Kule, szczególnie o dużych średnicach (30 do 120 mm), mają zastosowanie przede wszystkim w młynach kulowych do rozdrabniania rud metali, węgla i tym podobnych materiałów, odznaczających się dużą twardością. W związku z tym, od kul wymaga się wysokich wartości parametrów użytkowych, które zapewniają odpowiednio dużą ich żywotność.
Obecnie wyroby te są wykonywane głównie poprzez kucie matrycowe z półwyrobów hutniczych lub wstępnie odlewanych ze staliwa. Niestety, taki sposób nie zapewnia uzyskania oczekiwanych cech użytkowych kul, a koszty produkcji są stosunkowo duże – związane głównie z ceną materiału, jak i stosunkowo niskim jego wykorzystaniem.
Kule stalowe zużywane są przez przemysł w bardzo dużych ilościach, gdyż w samej Polsce rocznie wykorzystuje się dziesiątki tysięcy ton wyrobów tego typu. Młyny kulowe są urządzeniami służącymi do mielenia m.in. rud metali i węgla. Do tego celu służą dziesiątki tysięcy ton kul, zazwyczaj o średnicy z przedziału 30 120 mm (rys. 4.1a), które ulegają intensywnemu ścieraniu – np. tylko KGHM Polska Miedź S.A. zużywa rocznie około 15 tys. ton kul. Dlatego też wciąż aktualnym problemem jest poprawa ich żywotności. Jak wiadomo, czas eksploatacji kul zależy od parametrów użytkowych, takich jak: wytrzymałość materiału, odporność na pękanie i ścieranie. Ale równie ważnym czynnikiem jest prawidłowy kształt (rys. 4.1b), który zależny jest od zastosowanej technologii produkcji kul. W przypadku przeróbki plastycznej, wszystkie wymienione aspekty można kontrolować poprzez dobranie
59 zarówno odpowiedniego sposobu kształtowania jak i właściwych parametrów takiego procesu [34].
a) b)
Rys. 4.1. Kule stalowe stosowane w młynach kulowych: a) kule walcowane o średnicy z przedziału (40 120) mm wykonane walcowaniem w walcach śrubowych, b) kule odlane ze staliwa, a następnie kute matrycowo
w prasie mechanicznej (widoczne pozostałości wypływki) [35]
Także obróbka ubytkowa jest w stanie zapewnić idealny kształt kuli – niestety jest to rozwiązanie mało opłacalne, mało wydajne i materiałochłonne szczególnie, jeśli wyrób uzyskuje się tylko taką technologią. A co najważniejsze, parametry wytrzymałościowe kul w ten sposób wyprodukowanych są gorsze od wyrobów kutych i walcowanych. Zatem, obróbka ubytkowa w porównaniu z przeróbką plastyczną (jeśli chodzi o poruszoną kwestię zarówno ekonomiczności, jak i cech użytkowych wyrobu) jest niewskazana.
Jednak często obróbka skrawaniem jest stosowana jako operacja wykańczająca wyrobów przerobionych plastycznie, w której należy usunąć pewien naddatek w ilości zależnej w głównej mierze od dokładności wykonania odkuwki. Tak jest w przypadku produkcji kulek łożyskowych, gdzie wyroby odkute w prasie kuźniczej lub w automacie do spęczania (sposoby kucia z wypływką) są najpierw szlifowane.
Z analizy literatury specjalistycznej wynika, że półwyroby kul do młynów mogą być obecnie wykonywane kilkoma sposobami (bazującymi na obróbce plastycznej) – tj. kuciem tradycyjnym (wypływkowym) w prasie kuźniczej lub automacie do spęczania, walcowaniem poprzecznym w walcach skośnych (rys.4.2), kuto-walcowaniem oraz metodą WPK (walcowania poprzeczno-klinowego). Analiza krytyczna tych metod wykazała, że są to technologie obarczone wieloma wadami, a przede wszystkim nie zapewniają uzyskania wyrobów o pożądanych cechach przy jak najmniejszym nakładzie finansowym.
