Rozkład sił i momentu walcowania

Wykorzystując MES wyznaczono również siły i momenty działające na walce. Określenie parametrów siłowych procesu jest ważnym zagadnieniem w czasie opracowywania technologii. Poprawne wyznaczenie wielkości sił i momentów walcowania umożliwia odpowiedni dobór walcarki jak również prawidłowy kształt narzędzi roboczych. Cechą charakterystyczną zarejestrowanych rozkładów jest ich cykliczność, związana bezpośrednio ze specyfiką procesu walcowania skośnego. W analizowanych przypadku walcowania skośnego w wykrojach konwencjonalnych, podczas jednego pełnego obrotu zwój wykroju wcina się w materiał kształtowany, oddzielając objętość materiału potrzebną do kształtowania kuli co powoduje znaczny wzrost sił i momentów walcowania. Później materiał w kolejnej części wykroju przekształcany jest w kulę i to odpowiada spadkowi wartości siły i momentu walcowania.

Na poniższych rysunkach można zaobserwować omówioną cykliczność odpowiednio na wykresie siły (rys. 4.13) i wykresie momentu (rys. 4.14) w procesie walcowania kul według założeń konwencjonalnych.

88

Rys. 4.13. Rozkład siły działającej na narzędzia w procesie walcowania kul według założeń konwencjonalnych

Na wykresie zaprezentowane zostały przebiegi siły walcowania dla wszystkich czterech temperatur, w których przeprowadzane były symulacje procesu walcowania.

Maksymalne wartości sił, które działają na segmenty walców są stosunkowo niewielkie i wynoszą w temperaturze: 850°C – 150 kN, dla 950°C – niewiele przekraczają 120 kN, w 1050°C – maksymalna wartość nie przekracza 110 kN, natomiast w trakcie symulowania procesu w temperaturze 1150°C wartości maksymalnie nie przekraczają 90 kN w procesie walcowania kul według założeń konwencjonalnych.

Wyraźna jest zależność obniżania wartości siły ze wzrostem temperatury przeprowadzania procesu walcowania. Podwyższenie temperatury procesu o 300°C pozwala obniżyć siłę o około 60 kN. Pozwala to wnioskować, że wykroje będą ulegać mniejszemu zużywaniu w trakcie przeprowadzania procesu walcowania w wyższych temperaturach.

89

Rys. 4.14. Rozkład momentu walcowania w procesie walcowania kul według założeń konwencjonalnych

Na wykresie zaprezentowane zostały przebiegi momentu walcowania dla wszystkich czterech temperatur, w których przeprowadzane były symulacje procesu walcowania to znaczy w temperaturach: 850°C, 950°C, 1050°C oraz 1150°C.

Wartości maksymalne momentu obrotowego są stosunkowo niewielkie, dla temperatury 850°C nieznacznie przekraczają 3000 Nm, dla temperatury 950°C oraz 1050°C – 2500 Nm, natomiast moment walcowania w temperaturze 1150°C osiąga wartość maksymalną około 2000 Nm.

Dostrzec można jak w przypadku przebiegu siły w procesie walcowania kul według założeń konwencjonalnych, również zależność wartości momentu walcowania od temperatury. Wraz ze wzrostem temperatury procesu moment walcowania obniża się, różnica w wartości tego parametru w skrajnych temperaturach wynosi około 1000 Nm.

90

4.6. Analiza walcowania skośnego według metody zmodyfikowanej

W oparciu o metodykę kalibrowania walców z wykrojami śrubowymi, opracowano, a następnie wykonano zestaw narzędzi śrubowych do walcowania kul o średnicy 33 mm. Dodatkowo w celu utrzymania materiału wsadowego w przestrzeni roboczej narzędzi zastosowano dwie prowadnice (identycznie jak w rozwiązaniu tradycyjnym opisanym wcześniej). Zastosowanie w próbach wspomnianej walcarki wymusiło ograniczenia gabarytowe narzędzi, zgodnie z którymi średnica walców roboczych wynosiła 215 mm, a długość beczki 260 mm. Kształt i wymiary opracowanych narzędzi śrubowych przedstawia rysunek 4.15.

