WALCOWANIE POPRZECZNO-KLINOWE ODKUWEK O PRZEKROJU POPRZECZNYM RÓNYM OD KOŁOWEGO

Obróbka Plastyczna Metali Nr 2, 2005 Procesy kształtowania objtociowego dr hab. in. Zbigniew Pater, prof. PL, mgr in. Janusz Tomczak Politechnika Lubelska, Lublin WALCOWANIE POPRZECZNO-KLINOWE ODKUWEK O PRZEKROJU POPRZECZNYM RÓNYM OD KOŁOWEGO Streszczenie W artykule przedstawiono rezultaty analizy numerycznej procesów walcowania poprzeczno-klinowego (WPK) czci o przekroju poprzecznym rónym od kołowego. Analizowano dwa przypadki kształtowania przebiegajce przy rónych parametrach procesu. W obliczeniach zastosowano oprogramowanie MSC.SuperForm 2005, bazujce na MES. Szczegółowo omówiono zagadnienia zwizane z projektowaniem kształtu narzdzi klinowych. Podano obliczon progresj kształtu wyrobów podczas walcowania, stan odkształcenia, rozkłady sił oraz mapy temperatur. Słowa kluczowe: walcowanie poprzeczno-klinowe, MES, narzdzia 1. Wprowadzenie Walcowanie poprzeczno-klinowe (WPK) jest nowoczesn technologi wytwórcz wyrobów typu stopniowanych osi i wałów. W procesie tym dwa lub trzy kliny (umieszczane na walcach bd płaskich płytach walcarek) wcinaj si we wsad kształtujc wyrób (odkuwk), charakteryzujcy si symetri osiow. Typowe odkuwki wytwarzane t technologi posiadaj powierzchnie walcowe, stokowe i sferyczne [1-2]. Moliwoci technologiczne WPK mog by rozszerzone w efekcie takiego skalibrowania narzdzi (klinów), które umoliwia bdzie walcowanie odkuwek o przekroju poprzecznym rónym od kołowego. Przykładem takiego rozwizania moe by nowa technologia walcowania gwintu na wkrtach kolejowych rys. 1, w której zastosowano proces WPK [3]. Wytwarzanie gwintu wg nowej technologii wymaga stosowania segmentów klinowych, na powierzchni których nacito rowki słuce do kształtowania poszczególnych zwojów gwintu. Kt γ jaki tworz rowki (rys. 2) z kierunkiem przemieszczania klinów równy jest ktowi nachylenia linii rubowej kształtowanego gwintu. W efekcie takiego rozwizania metod WPK walcowana jest odkuwka, której przekrój poprzeczny (pokazany na rys. 1) jest róny od kołowego. Rys. 1. Wkrt szynowy P49A, którego cz gwintowa kształtowana jest metod WPK