Kucie półwyrobu typu kul w prasach jest sposobem kształtowania, w którym z materiału wsadowego w postaci ciętego pręta (o przekroju kołowym lub zbliżonym do kołowego) powstaje odkuwka kuli, posiadająca wypływkę. Jest to odpad okrawany
60 w ostatniej operacji, a jego ilość wynosi średnio 20% objętości odkuwki. Jest to technologia mało wydajna i materiałochłonna, a odkuwki często posiadają duże błędy kształtu. Tak uzyskane kule należy kalibrować i/lub poddać dalszej wykańczającej obróbce mechanicznej. Ponadto, odkuwki kute w matrycach otwartych mają znacznie gorsze własności niż wyroby walcowane. Jest to wynikiem poprzecinania włókien metalu na obwodzie kuli w procesie okrawania wypływki. Natomiast podczas walcowania włókna te są przerywane punktowo po obu stronach kuli.
Wytwarzanie półwyrobu typu kul poprzez połączenie procesów kucia i prasowania ostatnia wspomniana metoda umożliwiającą wytwarzanie kul, jest to kucie a następnie prasowanie, łączy te dwa sposoby kształtowania plastycznego odkuwek. Wdrożenie tej technologii wymaga następujących urządzeń i maszyn: manipulatora podającego do pieca materiał wsadowy w postaci prętów stalowych; przepychowego pieca realizującego nagrzewanie materiału wsadowego; automatu do spęczania (spęczarki), która jest prasą automatyczną przeznaczoną do kucia na gorąco kul stalowych; zespołu walców kuźniczych kalibrujących kule, zakończonego stanowiskiem do hartowania. Ponadto, jak już wcześniej wspomniano, odkuwki kute mają gorsze własności niż wyroby walcowane. Co prawda kuto-walcowanie rozwiązuje problem zapewniania prawidłowego kształtu kuli, ale jest to realizowane w dodatkowej operacji na osobnej maszynie. Ponadto, wydajność takiej linii produkcyjnej to niespełna 4 tys. ton kul rocznie. Na tle zapotrzebowania rynku (jak już wspomniano, tylko KGHM Polska Miedź S.A. potrzebuje 15 tys. ton kul rocznie) technologia nie jest w stanie sprostać potrzebom.
Walcowanie wyrobu typu kula w procesie WPK – walcowania poprzeczno-klinowego jest nowoczesnym sposobem ich wykonania. Natomiast wadą tej technologii jest stosunkowo duży koszt wykonania narzędzi. Dlatego też opłacalność wytwarzania wyrobów metodą WPK jest osiągana dopiero w produkcji średnioseryjnej, gdyż może ono wypełnić lukę pomiędzy dwoma technologiami (tj. kuciem i walcowaniem skośnym walcami śrubowymi), zabezpieczając produkcję kul w zakresie serii powyżej 10 tys. sztuk., dla której nieopłacalne jest jeszcze wykorzystanie walcarek skośnych.
Walcowanie półwyrobu typu kul w dwuwalcowej walcarce skośnej jest kolejnym sposobem wykonywania odkuwek kul. Walcowanie poprzeczne w dwuwalcowej walcarce skośnej z walcami roboczymi z wykrojem śrubowym jest metodą wydajną, jednak wymagającą użycia maszyn specjalnych – np. walcarek z serii CKBMM konstrukcji byłego ZSRR. Wadą tych maszyn jest znaczna ich cena oraz wymogi dotyczą-ce dużej przestrzeni produkcyjnej. Ponadto, aby produkcja kul w tych walcarkach była opłacalna musi być
61 masową. Walcowanie kul omawianą metodą polega na kształtowaniu pomiędzy dwoma walcami (wyposażonymi w wykroje śrubowe – rys.2.1 znajdujący się w rozdziale 2: Opracowanie literaturowe – stan zagadnienia, na stronie 9) kul z pręta pełnego z pełnym oddzieleniem wyrobów pod koniec walcowania.
Przy każdym obrocie walców jest kształtowana tylko jedna kula. Jednak aby uzyskać wyrób o prawidłowym kształcie należy spełnić trzy podstawowe warunki:
a) objętość metalu zamkniętego w wykrojach powinna być stała podczas całego procesu kształtowania;
b) zmiana zarysu i rozmiarów obrzeży wykroju powinny odpowiadać wydłużeniu zamkniętego półwyrobu;
c) zamykanie metalu powinno realizować się na stosunkowo krótkich odcinkach, żeby zapobiec tworzeniu pęknięć w strefie osiowej półwyrobu [35].