Rys. 4.15. Zestawy śrubowo-klinowych segmentów narzędziowych do walcowania kul o średnicy 33, zamocowane na wałach walcarki (opis w tekście) [45]

91 Narzędzia miały budowę segmentową, tak jak w metodzie konwencjonalnej wykroje robocze każdego z walców tworzyło sześć segmentów narzędziowych (na rysunku 4.16 oznaczonych cyfrą – 2), wykonanych ze stali narzędziowej do pracy na gorąco (WNL). Segmenty mocowane są do wałów – 1 walcarki za pomocą dwóch czołowych nakrętek – 3. Na powierzchni segmentów – 2 wykonane są kształty bruzdowe – 5 rozdzielone kołnierzami – 6 o wklęsłych powierzchniach bocznych. Noże – 7 odcinające szyjki od ukształtowanych kul umieszczono na przedostatnim kołnierzu, dzięki czemu w trakcie rozcinania kule utrzymywane są w wykroju przez ostatni kołnierz. Strefę wcinania wykonano w kształcie klinowych występów śrubowych – 4 o kącie rozwarcia klina 2β i kącie pochylenia ścianek bocznych α. W kolejnej strefie narzędzi – kształtowania powierzchnie klinowe stopniowo przechodzą we wklęsłe kołnierze kształtujące o zarysie walcowanej kuli.

4.6.1. Progresja kształtu walcowanych kul

Symulacje numeryczne walcowania skośnego według metody zmodyfikowanej wykonano podobnie jak przy metodzie tradycyjnej w czterech różnych wariantach temperatury wsadu: 850, 950, 1050 oraz 1150°C nie zmieniając pozostałych warunków brzegowych procesu.

Przebieg procesu walcowania przy użyciu walców z wykrojami śrubowymi przedstawiono na rys. 4.16. Wyraźnie widać, że przemieszczające się śrubowo występy walców wcinają się (co jeden obrót) okresowo we wsad i zamykają w wykroju materiał równy objętości kuli. Początkowo kształtowany jest pierścieniowy rowek klinowy (podobnie jak w walcowaniu tradycyjnym), który następnie staje się rowkiem o powierzchni wklęsłej (odpowiadającej czaszy kuli). W czasie procesu walcowania zmienia się powierzchnia, na której narzędzia oddziaływają na materiał wsadowy. Największy jest on w czasie pierwszej połowy obrotu walców, gdy kształtowany jest wspomniany rowek klinowy. Wówczas materiał ulega bardzo intensywnemu płynięciu powodującemu zwiększenie owalizacji przekroju poprzecznego i szerokości powierzchni kontaktu materiału z narzędziami. W trakcie drugiej połowy obrotu owalizacja jest praktycznie usuwana, przekroje poprzeczne uzyskują kształt kołowy, a styk walców z materiałem jest niemal liniowy.

92

93

c) d)

Rys. 4.16. Progresja kształtu kul o średnicy 33 mm, otrzymanych w procesie walcowania skośnego z walcami o wykrojach śrubowych; a) 850°C, b) 950°C, c) 1050°C oraz d) 1150°C

94

4.6.2. Zmiana intensywności odkształcenia

Na kolejnym rysunku 4.17 przedstawiono przykładowy rozkład intensywności odkształcenia z czterech przeprowadzonych walcowań wyrobów - kul. Dostrzec można, że materiał nie jest przerobiony na wskroś w takim samym stopniu. Najbardziej odkształcone są warstwy przypowierzchniowe, gdzie działają siły tarcia, a najmniej warstwy w osi wsadu (centralne). Odkształcenia uzyskują charakterystyczny rozkład pierścieniowy, takie występowanie stwierdzono w procesach walcowania poprzecznego. Należy jednocześnie zwrócić uwagę, że kule w przekroju poprzecznym uzyskują prawie idealny kształt kołowy (poprawa w porównaniu z walcowaniem według założeń konwencjonalnych). Rozkład intensywność odkształcenia jest podobny dla wszystkich wariantów w najwyższych temperaturach procesu: 1050°C i 1150°C osiągają maksymalne wartości do 15.

