Trzeci ciąg - wyniki badań modelowych i ich analiza

W niniejszym podrozdziale przedstawiono wyniki symulacji numerycznej ciągnienia przewodu jezdnego AC-150 dla trzeciego ciągu procesu. Geometria materiału po zaimportowaniu z drugiego ciągu i wprowadzeniu go do ciągadła oraz widok na odkształcony materiał po trzecim ciągu przedstawione zostały na rys. 9.40.

Rys. 9.40 Ogólny widok geometrii przewodu jezdnego oraz oczka ciągadła trolejowego przed i po trzecim ciągu.

9.3.1 Intensywność naprężenia (wg H-M-H)

Wartości intensywności naprężenia dla przewodu jezdnego i oczka ciągadła występujące w trakcie trzeciego ciągu przedstawione zostały w widoku ogólnym na rys. 9.41. Na kolejnych rysunkach o numerach 9.42-9.45 przedstawiono wyniki charakterystyk σi na przekroju wzdłużnym i powierzchni zewnętrznej metalu oraz na powierzchni stożka roboczego oczek ciągadeł TC i PCD.

Analiza wartości intensywności naprężenia pokazanych w widoku na przekrój wzdłużny przewodu jezdnego (rys. 9.42) pozwala na stwierdzenie, iż dla przypadku procesu TC intensywności naprężenia oznaczone kolorem czerwonym, a więc te powyżej 306MPa, zajmują mniejszą powierzchnię w części roboczej oczka ciągadła niż w przypadku procesu PCD. Dla procesu z wykorzystaniem węglikowego oczka ciągadła, intensywności naprężenia odkształcanego w kotlinie ciągadła materiału wynoszą średnio 314MPa, podczas gdy dla procesu ciągnienia z diamentowym oczkiem są one nieznacznie wyższe i wynoszą 318MPa. Rozrzut wartości w obu przypadkach dla części przewodu znajdującej się w kotlinie roboczej ciągadła nie przekracza ± 10MPa.

Rys. 9.41 Intensywność naprężenia na przekroju wzdłużnym przewodu jezdnego oraz w oczku ciągadła podczas trzeciego ciągu.

Rys. 9.42 Intensywność naprężenia na przekroju wzdłużnym przewodu jezdnego podczas trzeciego ciągu.

Rys. 9.43 Intensywność naprężenia na powierzchni zewnętrznej odkształconego materiału

TC PCD

Rys. 9.44 Intensywność naprężenia na powierzchni oczka ciągadła TC podczas trzeciego ciągu.

Rys. 9.45 Intensywność naprężenia na powierzchni oczka ciągadła PCD podczas trzeciego ciągu.

TC

Na powierzchni zewnętrznej przedstawiającej widok na kształtujący się rowek przewodu jezdnego wartości intensywności naprężenia dla przypadku TC wynoszą od 320 MPa dla dolnej części stożka roboczego i zmniejszają się do 300MPa w miejscu przejścia odkształcanego metalu do części kalibrującej. Dla przypadku PCD wartości te są odpowiednio o 5MPa wyższe i wynoszą 325MPa na początku wejścia materiału do stożka roboczego i 305MPa na jego wyjściu ze strefy odkształcenia.

Rozkład wartości σi na powierzchni oczek ciągadeł jest z kolei bardziej zróżnicowany, przy czym najwyższe wartości naprężenia zredukowanego obserwuje się w okolicach części formującej rowek przewodu. Dla przypadku TC osiągają one w tym miejscu poziom średnio 340 MPa. Dla przypadku PCD wartości naprężenia są wyższe i wynoszą na powierzchni rowka około 360MPa, lokalnie przekraczając nawet wartości 400MPa.

9.3.2 Intensywność odkształcenia (wg H-M-H)

Mapy rozkładu zredukowanego odkształcenia dla trzeciego ciągu procesu ciągnienia trolejowego przewodu jezdnego, dla przypadku PCD przedstawiono na rys. 9.46 – 9.48.

Rys. 9.46 Intensywność odkształcenia dla przekroju wzdłużnego oraz powierzchni

Rys. 9.47 Intensywność odkształcenia na powierzchni oczka ciągadła TC w trzecim ciągu.

Rys. 9.48 Intensywność odkształcenia na powierzchni oczka ciągadła PCD w trzecim ciągu.

TC

Zredukowane odkształcenie przewodu po trzecim ciągu osiąga średnią wartość na jego przekroju wzdłużnym równą 0,75. Patrząc od strony rowka przewodu jezdnego wartości intensywności odkształcenia na obwodzie materiału osiągają poziom 0,8. W samym rowku przewodu są one prawie o 50% wyższe i wynoszą od 1,1 do 1,2.