γ Rys. 2. Narzdzie klinowe słuce do walcowania gwintu wkrtów szynowych, kształtowanych w układzie podwójnym W ramach prezentowanego opracowania przedstawia si nowe rozwizania narzdzi (klinów), których zastosowanie umoliwi kształtowanie stopni wałków o przekrojach rónych od kołowego (np. owalnych, kwadratowych, szecioktnych, prostoktnych i innych). Ponadto bazujc na opracowanej metodzie kalibrowania klinów moliwe bdzie równie kształtowanie technologi WPK stopni mimorodowych osi i wałów. 2. Kształtowanie powierzchni roboczej narzdzi Koncepcja rozwizania umoliwiajcego walcowanie wyrobów o praktycznie dowolnym przekroju bazuje na odpowiednim okresowym sprofilowaniu powierzchni kalibrujcych klina. Profil ten dobiera si w taki sposób by stanowił on obwiedni kształtowanego stopnia wałka. Poniej szczegółowo przedstawia si schemat postpowania zmierzajcego do okrelenia profilu narzdzi umoliwiajcych walcowanie stopnia odkuwki o przekroju kwadratowym. Na rys. 3 pokazano zarys kwadratowego przekroju poprzecznego stopnia odkuwki (o boku a = 18 mm), który zamierza si uzyska w procesie walcowania z wsadu o rednicy 30 mm. Ze wzgldu na podwójn symetri zarysu w analizowanym przypadku wystarczy wyznaczy profil narzdzia zapewniajcy wykonanie przez odkuwk ¼ obrotu, czyli o kt ϕ = 90. Przy czym na długoci narzdzia odpowiadajcej obrotowi odkuwki o kt ϕ = 45 nastpuje zmniejszenie gniotu bezwzgldnego od wartoci maksymalnej r = r a 2 do wartoci minimalnej r max min 0 = r a 0 2. Dalszemu obrotowi wyrobu (45 ϕ 90 ) towarzyszy za zwikszanie gniotu, przyrastajcego w sposób odwrotny do jego spadku obserwowanego w czasie poprzedniej 1/8 obrotu. Dlatego te w podanym przykładzie wystarczy ustali profil narzdzia na długoci odpowiadajcej obrotowi odkuwki o kt 45. Kt ten dzieli si na n równych czci, z czego wynika podział ktowy ϕ równy Zarys przekroju po walcowaniu Zarys przekroju wsadu okraglego r 1 ϕ ϕ =. (1) n ϕ 45 0 1 2 3 4 5 r = 15 0 18 a = Rys. 3. Schemat ilustrujcy sposób wyznaczania gniotu bezwzgldnego r i, w procesach WPK wyrobów o przekroju poprzecznym rónym od kołowego

Nastpnie okrela si warto gniotu bezwzgldnego r i, w płaszczyznach wzdłunych okrelonych kolejnymi liniami i = 0,1,2.... W analizowanym przykładzie jest to r i a = r 0 2 cos. (2) ( i ϕ ) O wyliczon warto r i naley obniy powierzchni kalibrujc narzdzia (w sposób pokazany na rys. 4) przyjmujc jednoczenie, e odległo x i (okrelajca przemieszczenie klina w trakcie wykonywania przez odkuwk obrotu o kt ϕ) mo- e by obliczona na podstawie nastpujcej zalenoci: x = ϕ, (3) i r t gdzie: r t promie toczny odkuwki. Warto promienia tocznego ulega zmianie w trakcie procesu WPK i jest zalena m.in. od wartoci któw klina (kształtujcego α i rozwarcia β), zastosowanego stopnia gniotu δ oraz temperatury kształtowanego metalu T [4-5]. W przypadkach, gdy odkuwka poza stref kształtowania toczy si po klinie, z pewnym uproszczeniem mona przyjmowa, e promie toczny r t równy jest promieniowi wsadu r 0. Stosujc takie uproszczenie mona ju bez wikszych problemów zaprojektowa kliny umoliwiajce odwalcowanie stopni odkuwki o przekroju kwadratowym. Oczywi- cie przystpujc do prac projektowych w pierwszej kolejnoci naley ustali wartoci któw α i β klinów, które dobiera si w sposób identyczny jak w klasycznych procesach WPK opisany np. w pracach [6, 7]. Znajomo któw α i β umoliwia wykonanie projektu narzdzi. Omówienie kolejnoci prac zwizanych z konstrukcj narzdzi klinowych przedstawiono w oparciu o przestrzenny system komputerowo wspomaganego projektowania (CAD 3D). Pierwszy etap prac stanowi wykonanie bryły, której przekrój poprzeczny odpowiada zarysowi wzdłunemu kształtowanego przewenia. Wysoko profilu klina przyjmuje si za równ wartoci maksymalnej gniotu r max (w naszym przypadku wynosi ona r 0 -a/2) rys. 5a. Nastpnie profiluje si powierzchni kalibrujc klinów wycinajc w niej w sposób okresowy wgłbienia o zarysie z rys. 4, ustalonym na podstawie oblicze. Tak sprofilowane narzdzie pokazuje rys. 5b. Nastpnie startujc ze rodka wystpu odcina si (pod ktem β) jego cz płaszczyzn prostopadł do powierzchni podstawy narzdzia (rys. 5c). Rys. 4. Sposób profilowania powierzchni kalibrujcej klinów majcy na uzyskanie moliwoci kształtowania wyrobu o przekroju poprzecznym kwadratowym