Dla lepszej oceny rozkład intensywności odkształcenia na kolejnym rysunku 4.17 pokazano rozkład w przekroju wzdłużnym w odwalcowanych kulach.

Rozkłady te potwierdzają występowanie maksymalnych wartości odkształcenia w strefach łączników kul, maksymalne wartości w temperaturach 850°C i 950°C nie przekraczają wartości 18. Jednocześnie dla temperatur: 1050°C i 1150°C są one niższe i nie przekraczają 13.

Wartości intensywności odkształcenia w walcowaniu według założeń konwencjonalnych i według metody zmodyfikowanej nie różnią się w znaczy sposób (liczbowo). Natomiast w walcowaniu według metody zmodyfikowanej wartości maksymalne występują praktycznie wyłącznie w strefie łączników nie „zachodząc” na powierzchnie ukształtowanych kul.

95

96

c) d)

Rys. 4.17. Rozkład intensywności odkształcenia w kulach o średnicy 33 mm, otrzymanych w procesie walcowania skośnego z walcami o wykrojach śrubowych – widok z boku; a) 850°C, b) 950°C, c) 1050°C oraz d) 1150°C

97

98

c) d)

Rys. 4.18. Rozkład intensywności odkształcenia w kulach o średnicy 33 mm, otrzymanych w procesie walcowania skośnego z walcami o wykrojach śrubowych – przekrój wzdłużny; a) 850°C, b) 950°C, c) 1050°C oraz d) 1150°C

99

4.6.3. Rozkład naprężeń średnich

Na rysunku 4.19 pokazano rozkład naprężenia średniego (widok z boku). Cechą charakterystyczną wyznaczonych rozkładów jest miejscowa koncentracja maksymalnych naprężeń w strefach styku narzędzi z walcowanym półfabrykatem.

Przy czym największe wartości naprężeń (około 200 MPa) występują w procesie prowadzonym w temperaturze 850°C w strefach przypowierzchniowych i w miarę zbliżania się do osi wyrobu wartości te ulegają zmniejszeniu. Natomiast w strefach ukształtowanych kul naprężenia spadają do około 100 MPa. Rotacyjny proces kształtowania powoduje, że strefy największych naprężeń przemieszczają się obrotowo wraz z walcowanym wsadem.

Wraz ze wzrostem temperatury procesu walcowania naprężenia średnie zmniejszają się, w temperaturach 1050°C i 1150°C osiągają wartości do 25 MPa.

Stosunkowo niewielkie wartości naprężeń pozwalają przypuszczać, że w trakcie procesu nie powinno zachodzić zjawisko szybkiego zużywania się narzędzi w wyniku ich nadmiernego obciążenia.

W przypadku rozkładu naprężeń średnich w procesie walcowaniu według metody zmodyfikowanej również zdecydowano się na zaprezentowanie wyników w przekroju – rysunek 4.20. Na jego podstawie zauważono, że naprężenie ma największe wartości w warstwach przypowierzchniowych kul (podobnie jak w walcowaniu według założeń konwencjonalnych).

W odwalcowanej kuli w temperaturze 850°C wartość naprężenia przekracza wartość 75 MPa, natomista w pozostałych trzech temperaturach, dla których przeprowadzone były symulacje naprężenie średnie nie przekracza 25 MPa.

Porównując obie metody walcowania niższe wartości naprężenia średniego występują w procesie walcowania według metody zmodyfikowanej.

100

101

c) d)

Rys. 4.19. Rozkład naprężenia średniego w kulach o średnicy 33 mm, otrzymanych w procesie walcowania skośnego z walcami o wykrojach śrubowych – widok z boku; a) 850°C, b) 950°C, c) 1050°C oraz d) 1150°C

102

103

c) d)

104

4.6.4. Rozkład temperatury walcowania

Na kolejnych rysunkach (rys. 4.21) przedstawiono rozkład temperatury, podobnie jak w poprzednich mapkach mamy widok z boku jak również przekrój wzdłużny materiału kształtowanego.