Na powierzchni roboczej ciągadeł wartości σi, rozumianego wyłącznie jako zredukowane odkształcenie sprężyste, w przypadku materiału TC są największe na części formującej rowek przewodu i zawierają się w przedziale od 0,0006 do 0,001. W pozostałym obszarze sprężyście pracującego ciągadła z oczkiem węglikowym wartości intensywności odkształcenia nie przekraczają 0,0003. W przypadku diamentowego narzędzia wartości intensywności odkształcenia sprężystego są miejscowo nawet dwukrotnie niższe i nie przekraczają średniego poziomu 0,0004 nawet na powierzchni formującej rowek przewodu.

9.3.3 Temperatura

Charakterystyki temperaturowe procesu, dla trzeciego ciągu, przedstawiono na rys. 9.49, w skali od 5 do 180°C, zarówno dla oczka ciągadła jak i przewodu trolejowego, zaś na rys. 9.50 i 9.51 dla samego przewodu jezdnego oraz na rys. 9.52 i 9.53 dla samych powierzchni roboczych oczek ciągadeł.

Rys. 9.50 Mapa rozkładu temperatury w przekroju wzdłużnym przewodu jezdnego w trzecim ciągu.

Rys. 9.51 Mapa rozkładu temperatury na powierzchni zewnętrznej przewodu jezdnego w trzecim ciągu.

TC PCD

Rys. 9.52 Rozkład temperatury na powierzchni oczka ciągadła TC w trzecim ciągu.

Rys. 9.53 Rozkład temperatury na powierzchni oczka ciągadła PCD w trzecim ciągu.

PCD

TC

Wartości zakumulowanej w trakcie odkształcania plastycznego temperatury przewodu w trzecim ciągu procesu w widoku na jego przekrój wzdłużny wynoszą w kotlinie odkształcenia dla oczka TC średnio 123°C, podczas gdy dla procesu PCD temperatury te są o 13°C niższe i wynoszą 109°C. Liniowy rozkład temperatury materiału na jego przekroju wzdłużnym, zmierzony w miejscu przejścia materiału ze strefy odkształcenia do części kalibrującej ciągadła przedstawiono na rys. 9.54. Co ciekawe na tym etapie procesu ciągnienia wartości temperatury materiałów wyrównują się w okolicach osi przewodu odkształcanego w kotlinie ciągadła, gdzie wynoszą one około 110°C. Różnica w wartościach temperatury zaczyna pojawiać się dopiero na wyjściu materiału z oczka ciągadła i osiąga swoje maksimum 40mm za ciągadłem, gdzie dla przypadku procesu TC w osi materiału wynosi ona 152°C, a dla przypadku PCD 126°C.

Rys. 9.54 Wykres rozkładu liniowego temperatury na przejściu materiału ze stożka roboczego ciągadła do jego części kalibrującej dla procesu ciągnienia PCD i TC

– trzeci ciąg, widok na płaszczyznę symetrii.

Różnica temperatury materiału rośnie wraz ze zbliżaniem się do jego zewnętrznych krawędzi i jest najwyższa na powierzchni przewodu. Analizując temperaturowe rozkłady map przedstawione na rys. 9.51 zauważamy wyraźnie zwiększone wartości temperatury w okolicach rowku przewodu jezdnego. Potwierdza to wykres rozkładu temperatury na obwodzie materiału zaprezentowany zarówno dla procesu TC jak i PCD na rys. 9.55. Stała różnica temperatury materiału wynosząca około 20°C utrzymuje się na większości obwodu przewodu i jedynie w okolicy rowka, bliżej górnej części przewodu gdzie temperatura materiałów wyraźnie rośnie, również i różnica rośnie dwukrotnie tj. do około 40°C.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 3 6 9 12 15 18 T em p er at u ra [° C]

Odległość od lewej krawędzi [mm]

TC PCD

Rys. 9.55 Wykres rozkładu temperatury na przejściu materiału ze stożka roboczego ciągadła do jego części kalibrującej dla procesu ciągnienia PCD i TC

– trzeci ciąg, widok na powierzchnie zewnętrzną.

Stan cieplny oczek ciągadeł TC i PCD przedstawiony na rys. 9.52 i 9.53 po raz kolejny uwidacznia, iż wartości temperatury są wyższe dla oczka ciągadła TC. Również analogicznie do wyników uzyskanych w poprzednich ciągach temperatury na powierzchni roboczej narzędzi osiągają swoją górną granicę na części formującej rowek przewodu. Dla przypadku procesu TC maksymalne wartości temperatury wynoszą w tym miejscu średnio 125°C i są o około 25°C wyższe niż w przypadku procesu z zastosowaniem oczka PCD.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 5 10 15 20 25 30 T em p er at u ra [° C]

Odległość od lewej krawędzi (po łuku) [mm]

TC PCD

9.4 Czwarty ciąg - wyniki badań modelowych i ich analiza

Materiał wsadowy wprowadzony do oczka ciągadła i co za tym idzie przygotowany do rozpoczęcia procesu ciągnienia przez przedostatnie, czwarte ciągadło oraz geometria już odkształconego przewodu jezdnego po zakończonym czwartym etapie procesu przedstawione zostały na rys. 9.56.

