Dodatkowe narzędzia i metody wspomagające analizę odkształcalności materiałów

Opracowana metodyka badawcza określania odkształcalności materiałów podczas kucia zakłada wykonanie testów w warunkach laboratoryjnych, a następnie, przyjmując warunki brzegowe na podstawie rejestracji parametrów, odzwierciedlenie prób fizycznych w symulacji komputerowej. Uzyskanie zgodności zmiany wybranych parametrów gwarantuje poprawność wyników. W celu dokładnego porównania rezultatów testów laboratoryjnych i symulacji numerycznej wykorzystywane są urządzenia precyzyjnie rejestrujące wybrane parametry próby.

Symulacja komputerowa

Symulacja komputerowa została wykonana w komercyjnym programie służącym do analizy procesów przeróbki plastycznej – QForm. Oprogramowanie bazuje na metodzie

elementów skończonych i jest powszechnie stosowane przez producentów odkuwek od początku lat 90-tych ubiegłego wieku.

W ramach prezentowanej metodyki symulacja numeryczna stosowana jest w kilku etapach pracy:

1. Analiza laboratoryjnego procesu kucia w celu określenia obszarów podatnych na pęknięcia. Analizując technologię określa się obszary niepożądanego płynięcia materiału, w którym mogą zostać osiągane lokalne wysokie wartości intensywności odkształcenia. Innym powodem jest wyznaczenie obszarów o niskiej temperaturze materiału, która może powodować tworzenie się stref o obniżonej odkształcalności.

2. Analiza testu odkształcalności materiału. Celem jest określenie poziomu niekorzystnego stanu naprężeń oraz wyznaczenie odkształcenia krytycznego prowadzącego do pękania w danych warunkach. Na tym etapie analizy porównanie wyników z badaniami laboratoryjnymi jest niezwykle istotne. Zestawiane są ze sobą: podstawowe wymiary próbek po teście (decyduje to o poprawności modeli płynięcia materiału), wykresy przebiegu siły, wykresy zmiany temperatury. Celem dokładnego odwzorowania warunków laboratoryjnych zakładany jest rzeczywisty przebieg krzywej zmiany prędkości trawersy maszyny w czasie procesu. Krzywa płynięcia materiału jest korygowana w oparciu o dane zarejestrowane w trakcie testu, przez system prasy hydraulicznej 500T.

a) b)

c) d)

Rys. 5.20. Przykład porównania wyników podczas analizy odkształcalności materiałów:

a) porównanie sił podczas procesu, b) porównanie zmian temperatury, c) porównanie kształtu próbek po teście.

3. Analiza technologii kucia pod kątem ryzyka pęknięć. W ostatnim etapie, w którym wykorzystywana jest symulacja numeryczna analizowana jest technologia kucia

i określane jest ryzyko pęknięcia. Jeżeli analiza bazuje na istniejącej technologii wyniki weryfikowane są w oparciu o rezultaty procesu przemysłowego. Gdy brana jest pod uwagę technologia niestosowana dotychczas w praktyce przemysłowej, krytyczne wartości określane są w oparciu o wyniki badań laboratoryjnych. Analizowany jest także wpływ zmiany parametrów procesu, uwzględniane są zmiany związane z kształtem narzędzi oraz wsadu.

Prasa 500T

Do badań związanych z odkształcalnością materiałów, jak również i do analizy zmian zachodzących pod wpływem zróżnicowanego stopnia przekucia wykorzystano laboratoryjną prasę hydrauliczną o nominalnej sile nacisku 500 ton (Prasa 500T). Maszyna służy do odkształcania materiałów w dwóch zakresach prędkości trawersy:

• tryb normalny: 0,5 – 50 mm/s (maksymalna siła nacisku 500 ton), • tryb izotermiczny: 0,01 – 0,5 mm/s (maksymalna siła nacisku 400 ton).

W skład stanowiska laboratoryjnego wchodzi:

• prasa pionowa z suwakiem głównym i trzema wyrzutnikami, • zespół akumulatorów hydraulicznych

• zbiornik oleju hydraulicznego z pompami i zaworami, • szafa systemu sterowania,

• pulpit operatorski,

• komputer do rejestracji zmiennych procesowych.

a) b) c)

Rys. 5.21. Wybrane elementy laboratorium prasy 500T: a) prasa pionowa z pulpitem operatorskim, b) układ akumulatorów, c) zbiornik oleju z pompami i zaworami.

Całkowity skok cylindra głównego prasy wynosi 300 mm, natomiast całkowity skok wyrzutników jest równy 150 mm. Cylinder główny posiada pomiar położenia i precyzyjne

sterowanie umożliwiające płynną regulację jego pozycji. Wyrzutnik główny (środkowy) podobnie jak cylinder posiada odpowiedni system pozwalający na kontrolę jego pozycji chwilowej. Wyrzutniki skrajne sterowane są dwustanowo – schowany/wysunięty.

