Obróbka Plastyczna Metali t. XVIII nr 3 (27) Dr hab. inŝ. Zbigniew PATER, prof. Politechniki Lubelskiej Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny, Lublin Analiza numeryczna procesu kucia matrycowego odkuwki typu korbowód Numerical analysis of the forming process of crank shaft type forging Streszczenie W artykule przedstawiono aspekty modelowania numerycznego procesu kucia matrycowego, na przykładzie kształtowania odkuwki korbowodu. Przeanalizowano dwa warianty kucia matrycowego odkuwki korbowodu: w układzie pojedynczym (z przedkuwki walcowanej metodą WPK) oraz w układzie podwójnym (bezpośrednio z pręta). Przedstawiono moŝliwości analityczne, wynikające z zastosowania metody elementów skończonych, modelowania numerycznego w analizie złoŝonych procesów kucia z wypływką. Omówiono takŝe niedogodności modelowania procesów kształtowania plastycznego w komercyjnych pakietach oprogramowania MSC.SuperForm i QForm 3D. Abstract In this paper, the aspect of numerical modeling of die forging process are presented on the example of forming of crank shaft forging. Two variants of forging of this crank shaft were analyzed: in single system (from a preform rolled by means of cross-wedge rolling) and in double configuration (directly formed from the bar). The analytical possibilities, which resulted from the application of finite element method and numerical modeling in the analysis of complex forging processes with flash, were discussed. At the same time disadvantages of modeling of metal forming processes in commercial software MSC.SuperForm and QForm 3D were analyzed. Słowa kluczowe: kucie matrycowe, korbowód, MES, modelowanie numeryczne Key words: closed die forging, crank shaft, FEM 1. WSTĘP Jednymi z głównych celów modernizacji przemysłu kuźniczego są ulepszanie obecnie stosowanych technologii oraz opracowywanie nowych metod wytwarzania. DąŜy się przy tym do uzyskiwania wyrobów o bardzo dobrych właściwościach mechanicznych oraz dokładnych wymiarach i jakości powierzchni, maksymalnie zbliŝonych do wyrobów gotowych. Nowoczesny proces kuźniczy powinien takŝe odznaczać się niskimi kosztami wytwarzania, duŝą wydajnością, wysoką jakością oraz oszczędnością w wykorzystaniu materiału. Osiągnięcie wspomnianych celów wymaga stosowania technik komputerowych, głównie na etapie projektowania procesu produkcyjnego. UŜyteczność stosowania komputeryzacji wzrasta w przypadkach procesów złoŝonych, w których występują problemy z doborem parametrów technologicznych procesu kucia gwarantujących optymalny przebieg kształtowania odkuwki. Takim skomplikowanym procesem jest niewątpliwie kucie matrycowe korbowodów. Zastosowanie symulacji numerycznej w analizie kucia matrycowego ma wiele zalet w stosunku do tradycyjnego procesu projektowania technologii, bazującego na wykonywaniu prób technologicznych. Zalicza się do nich przede wszystkim: stosunkowo niski koszt wdroŝenia, uniwersalność, moŝliwość wielokrotnego powtarzania obliczeń w celu zweryfikowania róŝnych wariantów procesu technologicznego oraz krótki czas opracowania nowej technologii. Obecnie najlepsze moŝliwości w zakresie modelowania komputerowego daje metoda elementów skończonych (MES). Cha-
2 24 Z. Pater rakter procesu kucia matrycowego, w większości przypadków, wymusza zastosowanie w obliczeniach pełnego modelu trójwymiarowego (3D). Najtrudniejsze jest tutaj modelowanie kucia z wypływką, gdzie prawidłowe odwzorowanie kształtu odkuwki i wypływki wymaga analizy bardzo duŝej liczby elementów i parametrów technologicznych. W niniejszym artykule, na przykładzie kucia matrycowego odkuwki korbowodu (rys. 1), przedstawiono wykorzystanie symulacji numerycznej w projektowaniu procesów kuźniczych. Zwraca się równieŝ uwagę na niedogodności wynikające ze stosowania w takiej analizie programów komercyjnych, słuŝących do