Cechą charakterystyczną procesu walcowania skośnego kul jest długi czas kontaktu nagrzanego wsadu z dużo chłodniejszymi narzędziami. W efekcie może dochodzić do nadmiernego studzenia kształtowanego półfabrykatu, co niekorzystnie wpływa na przebieg procesu walcowania. Dlatego w trakcie symulacji numerycznych analizowano rozkłady parametrów termicznych, na podstawie których przewidywano temperaturę ukształtowanych wyrobów.

Na rysunku 4.21 zauważyć można, że temperatura uformowanych kul waha się w przedziale od 950 do 1000°C na obrzeżach kul i zależy głownie od temperatury, do której został nagrzany wsad. Z kolei rozkład ukazujący temperaturę w przekroju w kulach obrazuje, że kule w całej swojej objętości osiągają temperaturę o blisko 50°C wyższą od temperatury nagrzewania wsadu, podobnie jak miało to miejsce w procesie walcowania według założeń konwencjonalnych.

Temperatura kul po walcowaniu według założeń zmodyfikowanych jest na tyle wysoka by można było kule zaraz po odwalcowaniu poddać procesowi hartowaniu, dokładnie tak jak we wcześniejszym opisanym procesie walcowania.

105 I a) b) II a) b) III a) b) IV a) b)

Rys. 4.21. Rozkład temperatury w kulach o średnicy 33 mm, otrzymanych w procesie walcowania skośnego z walcami o wykrojach śrubowych: I) 850°C, II) 950°C, III) 1050°C i IV) 1150°C;

106

4.6.5. Kryterium funkcji zniszczenia

I a) b) II a) b) III a) b) IV a) b)

Rys. 4.22. Rozkład funkcji zniszczenia (wg Cockrofta-Lathama) na powierzchni oraz w przekroju wzdłużnym kul o średnicy 33 mm, otrzymanych w procesie walcowania skośnego z walcami o wykrojach śrubowych:

107 Rysunek 4.22 przedstawia rozkład funkcji zniszczenia wg Cockrofta-Lathama i można dostrzec pewne podobieństwo do rozkładu funkcji zniszczenia przy wykorzystaniu metody konwencjonalnej.

Powyższy rozkład obrazuje, że w kulach występują strefy, w których to kryterium przyjmuje maksymalne wartości, znajdują się one w łącznikach jak również w warstwach przypowierzchniowych kul. W tych miejscach możemy spodziewać się pękania materiału.

Rozkład kryterium zniszczenia we wszystkich temperaturach pokazuje maksymalną wartość w identycznych strefach kul.

4.6.6. Przebieg zużycia narzędzi

Na rysunku 4.23 przedstawiono rozkład zużycia narzędzia, z którego wynika, że najbardziej zniszczony jest pierwszy klin, który wcina się w materiał kształtowany (podobnie jak w przypadku walcowania tradycyjnego), widać również uszkodzenia na dalszych klinach lecz wielkość tych uszkodzeń jest zdecydowanie mniejsza i rozłożona na większej powierzchni klina.

Pierwszy klin podobnie jak pierwszy wykrój w metodzie konwencjonalnej w największym stopniu wcina się w materiał kształtowany naruszając jego spójność i rozpoczynając proces kształtowania kul i dlatego ulega największemu uszkodzeniu. Natomiast na kolejnych klinach widzimy już mniejsze zużycie wywołane tylko kształtowaniem końcowym wyrobu kuli.

W procesie symulowanym w temperaturze najniższej to znaczy 850°C zużycie widoczne są na całej długości wykroju walca ale poza pierwszym klinem nie przekraczając 0,001 mm, natomiast w temperaturze najwyższej – 1150°C zużycie narzędzia następuje w mniejszym stopniu i jest rozłożone na walcu bardziej równomiernie nie przekraczając również 0,001 mm (oprócz klina pierwszego).