Rys. 9.56 Ogólny widok geometrii przewodu jezdnego oraz oczka ciągadła trolejowego przed i po czwartym, przedostatnim ciągu.

Początek procesu – przed 4 ciągiem

Koniec czwartego etapu ciągnienia

9.4.1 Intensywność naprężenia (wg H-M-H)

Zredukowane naprężenia Hubera-Misesa-Hencky’ego dla materiału odkształconego po czwartym ciągu przedstawione zostały na rys. 9.57-9.61 dla różnych ujęć procesu. Wartości intensywności naprężenia zaprezentowane zostały w tej samej skali, co wyniki uzyskane dla poprzednich ciągów tj. od 0 do 350MPa.

Wartości intensywności naprężenia dla przekroju wzdłużnego przewodu osiągają swój maksymalny poziom na wejściu materiału do stożka roboczego ciągadła, gdzie w przypadku obydwóch procesów wynoszą one około 309MPa Zauważa się jednak, iż w przypadku procesu TC obszar naprężeń przekraczający granicę 306 MPa, który według skali oznaczony jest kolorem czerwonym, jest większy w rejonie osi materiału w porównaniu do procesu PCD.

Rys. 9.57 Intensywność naprężenia w przekroju wzdłużnym przewodu jezdnego, odkształconego w czwartym ciągu.

Rys. 9.58 Intensywność naprężenia w przekroju wzdłużnym przewodu jezdnego, odkształconego w czwartym ciągu.

Rys. 9.59 Intensywność naprężenia na powierzchni zewnętrznej odkształconego materiału (widok na rowek przewodu jezdnego) odkształconego w czwartym ciągu.

TC PCD

Rys. 9.60 Intensywność naprężenia na powierzchni oczka ciągadła TC w czwartym ciągu.

Rys. 9.61 Intensywność naprężenia w przekroju wzdłużnym oczka ciągadła PCD, w czwartym ciągu.

TC

Wartości naprężenia przedstawione w widoku na zewnętrzną powierzchnię ciągnionego przewodu AC-150 nie uwidaczniają istotnych różnic pomiędzy procesami TC i PCD. Wartości zredukowanego naprężenia są najwyższe w miejscu formującego się rowka przewodu jezdnego, gdzie wynoszą one 320-322MPa oraz tak jak w przypadku przekroju wzdłużnego na wejściu materiału do oczka ciągadła, gdzie osiągają one wartości do 315MPa.

Analiza schematu naprężenia na powierzchni styku oczek ciągadeł z materiałem dla czwartego ciągu uwidacznia różnice pomiędzy procesem TC a PCD. Co prawda naprężenia w obu przypadkach osiągają swoje maksymalne wartości w części profilującej rowek przewodu jezdnego i w obu przypadkach w tym miejscu nie przekraczają 400MPa, to jednak zauważa się iż w przypadku procesu PCD wartości intensywności naprężenia są bardziej skumulowane w kotlinie odkształcenia i nie promieniują tak znacząco na całą objętość narzędzia jak w przypadku procesu TC, w którym obserwuje się zwiększone wartości intensywności naprężenia na całej jego powierzchni zewnętrznej.

9.4.2 Intensywność odkształcenia (wg H-M-H)

Odkształcenia zredukowane w czwartym ciągu dla przewodu i oczek ciągadeł TC oraz PCD przedstawiono na rys. 9.62 do 9.64.

Rys. 9.62 Intensywność odkształcenia w przekroju wzdłużnym oraz na powierzchni zewnętrznej odkształconego materiału w czwartym ciągu.

Rys. 9.63 Intensywność odkształcenia na powierzchni oczka ciągadła TC w czwartym ciągu.

Rys. 9.64 Intensywność odkształcenia na powierzchni oczka ciągadła PCD w czwartym

PCD

TC

Intensywność odkształcenia na przekroju wzdłużnym przewodu jezdnego w czwartym ciągu przedstawiona z lewej strony rysunku 9.62 wynosi średnio 1,05, przy czym bliżej osi przewodu wartość ta nieznacznie maleje i wynosi około 1,03, a blisko powierzchni zewnętrznej rośnie i osiąga poziom równy 1,07. Na obwodzie materiału intensywność odkształcenia zwiększą się do wartości 1,5 a na powierzchni samego rowka wynosi po czwartym ciągu od 1,28 do ponad 1.4.

