon as possible. The workpiece height changes after the successive passes can be calculated by means of the formulas presented in the paper. Słowa kluczowe: plan kucia, kucie swobodne, wstępny przerób wlewka, wydłużanie, kowadła kształtowe, kowadła rombowe Key words: pass design, open die forming, cogging, drawing out, contoured dies, V-dies 1. Wprowadzenie. Wsadem do wytwarzania dużych odkuwek wydłużonych są wlewki, które zawierają różnego rodzaju wady pochodzenia metalurgicznego, takie jak: nieciągłości, wtrącenia niemetaliczne i niejednorodność strukturalną. Wady te muszą być wyeliminowane w procesie przeróbki plastycznej, by zapewnić wymaganą jakość gotowego wyrobu. Dobór technologii wydłużania powinien ponadto uwzględniać takie warianty kucia, które pozwalają na uzyskanie odkuwki o pożądanym kształcie i jakości w jak najkrótszym czasie i przy jak najmniejszej energochłonności procesu. Realizacja jakościowych celów operacji wydłużania możliwa jest jedynie w warunkach zabezpieczających występowanie korzystnego stanu termomechanicznego, cechującego się obecnością naprężeń ściskających, szczególnie w osiowej strefie wlewka, gdzie nagromadzenie wad jest największe. Występowanie naprężeń rozciągających powoduje, że zamknięcie i zgrzanie nieciągłości jest niemożliwe, a dodatkowo może doprowadzić do powiększenia istniejących wad oraz powstania nowych, zwłaszcza w początkowym okresie kucia, gdyż struktura materiału w stanie lanym cechuje się niewielką plastycznością. Wydłużanie najczęściej przeprowadza się w kowadłach płaskich. Stwierdzono jednak, że kucie w kowadłach płaskich nie zawsze zabezpiecza

S. 224 Hutnik Wiadomości hutnicze Nr 5 uzyskanie korzystnego schematu stanu naprężenia, szczególnie podczas kucia wsadu o przekroju innym niż kwadrat. Kucie wlewków okrągłych lub wielokątnych w kowadłach płaskich wiąże się z powstaniem stref, w których wydłużenie następuje pod działaniem naprężeń rozciągających. Ograniczenie wielkości tych stref i zwiększenie udziału naprężeń ściskających w objętości wsadu można osiągnąć tylko poprzez wytworzenie bocznego nacisku na odkształcany materiał za pomocą kowadeł kształtowych. Kucie w takich kowadłach jest szczególnie korzystne w przypadku stali wysokostopowych, cechujących się małą plastycznością. Cechy geometryczne kowadeł kształtowych narzucają jednak pewne ograniczenia, wymagane jest zatem ustalenie planów kucia adekwatnych do zastosowanego zestawu narzędzi. Różnorodność typów i kształtów kowadeł powoduje, że podanie jednolitej procedury do ustalania planów operacji wydłużania jest niemożliwe. Propozycje algorytmów postępowania dotyczące kucia wydłużającego przedstawione są m.in. w pracach [1 4]. W niniejszym artykule zaproponowano algorytm do ustalenia planu kucia w kowadłach rombowych, opracowany na podstawie zaleceń, które ustalono na podstawie analizy literaturowej, praktyki przemysłowej i wyników symulacji numerycznych opisanych w pracach [5 8]. Symulacje te przeprowadzono dla stali narzędziowej NC11LV w celu poznania wpływu parametrów kucia wydłużającego w kowadłach rombowych o kącie rozwarcia 135 na lokalne stany mechaniczne w kotlinie kuźniczej. 2. Zalecenia dotyczące doboru parametrów wydłużania w kowadłach rombowych. Parametrami, które w najbardziej istotny sposób wpływają na stan mechaniczny oraz sposób płynięcia materiału podczas operacji wydłużania, są: pojedynczy gniot względny oraz posuw względny. Pojedynczy gniot względny powinien wynosić ok. 10 25 %. Mniejsze gnioty nie dają możliwości silnego przekucia rdzenia kutego materiału, nato- Rys. 1. Proponowany algorytm postępowania podczas ustalania planu kucia w kowadłach rombowych Fig. 1. The suggested algorithm for pass schedule design of forging in V-dies