Kolejny etap stanowi sfazowanie, pod ktem α do podstawy, powierzchni pionowej uzyskanej w poprzedniej operacji. W wyniku takiego zabiegu uzyskuje si powierzchni kształtujc klina, jednoznacznie okrelon przez kty α i β (rys. 5d). Dalsze prace projektowe dotycz wykonania (w sposób analogiczny do omówionego poprzednio) powierzchni kształtujcej na drugiej połowie narzdzia (rys. 5e). Wprowadzenie promieni zaokrgle krawdzi roboczych oraz dodanie sfazowa umoliwiajcych płynne zejcie odkuwki z klinów koczy konstrukcj klina. r max β Rys. 5. Schemat ilustrujcy sposób konstruowania narzdzia klinowego, zabezpieczajcego walcowanie odkuwki z kwadratowym przekrojem poprzecznym a) b) c) d) e) 3. Weryfikacja numeryczna Dla sprawdzenia moliwoci wytwarzania metod WPK odkuwek posiadajcych stopnie o przekroju poprzecznym rónym od kołowego wykorzystano modelowanie numeryczne, bazujce na metodzie elementów skoczonych (MES). Obliczenia wykonano stosujc komercyjny pakiet oprogramowania MSC.SuperForm 2004, wykorzystujcy rezprezentacj przemieszczeniow MES. Skuteczno zastosowania tego oprogramowania w badaniach procesu WPK, potwierdzona była wielokrotnymi weryfikacjami dowiadczalnymi realizowanymi zarówno w warunkach laboratoryjnych jak i przemysłowych [8-10] Na rys. 6 przedstawiono model geometryczny narzdzi oraz wsadu opracowany dla procesu WPK wałka posiadajcego centralny stopie o przekroju kwadratu. Narzdzia projektowano w systemie CAD 3D Solid Edge, a nastpnie eksportowano do programu MSC.SuperForm 2004. Przyjto nastpujce główne parametry narzdzia klinowego: kt kształtujcy α = 30, kt rozwarcia klina β = 5. Załoono, e w trakcie procesu walcowania przemieszczaj si ruchem posuwistym obydwa kliny, z t sam prdkoci równ 0,2 m/s. Przyjto, e wsadem do walcowania jest odcinek prta o wymiarach 30 x 45 mm. W obliczeniach załoono, e materiał z którego wykonywana jest odkuwka to stal w gatunku C45. Model materiałowy tej stali przyjto z biblioteki zastosowanego oprogramowania MES. Przyjto, e materiał przed walcowaniem jest nagrzewany do temperatury 1100 C, za temperatura klinów jest jednakowa i wynosi 150 C. Pozostałe parametry przyjte w obliczeniach to: współczynnik wymiany ciepła midzy materiałem a otoczeniem 350 W/m 2 K, współczynnik wymiany ciepła midzy materiałem a narzdziami 10000 W/m 2 K oraz temperatura otoczenia 30 C. Ze wzgldu na polizgi metalu po powierzchniach narzdzi w obliczeniach zastosowano model tarcia stałego uzaleniony od prdkoci polizgu. Model ten opisuje zaleno:

Rys. 6. Opracowany na potrzeby oblicze MES model geometryczny procesu WPK odkuwki o przekroju poprzecznym kwadratowym v p v p τ = mk arctg, (4) a p v p gdzie: m czynnik tarcia, k granica plastycznoci materiału przy czystym cinaniu, v p - wektor prdkoci polizgu, a p współczynnik o kilka rzdów mniejszy od prdkoci polizgu. W biecej analizie, bazujc na rezultatach prac badawczych opisanych w pracy [3], przyjto graniczn warto czynnika tarcia m = 1. Na podstawie wykonanych oblicze przeledzono zmiany kształtu odkuwki zachodzce w trakcie procesu walcowania. Na rys. 7 przedstawiono progresj kształtu odkuwki w zalenoci od czasu trwania procesu. Z rysunku tego wynika, e pocztkowo proces walcowania odkuwki o przekroju kwadratowym przebiega w sposób identyczny jak podczas walcowania typowego. Mianowicie kliny wcinaj si w materiał kształtujc na jego obwodzie rowek klinowy. Przy czym wówczas w obszarze kształtowanego przewenia odkuwka ulega silnej owalizacji, charakterystycznej dla procesów WPK. Jest to szczególnie widoczne na rys. 8 (dla czasu t = 0,2 s), na którym pokazano jak zmienia si przekrój poprzeczny odkuwki, w jej płaszczynie symetrii. W momencie, gdy w kontakt z materiałem wchodzi cz narzdzia z wykonanym naciciem obserwuje si, e materiał zostaje wcinity w narzdzie. W ten sposób kształtowane s naroa przekroju, przy czym ze wzgldu na obtaczanie odkuwki po powierzchni narzdzi w dalszej fazie procesu naroa te ulegaj zaokrgleniu co uznaje si za cech charakterystyczn tej metody kształtowania. Korzystajc z rys. 7 i 8 mona wstpnie okreli jak rozkładaj si odkształcenia w odkuwce walcowanej. Stwierdza si warstwowy rozkład odkształce, które układaj si w ten sposób, e w warstwach powierzchniowych wystpuj odkształcenia najwiksze i zmniejszaj si w kierunku do osi odkuwki. Na uwag zasługuje fakt, e kształt poszczególnych warstw jest zbliony do zarysu przekroju poprzecznego, czyli kwadratu o zaokrglonych naroach. Na rys. 9 przedstawiono rozkład siły walcowania obliczony w ramach analizy MES. Z danych zamieszczonych na tym rysunku wynika, e siła ta charakteryzuje si du zmiennoci, zwikszajc si w miar wzrostu zaawansowania procesu. Taki rozkład siły wynika ze zmieniajcego si w trakcie procesu gniotu. W przypadku gdy gniot ten jest najwikszy maksimum lokalne uzyskuje równie siła walcowania. Natomiast, gdy r osiga warto minimaln, to równie i siła kształtowania jest najmniejsza. Zatem podczas walcowania odkuwki o przekroju kwadratowym jednemu jej obrotowi odpowiada bd cztery cykle zmian siły walcowania.

