Widok Analiza numeryczna procesu kucia matrycowego odkuwki typu korbowód

Dr hab. inŜ. Zbigniew PATER, prof. Politechniki Lubelskiej Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny, Lublin

Analiza numeryczna procesu kucia matrycowego

odkuwki typu korbowód

Numerical analysis of the forming process of crank shaft

type forging

Streszczenie

W artykule przedstawiono aspekty modelowania numerycznego procesu kucia matrycowego, na przykładzie kształtowania odkuwki korbowodu. Przeanalizowano dwa warianty kucia matrycowego odkuwki korbowodu: w układzie pojedynczym (z przedkuwki walcowanej metodą WPK) oraz w układzie podwójnym (bezpośrednio z pręta). Przedstawiono moŜliwości analityczne, wynikające z zastosowania metody elementów skończonych, modelowania numerycznego w analizie złoŜonych procesów kucia z wypływką. Omówiono takŜe niedogodności modelowania procesów kształtowania plastycznego w komercyjnych pakietach oprogramowania MSC.SuperForm i QForm 3D.

Abstract

In this paper, the aspect of numerical modeling of die forging process are presented on the example of forming of crank shaft forging. Two variants of forging of this crank shaft were analyzed: in single system (from a pre-form rolled by means of cross-wedge rolling) and in double configuration (directly pre-formed from the bar). The analytical possibilities, which resulted from the application of finite element method and numerical model-ing in the analysis of complex forgmodel-ing processes with flash, were discussed. At the same time disadvantages of modeling of metal forming processes in commercial software MSC.SuperForm and QForm 3D were analyzed.

Słowa kluczowe: kucie matrycowe, korbowód, MES, modelowanie numeryczne

Key words: closed die forging, crank shaft, FEM

1. WSTĘP

Jednymi z głównych celów modernizacji przemysłu kuźniczego są ulepszanie obecnie stosowanych technologii oraz opracowywanie nowych metod wytwarzania. DąŜy się przy tym do uzyskiwania wyrobów o bardzo dobrych właściwościach mechanicznych oraz dokład-nych wymiarach i jakości powierzchni, mak-symalnie zbliŜonych do wyrobów gotowych. Nowoczesny proces kuźniczy powinien takŜe odznaczać się niskimi kosztami wytwarzania, duŜą wydajnością, wysoką jakością oraz oszczędnością w wykorzystaniu materiału.

Osiągnięcie wspomnianych celów wymaga stosowania technik komputerowych, głównie na etapie projektowania procesu produkcyjne-go. UŜyteczność stosowania komputeryzacji wzrasta w przypadkach procesów złoŜonych,

w których występują problemy z doborem pa-rametrów technologicznych procesu kucia gwarantujących optymalny przebieg kształto-wania odkuwki. Takim skomplikowanym pro-cesem jest niewątpliwie kucie matrycowe kor-bowodów.

Zastosowanie symulacji numerycznej w analizie kucia matrycowego ma wiele zalet w stosunku do tradycyjnego procesu projekto-wania technologii, bazującego na wykonywa-niu prób technologicznych. Zalicza się do nich przede wszystkim: stosunkowo niski koszt wdroŜenia, uniwersalność, moŜliwość wielo-krotnego powtarzania obliczeń w celu zweryfi-kowania róŜnych wariantów procesu technolo-gicznego oraz krótki czas opracowania nowej technologii. Obecnie najlepsze moŜliwości w zakresie modelowania komputerowego daje metoda elementów skończonych (MES).

Cha-rakter procesu kucia matrycowego, w większo-ści przypadków, wymusza zastosowanie w obliczeniach pełnego modelu trójwymiaro-wego (3D). Najtrudniejsze jest tutaj mo-delowanie kucia z wypływką, gdzie prawidło-we odwzorowanie kształtu odkuwki i wy-pływki wymaga analizy bardzo duŜej liczby elementów i parametrów technologicznych.