2008 r. Hutnik Wiadomości hutnicze S. 225 miast większe nie są zalecane, gdyż powodują duże poszerzenie oraz nierównomierność odkształceń lokalnych. Posuw względny stanowi stosunek posuwu bezwzględnego do początkowej wysokości kutego materiału w określonym przejściu. Wyniki badań symulacyjnych [6 8] wykazują, że podczas kucia w kowadłach rombowych z posuwem względnym mniejszym niż 0,4, wzdłużna składowa naprężenia w osi kutego materiału pozostaje dodatnia przez cały czas trwania nacisku prasy. Trójosiowy ściskający stan naprężenia możliwy jest do uzyskania Rys. 2. Typy przejść w analizowanym schemacie kucia wydłużającego typu przekrój równomierny-żebro-przekrój równomierny (nieparzyste przejścia po lewej, parzyste przejścia po prawej) Fig. 2. The pass types of the regular-flattened-regular cross section pass schedule (the odd passes on the left, the even ones on the right, dotted line an initial shape of the cross section in a pass) wtedy, gdy posuw względny będzie wynosił około 0,5. Zwiększanie posuwu względnego powoduje, że coraz mniejszy gniot jest potrzebny do uzyskania korzystnego stanu mechanicznego w osi kutego materiału. Jednak posuwy względne większe niż 0,7 powodują już mniej intensywną poprawę stanu naprężenia, a wymagają większego nacisku prasy, powodują duże poszerzenie oraz nierównomierność poszerzenia i odkształceń lokalnych. 3. Ograniczenia procesu wydłużania w kowadłach rombowych. Zastosowanie tylko jednego zestawu kowadeł rombowych do realizacji całego procesu wydłużania jest zazwyczaj niemożliwe. Z uwagi na pewne cechy geometryczne tych kowadeł (tj. kąt rozwarcia, głębokość wcięcia), możliwy do uzyskania stopień przekucia określonego zestawu narzędzi jest często jedynie częścią stopnia przekucia wymaganego dla kutego materiału. W związku z tym, odpowiednie oprzyrządowanie gniazda kuźniczego do szybkiej wymiany kowadeł jest niezbędnym warunkiem możliwości przeprowadzenia całego procesu. Przedstawione w punkcie 2 górne limity parametrów kucia wydłużającego mogą być w praktyce nieosiągalne z uwagi na charakterystyki technologicznej plastyczności kutego materiału. Z uwagi na ryzyko pękania, wartość pojedynczego gniotu względnego Rys. 3. Procedura wyznaczania najkorzystniejszych parametrów kucia wydłużającego dla konkretnej fazy kucia na podstawie cech geometrycznych wsadu i dostępnych kowadeł Fig. 3. Procedure to determine the best possible values of the individual reduction in height and the bite ratio for at least one stage consisting of odd and even pass, based on the workpiece cross section and the available V-dies geometry

S. 226 Hutnik Wiadomości hutnicze Nr 5 przy określonym posuwie musi być tak dobrana, aby nie dopuścić do przekroczenia dopuszczalnych lokalnych wartości odkształcenia zastępczego. Zastosowanie zalecanych kombinacji parametrów wydłużania w całym procesie może być niemożliwe również z uwagi na wysoki poziom naprężenia uplastyczniającego kutego materiału. Dodatkowo, zastosowanie kowadeł rombowych zamiast płaskich powoduje znaczne zwiększenie powierzchni styku kutego materiału z kowadłami. W rezultacie, wymagana do realizacji gniotu siła nacisku może przekroczyć maksymalny nacisk posiadanej prasy. Dla przykładu, wydłużanie stali NC11LV w kowadłach rombowych o kącie rozwarcia 135 z zastosowaniem posuwu względnego równego 0,6 oraz gniotu względnego wynoszącego 20 % wymaga siły nacisku prasy o prawie 40 % większej niż w przypadku kucia w kowadłach płaskich z użyciem tych samych wartości wymienionych parametrów [6]. Jeśli początkowo nie ma możliwości użycia odpowiedniego zestawu kowadeł lub zalecanych