modelowania procesów kształtowania plastycznego brył. A 8,4 A-A R1 4 O 4,5 11,2 R5 14 O 61 R3 1 O Rys. 1. Odkuwka korbowodu z zaznaczonymi waŝniejszymi wymiarami R11,9 Fig. 1. Crank shaft forging with most important dimensions A 22,3 2. KUCIE MATRYCOWE ODKUWKI KORBOWODU W UKŁADZIE POJE- DYNCZYM 2.1. Konstrukcja przedkuwki Do prawidłowego zaprojektowania procesu kucia matrycowego odkuwki korbowodu konieczne jest ustalenie objętości odkuwki oraz kształtu przedkuwki. Na podstawie analizy modelu wirtualnego odkuwki korbowodu ustalono objętość odkuwki V = 43775 mm 3 oraz powierzchnię przekroju w płaszczyźnie podziału S = 3149 mm 2. Uwzględniając te dane wyznaczono wysokość rowka wypływki h = 1 mm. Następnie, postępując wg powszechnie stosowanego schematu, podanego np. w opracowaniach [1, 2], wyznaczono wykres przekrojów poprzecznych odkuwki oraz przedkuwki idealnej (rys. 2b). Na jego podstawie sporządzono wykres średnic przedkuwki idealnej (rys. 2c). a) b) Pole przekroju [mm ] c) Promień [mm] 9 8 7 6 5 4 3 2 1 2 1 Odkuwka Przedkuwka idealna 2 4 6 8 1 Odległość [mm] 2 4 6 8 1 Odległość [mm] Rys. 2. Kształt przedkuwki idealnej korbowodu: a) odkuwka, b) wykres przekrojów poprzecznych, c) wykres średnic przedkuwki idealnej (zarys przedkuwki idealnej) Fig. 2. Design of ideal preform shape of crank shaft: a) forging; b) diagram of cross sections; c) outline of ideal preform Korzystając z uzyskanych danych zaprojektowano przedkuwkę rzeczywistą (rys. 3). Zało- Ŝono, Ŝe będzie ona wykonywana metodą walcowania poprzeczno-klinowego (WPK). Wprowadzone zmiany kształtu przedkuwki idealnej sprowadziły się do zastąpienia krzywizn łukami i odcinkami w ten sposób, by wy-
Analiza numeryczna procesu kucia matrycowego... 25 konanie oprzyrządowania do walcowania nie było zbytnio utrudnione. Rys. 3. Przedkuwka rzeczywista, wykonywana metodą walcowania poprzeczno-klinowego (WPK) Fig. 3. Real preform obtained by means of CWR 2.2. Analiza procesu walcowania poprzecznoklinowego (WPK) przedkuwki korbowodu Przedkuwkę korbowodu moŝna walcować stosując dwa warianty: walcowanie w układzie pojedynczym lub walcowanie w układzie podwójnym. W pierwszym z nich występuje konieczność odcięcia od pręta wyjściowego części materiału przedkuwki od strony głowy kulistej, gdzie utworzy się lej czołowy. Znacznie korzystniejszy jest wariant w układzie podwójnym, kiedy walcuje się jednocześnie dwie przedkuwki, połączone ze sobą częściami kulistymi. Nie ma wówczas strat materiałowych przy wykonywaniu przedkuwki. Ponadto zwiększa się wydajność oraz korzystniejszy jest rozkład sił osiowych występujących w procesie walcowania przedkuwki, ze względu na symetrię wyrobu walcowanego. 25 Klin kształtujący β NóŜ rozcinający 44 1 1 Rys. 4. Segment klinowy do walcowania poprzecznoklinowego (WPK) dwóch przedkuwek korbowodu równocześnie Fig. 4. Wedge segment for cross-wedge rolling of two preforms 67 α Klinowy segment narzędziowy do walcowania przedkuwki w tym wariancie kształtowania pokazano na rys. 4. ZałoŜono przy tym kąt kształtujący α = 31,5 i kąt rozwarcia klina β = 6,5. Za strefą kalibrowania umieszczano nóŝ rozcinający, którego zadaniem jest rozdzielenie odwalcowanych przedkuwek. W celu sprawdzenia moŝliwości zastosowania procesu walcowania przedkuwek metodą WPK wykonano symulację numeryczną. W Katedrze Komputerowego Modelowania i Technologii Obróbki Plastycznej (KKMi- TOP) Politechniki Lubelskiej do modelowania procesów kształtowania plastycznego wykorzystywane są dwa programy komercyjne: MSC.SuperForm i QForm 3D. Wykonane próby obliczeniowe wykazały, Ŝe stosowanie programu QForm 3D do modelowania procesów walcowania (WPK) prowadzi do znacznych błędów w kinematyce płynięcia metalu. Natomiast skuteczność wykorzystania oprogramowania MSC.SuperForm w modelowaniu procesów walcowania poprzecznego i skośnego