108

a) b)

c) d)

109

4.6.7. Rozkład sił i momentu walcowania

W trakcie prowadzonych symulacji sprawdzano również parametry siłowe procesu, a dokładnie siłę i moment walcowania. Uzyskane wyniki zestawiono w formie wykresów, które przedstawiono na kolejnych rysunkach 4.24 – wykres siły i 4.26 – wykres momentu walcowania. Cechą charakterystyczną przebiegu zarejestrowanej siły oraz momentu walcowania jest ich cykliczność. Powtarzające się skoki wartości omawianych parametrów siłowych mają swoje odzwierciedlenie w specyfice procesu walcowania skośnego. Zagłębianie się początku klina w materiał powoduje nagły wzrost zarówno siły jak i momentu, które następnie gwałtownie spadają przez ukształtowanie na obwodzie półfabrykatu pierścieniowego rowka. Nawet niewielkie przepełnienie wykroju prowadzi do gwałtownego wzrostu siły i momentu walcowania co możemy zaobserwować na poniższym rozkładzie siły dla temperatury 850°C. Dlatego do dalszej analizy rozkładów parametrów siłowych procesu walcowania skośnego, z walcami o wykrojach śrubowych będzie brany pod uwagę fragment wykresu do 3 sekundy, gdyż po tym czasie nastąpiło wyraźne zakłócenie procesu walcowania, omawiane fragmenty wykresu siły przedstawiono na rysunku 4.25 natomiast wykres momentu walcowania na rysunku 4.27.

Rys. 4.24. Rozkład siły działającej na narzędzia w procesie walcowania skośnego z walcami o wykrojach śrubowych

110

Rys. 4.25. Rozkład siły działającej na narzędzia w procesie walcowania skośnego z walcami o wykrojach śrubowych do 3 sekundy procesu

Wykres prezentuje przebiegi siły walcowania dla wszystkich czterech temperatur, w których przeprowadzane były symulacje tego procesu.

Maksymalne wartości sił, które działają na walce są stosunkowo niewielkie i nie przekraczają 110 kN w wariancie walcowania w temperaturze 850°C, w temperaturze 950°C osiągają wartość około 90 kN w wyższych temperaturach to znaczy w 1050°C nie przekraczają 80 kN, a w ostatnim wariancie, 1150°C nieznacznie przekraczają 60 kN.

Podobnie jak dla wariantu walcowania kul według założeń konwencjonalnych w wariancie zmodyfikowanym dostrzec można zależność, wraz ze wzrostem temperatury procesu siła walcowania maleje. Różnica pomiędzy temperaturą 850°C, a 1150°C wynosi około 50 kN.

Rysunek 4.26 pokazuje rozkład momentu w procesie walcowania skośnego z walcami o wykrojach śrubowych, gdzie zarejestrowano zaburzenie procesu. Stąd do analizy tego parametru posłuży rysunek 4.27 pokazujący przebieg procesu walcowania w zakresie czasowym od 0 do 3 sekund.

111

Rys. 4.26. Rozkład momentu walcowania w procesie walcowania skośnego z walcami o wykrojach śrubowych

Rys. 4.27. Rozkład momentu walcowania w procesie walcowania skośnego z walcami o wykrojach śrubowych do 3 sekundy procesu

112 Wartości maksymalne momentu obrotowego są stosunkowo niewielkie i nie przekraczają 2 500 Nm, dla procesu zrealizowanego w temperaturze 850°C. W temperaturze 950°C nie przekracza 2 000 Nm. W 1050°C – nieznacznie przekracza 1 500 Nm, a w najwyższej temperaturze 1150°C moment walcowania jest zdecydowanie niższy i nie przekracza 1 500 Nm.

Bardzo ważne dla wartości parametrów siłowych ma ile materiału zostanie zamknięte w wykroju. Niewielkie przepełnienie wykroju spowoduje gwałtowny wzrost natomiast niecałkowite wypełnienie znaczny spadek sił i momentu walcowania. Dlatego tak ważne w czasie walcowania jest monitorowanie parametrów siłowych by można było przewidywać ewentualne zjawiska powodujące zakłócenie procesu przeróbki plastycznej.