4. 2. Zastosowanie programu SimufactForming
Simufact.forming jest programem firmy Simufact, powstałym w wyniku połączenia programów MSC.SuperForge oraz MSC.SuperForm – służących do analizy procesów przeróbki plastycznej. Simufact jest zorientowany na potrzeby przemysłu związanego z przeróbką plastyczną. Rozwój oprogramowania powierzony został grupie specjalistów w dziedzinie kształtowania objętościowego.
Program pozwala na symulację wszystkich procesów kształtowania, między innymi: kucie matrycowe i swobodne (na zimno i na gorąco), walcowanie, tłoczenie, gięcie, okrawanie, chłodzenie, wyciskanie, analizę narzędzi.
Dzięki zastosowaniu nowej w tej dziedzinie obliczeń metodzie skończonej objętości, skrócono około dziesięciokrotnie czas obliczeń w porównaniu z identyczną analizą wykorzystującą metodę elementów skończonych. Obydwie metody obliczeniowe są dostępne w Simufact.forming.
Simufact.forming pozwala na proste i szybkie definiowanie elementów i parametrów procesu, takich jak:
maszyny, młoty, prasy hydrauliczne, prasy korbowe, mimośrodowe i inne, parametry tarcia, parametry wymiany ciepła, parametry przebudowy siatki (remeshing), stemple, dociski, parametry materiałowe i wiele innych.
62 W oprogramowaniu zostało zaimplementowanych wiele rozwiązań pozwalających np. na automatyczne śledzenie zakuć, śledzenie płynięcia materiału, symulacje odsprężynowania czy analizę narzędzi. Simufact.material - dodatkowa baza dostarcza rozszerzone dane materiałowe niezbędne przy symulacjach zagadnień związanych z prognozą wielkości ziarna czy rozkładu faz w detalu gotowym. Simufact.project - ogromna ilość danych wyprodukowanych przez system symulacyjny wymaga wydajnego i przejrzystego narzędzia archiwizującego. Wykorzystując Simufact.project dane mogą być w łatwy sposób organizowane, administrowane i katalogowane.
Korzyści płynące z zastosowania Simufact.forming to między innymi:
redukcja kosztów poprzez szybszy i bardziej efektywny proces wdrożenia,
zwiększona stabilność procesów,
wirtualna weryfikacja poprawności kształtu narzędzi oraz parametrów procesu,
zwiększona żywotność narzędzi,
lepsze wykorzystanie maszyn,
rozszerzenie spektrum oferowanych produktów – wytwarzanie bardziej skomplikowanych detali
Główne cechy Simufact.forming to:
prosty, intuicyjny interfejs użytkownika,
jedyny na rynku produkt łączący zalety solvera typu explicit oraz implicit,
rozwiązanie zarówno do optymalizacji procesów jak również do złożonych analiz oraz do wykorzystania w dziedzinie badań i rozwoju,
narzędzie do symulacji wszystkich procesów kształtowania – kucie matrycowe i swobodne, na zimno i na gorąco, formowanie blach, walcowanie, łączenie mechaniczne i wiele, wiele innych [36].
63
4.3. Stanowisko badawcze
Badania poznawcze tej technologii odkształcenia w walcarce skośnej były wykonane dwuetapowo:
Etap 1: zaprojektowanie i przygotowanie narzędzi roboczych:
a) walce robocze (2 szt.), usytuowane w płaszczyźnie poziomej walcarki skośnej, zamontowano na nich segmenty (6 szt., wymienne na obwodzie każdego walca, tj. wkładki z odpowiednio skalibrowanym wykrojem na obwodzie), w których na drodze śrubowej kształtowane było pasmo, poczynając od pełnego nagrzanego pręta wsadowego – na wejściu do wykroju, do gotowej kuli – otrzymywanej na koniec wykroju, po procesie odkształcenia i ich wzajemnego oddzielenia,
b) prowadnice stałe (2 szt.), usytuowane w płaszczyźnie pionowej walcarki skośnej, zabudowane jako odpowiednio kalibrowane prowadnice, mające zamknąć od góry kotlinę odkształcenia, aby metal nie wypływał na boki spomiędzy walców roboczych podczas kształtowania.