była wielokrotnie potwierdzana, np. w pracach badawczych [3-5] wykonanych przy udziale autora. Zatem ostatecznie w obliczeniach zastosowano oprogramowanie MSC.SuperForm 25. W obliczeniach przyjęto, Ŝe: kliny przemieszczają się w kierunkach przeciwnych z prędkością v =,25 m/s, wsadem do walcowania jest pręt o wymiarach 32x15 mm, temperatura wsadu wynosi 115 C a temperatura narzędzi równa jest 2 C. Współczynnik wymiany ciepła miedzy metalem a narzędziami wynosi 5 kw/m 2 K, zaś czynnik tarcia (ze względu na stosowanie nacięć technologicznych) przyjmuje wartość graniczną m = 1,. Model materiału (stal w gatunku 1Cr6), z którego kuta jest odkuwka korbowodu, zaczerpnięto z biblioteki programu. Na podstawie wykonanych obliczeń uzyskano moŝliwość dokładnego prześledzenia zmian kształtu przedkuwki zachodzących w czasie walcowania. Na rys. 5, na którym przedstawiono prognozowaną zmianę kształtu materiału walcowanego, zamieszczono równieŝ widok klina, celem ułatwienia interpretacji wyników. W efekcie wykonanej symulacji numerycznej stwierdzono jednoznacznie, Ŝe stosując metodę walcowania poprzeczno-klinowego (WPK), moŝna walcować przedkuwki korbo-
26 Z. Pater wodu o kształcie nie odbiegającym od zało- Ŝonego. W pierwszej kolejności zasymulowano proces kucia odkuwki korbowodu w programie MSC.SuperForm 25. JednakŜe, pomimo wielu prób nie udało się tych obliczeń zakończyć z wynikiem pozytywnym. W momencie, gdy metal zaczynał wpływać do rowka wypływki, pomimo zwiększania liczby elementów, nie moŝna było uzyskać zakładanej zbieŝności. Postanowiono zatem wykonać symulację numeryczną w programie QForm 3D. Ze względu na fakt, iŝ nie moŝna było przenieść historii odkształcenia z jednego programu do drugiego, wykonano obliczenia przyjmując kształt materiału wyjściowego do kucia zgodny z otrzymanym w symulacji procesu walcowania poprzeczno-klinowego (WPK) przedkuwki korbowodu. Przedkuwka walcowana Operacja 1 spęczanie przedkuwki Operacja 2 kucie w wykroju matrycującym Rys. 5. Zmiana kształtu przedkuwki kształtowanej, w układzie podwójnym, metodą walcowania poprzeczno-klinowego (WPK) Fig. 5. Progression of preform shape rolled in double system by means of CWR 2.3. Analiza procesu kucia odkuwki korbowodu Odkuwka korbowodu z wypływką Rys. 6. Zmiany kształtu odkuwki korbowodu, kutej pojedynczo Fig. 6. Changes of shape of crank shaft forging, formed in single system
Analiza numeryczna procesu kucia matrycowego... 27 Przyjęto, Ŝe kucie realizowane będzie na prasie korbowej o nacisku 6,3 MN w dwóch operacjach. W pierwszej nastąpi spęczenie przedkuwki na wysokość 25 mm celem ułatwienia ułoŝenia w wykroju matrycującym, a w drugiej kucie matrycowe. W obliczeniach przyjęto następujące załoŝenia: przedkuwka ma jednakową temperaturę 11 C, czynnik tarcia na powierzchni kontaktu materiału i narzędzia wynosi,4, a temperatura matryc jest stała i wynosi 3 C. Na rysunku 6 przedstawiono zmiany kształtu odkuwki korbowodu obliczane numerycznie w programie QForm 3D. Z przebiegu procesu kucia pokazanego na rysunku wynika, Ŝe odkuwka korbowodu ma prawidłowy kształt, nie występują zakucia, a wypływka rozłoŝona jest równomiernie na obwodzie odkuwki, co świadczy o prawidłowo zaprojektowanym kształcie przedkuwki. Na rysunku 7 przedstawiono rozkład siły kucia. Siła kucia osiąga wartość maksymalną około 4,5 MN. Jest ona mniejsza o około 3% od maksymalnej siły nacisku prasy korbowej przewidzianej do kucia odkuwki korbowodu. Z uzyskanych wyników symulacji wynika, Ŝe proces kucia na wybranej maszynie kuźniczej powinien być zrealizowany bez zakłóceń. 