Na kolejnych rysunkach zestawiono wyniki sił walcowania według założeń konwencjonalnych jak również według metody zmodyfikowanej w czterech temperaturach procesu walcowania: 850°C, 950°C, 1050°C oraz 1150°C.

Zarówno na wykresie siły i momentu walcowania w temperaturze 850°C prezentowany jest tylko fragment wykresu sprzed zaburzenia procesu.

113

Rys. 4.29. Rozkład siły walcowania działającej na narzędzia w temperaturze 950°C

114

Rys. 4.31. Rozkład siły walcowania działającej na narzędzia w temperaturze 1150°C

Z rysunków 4.26 ÷ 4.31 można wywnioskować, że siły walcowania osiągane w czterech analizowanych procesach przebiegają podobnie, wyższe wartości występują podczas walcowania kul według założeń konwencjonalnych. Różnice w wartości siły wynoszą od 10 kN w temperaturze 1150°C do około 20 kN w niższych temperaturach: 850°C i 950°C.

Na rysunkach (4.32 ÷ 4.35) zestawiono wyniki momentów walcowania według założeń konwencjonalnych jak również według metody zmodyfikowanej w poszczególnych temperaturach procesu walcowania. Analogicznie jak w przypadku sił, w temperaturze 850°C analizie podlega tylko fragment wykresu w przedziale czasowym od 0 do 3 sekund.

115

Rys. 4.32. Rozkład momentu walcowania działającego na narzędzia w temperaturze 850°C

116

Rys. 4.34. Rozkład momentu walcowania działającego na narzędzia w temperaturze 1050°C

Rys. 4.35. Rozkład momentu walcowania działającego na narzędzia w temperaturze 1150°C

Z powyższych rozkładów momentu walcowania można wywnioskować, że momenty walcowania osiągane w dwóch analizowanych procesach przebiegają podobnie, wyższe

117 wartości występują podczas walcowania kul według założeń konwencjonalnych analogicznie jak w przypadku siły.

118

4.7. Badania doświadczalne – modelowanie fizyczne, stanowisko badawcze

Badania doświadczalne kształtowania kul o średnicy 33 mm narzędziami śrubowymi wykonano w dwuwalcowej walcarce skośnej (rys. 4.36), która zainstalowana jest w Katedrze Plastycznej Przeróbki Metali Wydziału Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej AGH w Krakowie. Walcarka ta cechuje się dużą uniwersalnością, umożliwiającą zastosowanie rożnych typów kalibrowania walców roboczych. Możliwe jest prowadzenie procesu w układzie dwuwalcowym oraz trójwalcowym z wykorzystaniem rożnych układów prowadnic (prowadnica tarczowa, prowadnica stała lub rolka obrotowa, a w układzie trójwalcowym: walec roboczy). W rezultacie, przy odpowiednim uzbrojeniu, możliwe jest rożne konfigurowanie laboratoryjnej walcarki, np. dwuwalcowej Mannesmanna, trójwalcowej Assela lub walcarki Dieschera (w której napęd prowadnicy tarczowej dolnej realizuje się przez dodatkowa przekładnię). Walcarka skośna wyposażona jest w tensometryczne układy pomiarowe rejestrujące parametry siłowe procesów (momenty obrotowe i siły nacisku) oraz przetworniki mechaniczne rejestrujące parametry geometryczne procesu, takie jak prędkość obrotowa narzędzi.

Podstawowe parametry technologiczne walcarki w układzie dwuwalcowym to: maksymalna średnica walca roboczego Dw = 220 mm, długość beczki walca roboczego Lw = 260 mm, zakres prędkości obrotowych walców nw = 0 ÷ 1,4 s^-1, maksymalna średnica wsadu dk = 50 ÷ 70 mm, kąt zukosowania walców β = 0 ÷ 15 stopni, maksymalny moment obrotowy na walcu roboczym Mo = 8 kNm.

119

Rys. 4.36. Walcarka skośna zabudowana w układzie dwóch walców roboczych, w której wykonano próby walcowania kul o średnicach 33 mm [46]