Etap 2: wykonanie prób laboratoryjnych procesu walcowania kul stalowych.
Konstrukcja walca roboczego – na korpusie (rys. 4.2) każdego walca roboczego (2 szt.) zamontowane są segmenty z fragmentami wykroju śrubowego na obwodzie każdego walca, (6 szt., wymienne – w zależności od metody kalibrowania wykroju śrubowego, tj. wkładki z wykrojem na obwodzie, odpowiednio skalibrowanych metodą numeryczną), w których kształtowane jest pasmo na drodze śrubowej, poczynając od pełnego nagrzanego pręta wsadowego – na wejściu do wykroju, do gotowej kuli – otrzymywanej na koniec wykroju, po procesie odkształcenia pasma na długości wykroju i wzajemnego oddzielenia pojedynczych kul, tj. po spełnieniu kryterium pękania Cockroft’a-Lathama, co pozwala na zerwanie kolejnych mostków.
Narzędzia robocze były wykonane w ramach projektu badawczego rozwojowego nr 0457/R/T02/2009/06, pt. „Opracowanie nowej technologii walcowania kul stalowych ze złomowanych szyn kolejowych”, prowadzonego w Katedrze Komputerowego
64 Modelowania i Technologii Obróbki Plastycznej w Politechnice Lubelskiej w latach 2009 – 2012.
Wykrój śrubowy na walcu roboczym skalibrowany jest według metod: a) konwencjonalnej
b) klinowej
Montaż segmentów – poszczególne segmenty z fragmentami wykroju śrubowego (6 szt., wymienne – w zależności od metody kalibrowania wykroju śrubowego, są montowane na obwodzie każdego walca, tj. wkładki z wykrojem (rys. 4.2a) na obwodzie, odpowiednio kalibrowanych metodą numeryczną), są umieszczane na korpusie walca roboczego z czopami (rys. 4.2b) i umocowane na stałe przez dokręcenie pierścieni zaciskowych z obu stron. Widok walca roboczego po montażu segmentów przedstawiono na rys. 4.2c [35].
65
a)
b)
c)
Rys. 4.2. Konstrukcja walca roboczego z wykrojem śrubowym: a – pojedyncze segmenty z fragmentami wykroju śrubowego, b – korpus walca z czopami i pierścieniami zaciskowymi, mocującymi segmenty, c – walec
66
a) b)
Rys. 4.3. Widok złożenia narzędzi roboczych, zabudowanych do klatki roboczej dwuwalcowej walcarki skośnej od strony: wejścia (a) i wyjścia (b) z kotliny odkształcenia:
a – walce robocze, usytuowane w płaszczyźnie poziomej, b – liniały stałe, usytuowane w płaszczyźnie pionowej walcarki
67
4.4. Modelowanie walcowania skośnego
Na rysunku 4.4 pokazano model geometryczny procesu walcowania skośnego kul o średnicy 30 mm, przygotowany w programie SimufactForming.
Rys. 4.4. Model geometryczny procesu walcowania kul 30 (widok izometryczny), opracowany w programie SimufactForming
Narzędzia traktowane jako ciała doskonale sztywne opisywane były za pomocą elementów powierzchniowych (trójkątów i czworokątów). Materiał kształtowany (wsad) modelowany był 8-węzłowymi elementami prostopadłościennymi, które zagęszczano w strefie kształtowania celem zwiększenia dokładności obliczeń. Model materiału kształtowanego (stal C45) zaczerpnięto z biblioteki zastosowanego oprogramowania.
W obliczeniach założono, że: walce obracają się z prędkością obrotową 60 obr/min; wszystkie narzędzia mają jednakową i stałą temperaturę równą 150°C; czynnik tarcia na powierzchni kontaktu materiał-narzędzie ma wartość graniczną równą 1; współczynnik wymiany ciepła miedzy materiałem a narzędziami wynosi 10 kW/m2·K. Przyjęto, że symulowane będzie kształtowanie w trakcie którego walce wykonają co najmniej 3 obroty, co jest wystarczające do opuszczenia przez materiał przestrzeni międzywalcowej. Każdy obrót
68 walców modelowano w 1000 kroków, co przekładało się na długi czas obliczeń (wynoszący klika, a nawet kilkanaście dni).