3. KUCIE MATRYCOWE ODKUWKI KORBOWODU W UKŁADZIE PO- DWÓJNYM Ze względu na charakterystyczny kształt przedkuwki (rys. 3) moŝliwe jest kucie dwóch odkuwek korbowodu jednocześnie. Odpowiednie ułoŝenie części kulistych i trzonów dwu odkuwek względem siebie powoduje praktycznie wyrównanie przekroju poprzecznego na całej długości kształtowanych odkuwek. W takim przypadku moŝliwe staje się kucie odkuwek z pręta bez konieczności wykonywania przedkuwki. Materiałem wyjściowym przy kuciu korbowodu w układzie podwójnym moŝe być pręt o wymiarach 3x16 mm, nagrzewamy do temperatury początkowej 115 C. 5 4 a) Siła kucia [MN] 3 2 1 5 1 15 2 25 Odległość między matrycami [mm] Rys. 7. Rozkład siły kucia podczas kształtowania pojedynczej odkuwki korbowodu Fig. 7. Distributions of forging load during forming of single crank shaft forging b) Rys. 8. Widok matryc dolnej (a) i górnej (b) zastosowanych w analizie procesu kucia odkuwki korbowodu w układzie podwójnym Fig. 8. View of lower die (a) and upper die (b) applied in the analysis of forging of crank shaft in double system
28 Z. Pater Pręt wyjściowy 3 x 16 Operacja 1 prasowanie boczne pręta moŝliwość jednoczesnego kucia dwóch odkuwek korbowodu. Świadczy o tym symulacja zmiany kształtu odkuwek pokazana na rysunku 9. JednakŜe zwiększenie objętości kształtowanej odkuwki powoduje wzrost siły kucia do około 8 MN (rys. 1). Realizacja kucia odkuwek korbowodu w układzie podwójnym wymagać będzie zastosowania prasy korbowej o nacisku nominalnym 1 MN. 8 Operacja 2 kucie w wykroju matrycującym Siła kucia [MN] 7 6 5 4 3 2 1 5 1 15 2 25 Odległość między matrycami [mm] Rys. 1. Rozkład siły kucia podczas jednoczesnego kształtowania dwóch odkuwek korbowodu Fig. 1. Distribution of forging load during forming of two crank shaft forgings simultaneously 4. PODSUMOWANIE Odkuwki korbowodu z wypływką Rys. 9. Zmiany kształtu odkuwki korbowodu, kutej w układzie podwójnym Fig. 9. Progression of shape of crank shaft forging, formed in double system Kucie realizowane jest w dwóch operacjach. W pierwszej następuje spęczanie pręta na wysokość 25 mm. Natomiast w drugiej wykonywane jest kształtowanie w wykroju matrycującym, w matrycach pokazanych na rys. 8. Wykonana symulacja w systemie QForm 3D, przy parametrach identycznych jak podczas kucia pojedynczego, potwierdziła Przedstawione w artykule wyniki stanowią przykład zastosowania technik komputerowych w analizie numerycznej złoŝonych procesów kucia matrycowego. Wykazano niedogodności zastosowanych w obliczeniach programów komercyjnych, wykorzystywanych w KKMi- TOP Politechniki Lubelskiej, uniemoŝliwiające wykonanie dokładnej analizy procesów kucia matrycowego z badaniem historii odkształcenia. Wynika to z faktu, Ŝe jedne programy bardziej sprawdzają się w modelowaniu procesów walcowania poprzecznego i skośnego, a inne w modelowaniu kucia matrycowego. Równocześnie jednak stwierdzono, Ŝe analiza numeryczna i modelowanie najbardziej złoŝonych procesów kształtowania plastycznego są realne i to z zastosowaniem komputerów osobistych. W najbliŝszej przyszłości autor planuje sprawdzenie moŝliwości zastosowania innych
Analiza numeryczna procesu kucia matrycowego... 29 pakietów programów komputerowych, w szczególności DEFORM-3D, w modelowaniu numerycznym procesów kształtowania plastycznego brył. LITERATURA [1] Wasiunyk P.: Kucie matrycowe. Warszawa: Wyd. WNT 1987 [2] Muster A.: Kucie matrycowe. Projektowanie procesów technologicznych. Warszawa: Wyd. Politechniki Warszawskiej 22 [3] Gontarz A., Łukasik K., Pater Z., Weroński W.: Technologia kształtowania i modelowanie nowego procesu wytwarzania wkrętów szynowych. Lublin: Wyd. Politechniki Lubelskiej 23 [4] Pater Z.: Podstawy teoretyczne i badania eksperymentalne procesu walcowania klinoworolkowego. Poznań: Wyd. Instytutu Obróbki Plastycznej 27 [5] Pater Z., Gontarz A., Weroński W.: Analiza moŝliwości zastosowania walcowania poprzecznoklinowego do wytwarzania korpusów noŝy obrotowych. W: Badania teoretyczno-technologiczne procesów plastycznego kształtowania metali. Lublin: Wyd. Politechniki Lubelskiej 24, s. 13-41