5,0 4,5 4,0 t=0,0 s 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 t=0,5 s 1,0 0,5 0,0 t=1,0 s t=1,5 s t=2,0 s Rys. 7. Obliczona MES progresja kształtu oraz rozkład intensywno ci odkształcenia w odkuwce o przekroju poprzecznym kwadratowym Nale y zauwa y, e taki cykliczny rozkład siły nie ma miejsca w typowych procesach WPK i nale y go uzna za kolejn cech charakterystyczn analizowanych procesów walcowania. Stosuj c podany sposób kalibrowania narz dzi mo na równie zaprojektowa kliny, które b d kształtowa odkuwk o przekroju owalnym zmieniaj cym si w zale no ci od współrz dnej osiowej z tego przekroju (rys. 10). W takim przypadku prace projektowe (w sposób opisany w punkcie 2) przeprowadza si oddzielnie dla dwóch skrajnych przekrojów kształtowanego przew enia. Na rys. 11 pokazano projekt klina zabezpieczaj cego wykonawstwo odkuwki o zakładanym kształcie. Natomiast rys. 12 przedstawia progresj kształtu odkuwki z rys. 10, obliczon w wyniku wykonanej symulacji numerycznej. Z rysunku tego wynika, e zastosowanie metody WPK jest w pełni uzasadnione do kształtowania odkuwek z owalnym przekrojem poprzecznym. Na rys. 12 pokazano równie jak zmienia si siła kształtowania podczas walcowania sto kowej, owalnej cz ci odkuwki. Widoczne jest, e w tym przypadku siła ta równie oscyluje, ale oscylacje te nie s a tak widoczne jak w przypadku walcowania odkuwki o przekroju kwadratowym. Fakt ten tłumaczy si płynn zmian kształtu nacinanego profilu, która w sposób znacz cy ogranicza nagłe skoki warto ci siły. Na rys. 13 pokazano finalny kształt odkuwki wraz z trzema wybranymi przekrojami poprzecznymi. Analiza kształtów tych przekrojów wskazuje, e odbiegaj one nieznacznie od zakładanego do uzyskania kształtu owalu. Dodatkowo w strefie centralnej obserwuje si nieznaczne skr cenie tego przekroju w stosunku do skrajnych cz ci przew enia. Nale y jednak e zauwa y, e zaobserwowane niedokładnoci wykonania s nieistotne, gdy planowane jest wykorzystywanie tego schematu walcowania przy wytwarzaniu przedkuwek, gdzie tolerancje wykonawcze s szerokie. Ciekawe spostrze enia nasuwaj si z analizy danych przedstawionych na rys. 14, na którym pokazano obliczony rozkład temperatur w owalnej odkuwce sto kowej. Z rysunku tego wida, e najni sze temperatury ma metal w strefie przypowierzchniowej, w której stykał si on z powierzchni narz dzi. Jednak e pomimo stosunkowo długiego czasu kształtowania (2,5 s) temperatura ta nadal mie ci si w zakresie zalecanym przy kształtowaniu tej stali, w warunkach obróbki plastycznej na gor co. Fakt ten jest niew tpliwie skutkiem zamiany pracy tarcia oraz odkształcenia plastycznego na ciepło, co rekompensuje w pewnym stopniu straty ciepła odprowa-

t=0,2 s t=0,4 s t=0,6 s t=0,8 s 0,0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 2,4 2,7 3,0 Rys. 8. Rozkład intensywnoci odkształcenia w przekroju poprzecznym odkuwki, pokrywajcym si z płaszczyzn symetrii 60000 50000 40000 Siła [N] 30000 20000 10000 0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 Czas [s] Rys. 9. Obliczony rozkład siły działajcej na klin w procesie walcowania odkuwki o przekroju poprzecznym kwadratowym

Rys. 10. Podstawowe wymiary odkuwki analizowanej w drugim przykładzie obliczeniowym 74,6 8,41 30 30 6,45 120 525 81,4 5 2,9 Rys. 11. Główne parametry narzdzia klinowego słucego do kształtowania odkuwki z rys. 10

Rys. 12. Progresja kształtu, rozkład intensywnoci odkształcenia i siła kształtowania w procesie WPK odkuwki posiadajcej stopie stokowy o przekroju owalnym Rys. 13. Obliczone kształt i rozkład intensywnoci odkształcenia odkuwki z rys. 10, kształtowanej metod WPK