Energii do pracy prasy dostarczają pompy hydrauliczne. Pompa P3 (sprzężona mechanicznie z P2, która odpowiada za cyrkulację, filtrację i chłodzenie oleju) zapewnia ciśnienie pomocnicze układu hydraulicznego oraz ciśnienie podstawowe w trybie pracy izotermicznej. Pompa P1 oraz zespół akumulatorów zapewniają zasilanie w trybie pracy normalnej prasy. Pompa P4 wykorzystywana jest wyłącznie w trakcie dojazdu narzędzia do materiału.

Prasa 500T stosowana jest do analizy procesów kucia swobodnego i matrycowego, wyciskania i tłoczenia w warunkach kształtowania na zimno, ciepło i gorąco. Wykonywane są badania uwzględniające zarówno nieskomplikowany kształt narzędzi i przerabianego materiału oraz próby w warunkach półprzemysłowych z wykorzystaniem matryc o skomplikowanej geometrii. Biorąc pod uwagę szeroki zakres prędkości prasy, możliwa jest analiza procesów przeprowadzanych na różnych maszynach kuźniczych. Zaawansowany system sterowania daje możliwość odkształcania materiału ze stałą prędkością odkształcenia. Możliwe jest śledzenia zmiany siły nacisku, temperatury, położenia oraz prędkości narzędzi ruchomych. Do stanowiska laboratoryjnego prasy 500T z łatwością można dołączyć piece do podgrzewania wsadu i narzędzi oraz urządzenia do kontrolowanej obróbki cieplnej bezpośrednio po kształtowaniu plastycznym na gorąco.

Digital Image Correlation System (DIC)

Celem zastosowania systemu DIC była analiza zmian pola odkształcenia na powierzchni próbek w trakcie testu. System składa się z dwóch kamer, monochromatycznego źródła światła, sterowników oraz oprogramowania. Wygląd urządzenia w bezpośrednim sąsiedztwie prasy hydraulicznej przedstawiono na rysunku 5.22.

Założono, że śledzenie zmian pól odkształceń w trakcie ściskania pozwoli na dokładne określenie miejsc ich koncentracji oraz dostarczy wielu informacji umożliwiających optymalizację warunków brzegowych do symulacji komputerowej testu. Analizom poddawano zarówno próbki cylindryczne, jak i prostopadłościenne odkształcane w różnych warunkach temperaturowych. Wykonanie analizy zmiany pól odkształceń związane jest ze specjalnym przygotowaniem powierzchni próbek, co w przypadku testów w podwyższonych temperaturach stwarza pewne trudności. Metodyka przygotowania próbek opisana jest dokładnie w podrozdziale 5.4.

Rys. 5.22. Podstawowe elementy zastosowanego systemu DIC.

Na rysunku 5.23 przedstawiono przykładowe pozycjonowanie próbki w układzie składającym się z jednej kamery. Przeanalizowano dwa położenia materiału. Zaletą pozycji 1) jest możliwość jednoczesnego obserwowania dwóch ścian bocznych odkształcanego elementu oraz jego krawędzi, w pobliżu której spodziewane jest pojawienie się pęknięcia. Położenie 2) stosowane jest w przypadku ustawień wywołujących pęknięcia na konkretnej ścianie próbki.

1)

2)

Rys. 5.23. Różne położenie próbek względem kamery sytemu DIC podczas odkształcania próbek prostopadłościennych.

Innym zastosowaniem systemu była sama rejestracja testu ściskania (bez analizy zmiany odkształcenia na powierzchni). Miało to na celu uchwycenie momentu pęknięcia próbki na podstawie jej pomiaru w trakcie ściskania. Na podstawie wyników określana była wartość odkształcenia krytycznego materiału w danych warunkach. Na rysunku 5.24 przedstawiono wykorzystanie systemu DIC do rejestracji testu ściskania próbki cylindrycznej w narzędziach

płaskich na prasie 500T. Próbka umieszczona jest w pozycji horyzontalnej co sugeruje, że spodziewane jest jej pęknięcie na powierzchni czołowej, skierowanej w stronę kamer systemu. Przykładowe wyniki tego typu pomiarów przedstawiono na rysunku 5.9.

a) b) c)

Rys. 5.24. Zastosowanie systemu DIC do rejestracji testu ściskania:

a) system DIC przy prasie 500T, b) przestrzeń robocza prasy z umieszczoną próbką cylindryczną, c) próbka po teście ściskania z widocznym pęknięciem.