wartości parametrów, należy zastosować najkorzystniejszy wariant z dostępnych. Po kolejnych fazach kucia przekrój poprzeczny kutego materiału zmniejsza się, istnieje zatem możliwość stopniowego zwiększania wartości parametrów kucia lub wymiany kowadeł. Takie podejście pozwala na osiągnięcie trójosiowego ściskającego stanu naprężenia tak szybko, jak jest to możliwe. Trzeba jednak pamiętać, iż dla wielu materiałów trudnoodkształcalnych zakres temperatur kucia jest bardzo ograniczony. W takich przypadkach należy dążyć do jak najmniejszej liczby zmian zestawów kowadeł, by zmniejszyć liczbę koniecznych dogrzewań. 4. Ogólna koncepcja ustalania planu kucia dla wydłużania w kowadłach rombowych. Proponowany ogólny algorytm ustalania planu kucia wydłużającego przedstawiono na rys. 1. Zakłada on wykorzystanie bazy danych zawierających charakterystyki materiałowe i parametry prasy. Jest to konieczne do ustalenia, czy wybrane na podstawie cech geometrycznych wsadu i narzędzi parametry kucia, tj. gniot względny ε h i posuw względny s h, nie spowodują przekroczenia ograniczeń opisanych w punkcie 3. W przypadku przekroczenia maksymalnej siły nacisku prasy, wartości parametrów wydłużania muszą być odpowiednio zmniejszone. Z uwagi na zmniejszanie się przekroju poprzecznego kutego materiału po kolejnych przejściach, istnieje możliwość stopniowego zwiększania gniotu i posuwu, a tym samym poprawy warunków odkształcania. Po ostatecznym ustaleniu wartości gniotu i posuwu dla określonej fazy kucia, można obliczyć zmianę wymiarów kutego materiału, czas trwania przejścia oraz spadek temperatury kutego materiału w tym czasie. Pozwala to na ustalenie momentu, w którym niezbędne jest dogrzanie materiału. 5. Ustalenie parametrów kucia na podstawie cech geometrycznych wsadu i narzędzi. Najczęściej stosowany schemat kucia wydłużającego przedstawiono na rys. 2. Polega on na przechodzeniu z przekroju równomiernego na tzw. żebro w przejściach nieparzystych oraz na powrocie do przekroju równomiernego w przejściach parzystych. Przykład procedury do ustalenia najkorzystniejszych parametrów kucia na podstawie kształtu wsadu i dostępnych kowadeł, dla przytoczonego schematu wydłużania, został przedstawiony na rys. 3. Procedura zakłada podział całego procesu na fazy składające się z co najmniej dwóch następujących po sobie przejść. W każdym przejściu określonej fazy zastosowane będą te same wartości gniotu względnego ε h i posuwu względnego s h. Zakres wartości pojedynczego gniotu względnego oraz posuwu względnego ustalono na podstawie zaleceń opisanych w punkcie 2. Rys. 4. Procedura wyznaczania wysokości wydłużanego materiału po kolejnych przejściach schematu kucia typu: przekrój równomierny-żebro-przekrój równomierny Fig. 4. Procedure to calculate the workpiece height changes after the successive passes for the regular-flattened-regular cross-section pass schedule

2008 r. Hutnik Wiadomości hutnicze S. 227 6. Obliczanie zmian wysokości przekroju poprzecznego kutego materiału. Analiza wyników przeprowadzonych symulacji numerycznych w pracy [6] wykazała, że wartość stosunku średniego względnego poszerzenia do względnego gniotu pojedynczego, jest praktycznie niezależna od zastosowanego gniotu pojedynczego. Dodatkowo, dla zalecanych wartości parametrów wydłużania (ε h, s h ) średnią wartość względnego poszerzenia można z wystarczającą dokładnością wyznaczyć ze wzoru: ε b = ε h (a s h +b) (1) gdzie a i b są współczynnikami funkcji aproksymującej (np. wartości a i b otrzymane dla stali NC11LV wynosiły odpowiednio 0,39 i 0,23) [6]. Zależność (1) można wykorzystać do ustalania zmian wysokości przekroju poprzecznego kutego materiału po każdym