[ C] 1090 1075 1060 1045 1030 1015 1000 985 970 955 940 Rys. 14. Obliczony rozkład temperatury, w odkuwce z rys. 10, po procesie WPK dzanego do narzdzi. Równoczenie w strefie osiowej metal ma temperatur najwysz, co równie jest korzystne. Bowiem w tej czci wyrobu najczciej dochodzi do utworzenia pkni wewntrznych. Jednake zgodnie z rezultatami prac [11] prawdopodobiestwo wystpienia tych pkni maleje wraz ze wzrostem temperatury kształtowanego metalu. W opracowaniu omówiono metodyk projektowania narzdzi klinowych, których uycie umoliwia walcowanie odkuwek o przekroju poprzecznym rónym od kołowego. Słuszno zaproponowanej koncepcji kształtowania wykazano w drodze symulacji numerycznych dwóch przypadków walcowania poprzeczno-klinowego (WPK), w których kształtowano wyroby o przekroju kwadratowym i owalnym. Na podstawie wykonanych oblicze stwierdzono, e ze wzgldu na zmieniajcy si w trakcie walcowania gniot w omawianych procesach walcowania wystpuj oscylacje siły. Ponadto, cigłe obtaczanie odkuwki po powierzchni narzdzi klinowych uniemoliwia wykonanie t metod wyrobów, których przekrój poprzeczny posiadał bdzie naro- a zakoczone na ostro. W najbliszej przyszłoci planowane jest wykonanie bada dowiadczalnych weryfikujcych opisan now metod walcowania poprzeczno-klinowego. 4. Podsumowanie Literatura [1] Pater Z., Weroski W.: Podstawy procesu walcowania poprzecznoklinowego, Wyd. Politechniki Lubelskiej, Lublin 1996 [2] Fu X. P., Dean T. A. Past developments, current applications and trends in the cross wedge rolling process. International Journal of Machinery Tools Manufacture Design, Research and Application 1993 vol. 33 s. 367 400 [3] Gontarz A., Łukasik K., Pater Z., Weroski W.: Technologia kształtowania i modelowanie nowego proce-

su wytwarzania wkrtów szynowych. Wyd. Politechniki Lubelskiej, Lublin 2003 [4] Chao-Fu Z. Method of determining the rolling radius of workpiece for cross wedge rolling process. W: Proceedings of 2 nd International Conference on Rotary Metalworking Processes October 6 th 8 th 1982, Stratford upon Avon UK s. 27 32 [5] Pater Z., Weroski W. Kinematyka płynicia materiału oraz promie toczny w procesach walcowania poprzeczno klinowego. Obróbka Plastyczna Metali 1995 nr 4 s. 17 26 [6] Pater Z., Gontarz A., Weroski W.: Wybrane zagadnienia z teorii i technologii walcowania poprzecznoklinowego, Wyd. LTN, Lublin 2001 [7] Pater Z. Strategia doboru parametrów narzdzi do walcowania poprzeczno klinowego. W: Mat. Konferencji Metal Forging 99 20-22 wrzesie 1999, Czstochowa - Kokotek s. 135-145 [8] Pater Z., Gontarz A., Łukasik K., Weroski W.: Modelirovanie processov popereno klinovoj prokatki. Wyd. NUPT, Kiev 2003 [9] Dong Y., Lovell M., Tagavi K. Analysis of slip in cross wedge rolling: an experimentally verified finite element model. Journal of Materials Processing Technology 1998 vol. 80 81 s. 273 281 [10] Bartnicki J., Pater Z. The aspects of stability in cross-wedge rolling processes of hollowed shafts. Journal of Materials Processing Technology 155-156 (2004), s. 1867-1873 [11] Andreev G. V., Klušin V. A., Makušok E. M., Segal V. M., Šukin V. Ja. Popereno klinovaja prokatka. Minsk: Nauka i Technika 1974 CROSS WEDGE ROLLING OF PARTS WITH NON - CIRCULAR CROSS SECTION Abstract In this paper, the results of numerical calculations of the forming of parts with non circular cross section by cross wedge rolling method (CWR) are presented. Two variants of this type of forming with different process parameters were analyzed. During numerical calculations software MSC. SuperForm 2004 was used. The schema of designing of wedge tools was discussed. In this work, the results of numerical analysis of CWR process, shape progression, state of strain, distribution of forces and temperature are shown. Key words: cross-wedge rolling, FEM, tools