Bezpośrednie porównanie wartości σi dla powierzchni oczek ciągadeł TC i PCD wykazują powstawanie dużo wyższych odkształceń sprężystych w części roboczej ciągadła dla przypadku oczka TC. Na powierzchni rowka odkształcenia te przekraczają wartości 0,001, podczas gdy dla oczka PCD nie przewyższają one wartości 0,0007.

9.4.3 Temperatura

Rozkłady temperaturowe procesu dla poszczególnych elementów i różnych widoków przedstawione zostały na rysunkach 9.65 do 9.70. Zaprezentowano również, analogicznie jak dla poprzednich ciągów, wykresy rozkładu temperatury wzdłuż linii przejścia metalu ze strefy odkształcenia do części kalibrującej ciągadła w widoku na przekrój wzdłużny oraz powierzchnię zewnętrzną metalu (por. rys. 9.71 i 9.72).

Rys. 9.65 Stan cieplny procesu ciągnienia przewodu jezdnego AC-150 w czwartym ciągu.

Rys. 9.66 Mapa rozkładu temperatury w przekroju wzdłużnym przewodu jezdnego w czwartym ciągu.

Rys. 9.67 Mapa rozkładu temperatury na powierzchni zewnętrznej przewodu jezdnego w

TC PCD

Rys. 9.68 Rozkład temperatury na powierzchni oczka ciągadła TC w czwartym ciągu.

Rys. 9.69 Rozkład temperatury na powierzchni oczka ciągadła PCD w czwartym ciągu.

PCD

TC

Stan cieplny miedzianego przewodu jezdnego po czwartym ciągu i w widoku na jego przekrój wzdłużny – rys. 9.66 pozwala zauważyć, iż sumaryczna temperatura materiału w przypadku procesu z wykorzystaniem oczka TC wynosi 210°C w odległości około 30mm od wyjścia materiału z narzędzia. Dla procesu PCD temperatura ta jest widocznie niższa i osiąga poziom 171°C. Rozkład temperatury materiału obliczony na przejściu przewodu z kotliny odkształcenia do części kalibrującej ciągadła, który przedstawiono na rys. 9.70 uwidacznia, iż w osi materiału przewodu posiadają zbliżoną temperaturę równą 150°C, która rośnie wraz ze zbliżaniem się do zewnętrznych krawędzi przewodu i dla procesu TC dochodzi do około 200°C, zaś dla procesu PCD do 176°C.

Rys. 9.70 Wykres rozkładu liniowego temperatury na przejściu materiału ze stożka roboczego ciągadła do jego części kalibrującej dla procesu ciągnienia PCD i TC

– czwarty ciąg, widok na płaszczyźnie symetrii.

Rozkład temperatury w widoku na jego powierzchnie zewnętrzną – por. rys. 9.67 ukazuje, analizując obszar stożka roboczego, iż w obu przypadkach maksymalne wartości temperatury lokalizują się przy powierzchni rowka przewodu, który na tym etapie jest już niemal całkowicie ukształtowany. Szczegółowy rozkład temperatury dla granicy pomiędzy częścią roboczą i kalibrującą ciągadła, patrząc od strony rowka przewodu przedstawiono na rys. 9.71. Wynika z niego, że dla obydwu materiałów oczka ciągadła maksymalna temperatura generuje się w obszarze oznaczonym kolorem niebieskim, a więc w obszarze rowka przewodu i wynosi ona 250°C dla TC i 200°C dla PCD. Różnica wynosi więc 50°C i jest ona w tym miejscu najwyższa. Dla pozostałego obszaru powierzchni zewnętrznej różnica ta wynosi od 25 do 40°C.

Wartości temperatury na powierzchni zewnętrznej, ale w odległości 30mm za 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 0 2 4 6 8 10 12 14 16 T em p er at u ra [° C]

Odległość od lewej krawędzi (po łuku) [mm]

TC PCD

Rys. 9.71 Wykres rozkładu temperatury na przejściu materiału ze stożka roboczego ciągadła do jego części kalibrującej dla procesu ciągnienia PCD i TC

– czwarty ciąg, widok na powierzchnie zewnętrzną.

Obliczone numerycznie mapy rozkładu temperatury na powierzchni roboczej oczek ciągadeł TC i PCD przedstawionych na rysunkach 9.68 i 9.69 również ukazuję duże różnice w stanie cieplnym pomiędzy tymi procesami. Maksymalne wartości temperatury dla oczka TC wynoszą około 200°C na części kształtującej rowek przewodu jezdnego, a dla oczka PCD temperatury te wynoszą 145°C. Różnica wynosi więc aż 55°C. Widać również, iż z uwagi na fakt wyższej przewodności cieplnej oczka diamentowego ciepło rozprowadzone jest w większej objętości niż w przypadku oczka węglikowego.

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 T em p er at u ra [° C]

Odległość od lewej krawędzi (po łuku) [mm]

TC PCD