kolejnym przejściu. Proponowaną procedurę postępowania dla analizowanego schematu kucia objaśniono za pomocą algorytmu przedstawionego na rys. 4. Zakładając, że w określonej fazie kucia (przynajmniej w dwóch następujących po sobie przejściach: nieparzystym i parzystym) zastosuje się pewne stałe wartości ε h i s h, wzór do obliczania wysokości końcowych po n-tym przejściu przedstawia się następująco: (2) gdzie h p jest początkową wysokością wsadu w analizowanej fazie kucia, k oznacza kolejny numer przejścia w tej fazie, a k 1 jest obliczane na podstawie równania: (3) W celu uzyskania założonych końcowych wymiarów przekroju odkuwki, gniot względny w ostatnich dwóch przejściach może być obliczony z zależności: (4) gdzie h n-1 jest wysokością odkuwki po przedostatniej fazie wydłużania. Stosunek gniotu względnego i poszerzenia względnego może być obliczony na podstawie równania 1 (dla posuwu względnego zastosowanego w ostatnich dwóch przejściach). 7. Podsumowanie. W artykule przedstawiono proponowaną procedurę postępowania w trakcie doboru tych parametrów dla kucia wydłużającego w kowadłach rombowych. Uwzględniono przy tym reguły i zalecenia, które opracowano, mając na uwadze przede wszystkim jakościowy cel tej operacji likwidację wad strukturalnych zlokalizowanych głównie wzdłuż osi wsadu. Proponowany algorytm wymaga uwzględnienia naprężenia uplastyczniającego kształtowanego materiału, które warunkuje wielkość wymaganych nacisków prasy, oraz odkształcenia granicznego, od którego zależny jest dopuszczalny gniot pojedynczy. Wzięto również pod uwagę takie ewentualności, jak konieczność wymiany kowadeł w trakcie kucia (wielkość stopnia przekucia, możliwa do uzyskania w jednej parze kowadeł kształtowych, jest ograniczona) oraz konieczność przerywania operacji wydłużania na wypadek wymaganego dogrzania kutego materiału. Przedstawione szczegółowe algorytmy do ustalania parametrów kucia wydłużającego i zmian wysokości kutego materiału po kolejnych przejściach są adekwatne jedynie do schematu kucia polegającego na przechodzeniu z przekroju równomiernego na tzw. żebro w przejściach nieparzystych oraz na powrocie do przekroju równomiernego w przejściach parzystych. Jednakże, po dokonaniu nieznacznych modyfikacji, algorytmy te mogą posłużyć do ustalania planu przejść dla innego schematu kucia wydłużającego, polegającego na utrzymywaniu stałego współczynnika przejścia. L i t e r a t u r a 1. Kuroles V. I.: Forging with smaller allowances, Mat. Międzynarodowej Konf. Kucie swobodne III, Ustroń 1990, s. 143-150 2. Nazarian W. A.: Ałgoritm naznaczenija rieżimow kowki pri protiażkie w wyrieznych i kombinirowanych bojkach, Kuzn.- Sztamp. Proizwodstwo, t. 9, 1997, s. 8-11 3. Kim P. H., Chun M. S., Yi J. J., Moon Y. H.: Pass schedule algorithms for hot open die forging, J. Mat. Proc. Technol., t. 130-131, 2002, s. 516-523 4. Chun M. S., Van Tyne C. J., Moon Y. H.: FEM analysis of void closure behaviour during open die forging of rectangular billets, Steel Research Int., t. 77, 2006, nr 2, s. 116-121 5. Tkocz M., Kusiak J.: Analysis of forging by drawing out, Mat. 4-tej Międzynarodowej Konf. ESAFORM, Liège 2001, s. 569-572 6. Tkocz M.: Analiza przestrzenna lokalnych stanów termomechanicznych w procesie kucia wydłużającego w kowadłach kształtowych, Praca doktorska, Politechnika Śląska, Katowice, 2005 7. Tkocz M., Kusiak J., Grosman F.: Wpływ schematu kucia prętów w kowadłach rombowych na lokalne stany mechaniczne, Mat. Konf. KomPlasTech2006, Szczawnica 2006, s. 185-192 8. Tkocz M., Kusiak J., Grosman F.: Recommendations for selection of parameters of cogging in V-dies, Acta Metallurgica Slovaca, t. 13, 2007, nr 2, s. 221-228