W niniejszym artykule, na przykładzie ku-cia matrycowego odkuwki korbowodu (rys. 1), przedstawiono wykorzystanie symulacji nume-rycznej w projektowaniu procesów kuźniczych. Zwraca się równieŜ uwagę na niedogodności wynikające ze stosowania w takiej analizie programów komercyjnych, słuŜących do mode-lowania procesów kształtowania plastycznego brył.

A

A

A-A

Rys. 1. Odkuwka korbowodu z zaznaczonymi waŜniejszymi wymiarami

Fig. 1. Crank shaft forging with most important dimensions

2. KUCIE MATRYCOWE ODKUWKI

KORBOWODU W UKŁADZIE POJE-DYNCZYM

2.1. Konstrukcja przedkuwki

Do prawidłowego zaprojektowania proce-su kucia matrycowego odkuwki korbowodu konieczne jest ustalenie objętości odkuwki oraz kształtu przedkuwki. Na podstawie analizy

modelu wirtualnego odkuwki korbowodu usta-lono objętość odkuwki V = 43775 mm3 oraz powierzchnię przekroju w płaszczyźnie podzia-łu S = 3149 mm2. Uwzględniając te dane wy-znaczono wysokość rowka wypływki h = 1 mm. Następnie, postępując wg powszechnie stosowanego schematu, podanego np. w opra-cowaniach [1, 2], wyznaczono wykres przekro-jów poprzecznych odkuwki oraz przedkuwki idealnej (rys. 2b). Na jego podstawie sporzą-dzono wykres średnic przedkuwki idealnej (rys. 2c). 0 20 40 60 80 100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Odkuwka Przedkuwka idealna P o le p rz ek ro ju [ m m ] 2 Odległość [mm] 0 20 40 60 80 100 0 10 20 Odległość [mm] P ro m ie ń [ m m ] a) b) c)

Rys. 2. Kształt przedkuwki idealnej korbowodu: a) odkuwka, b) wykres przekrojów poprzecznych,

c) wykres średnic przedkuwki idealnej (zarys przedkuwki idealnej)

Fig. 2. Design of ideal preform shape of crank shaft: a) forging; b) diagram of cross sections; c) outline

of ideal preform

Korzystając z uzyskanych danych zaprojek-towano przedkuwkę rzeczywistą (rys. 3). Zało-Ŝono, Ŝe będzie ona wykonywana metodą wal-cowania poprzeczno-klinowego (WPK). Wprowadzone zmiany kształtu przedkuwki idealnej sprowadziły się do zastąpienia krzy-wizn łukami i odcinkami w ten sposób, by

wy-konanie oprzyrządowania do walcowania nie było zbytnio utrudnione.

Rys. 3. Przedkuwka rzeczywista, wykonywana metodą walcowania poprzeczno-klinowego (WPK) Fig. 3. Real preform obtained by means of CWR

2.2. Analiza procesu walcowania poprzeczno-klinowego (WPK) przedkuwki korbowodu Przedkuwkę korbowodu moŜna walcować stosując dwa warianty: walcowanie w układzie pojedynczym lub walcowanie w układzie po-dwójnym. W pierwszym z nich występuje ko-nieczność odcięcia od pręta wyjściowego czę-ści materiału przedkuwki od strony głowy kuli-stej, gdzie utworzy się lej czołowy. Znacznie korzystniejszy jest wariant w układzie podwój-nym, kiedy walcuje się jednocześnie dwie przedkuwki, połączone ze sobą częściami kuli-stymi. Nie ma wówczas strat materiałowych przy wykonywaniu przedkuwki. Ponadto zwiększa się wydajność oraz korzystniejszy jest rozkład sił osiowych występujących w procesie walcowania przedkuwki, ze wzglę-du na symetrię wyrobu walcowanego.

670 440 100 100 25₀ α β NóŜ rozcinający Klin kształtujący

Rys. 4. Segment klinowy do walcowania poprzeczno-klinowego (WPK) dwóch przedkuwek korbowodu

równocześnie

Fig. 4. Wedge segment for cross-wedge rolling of two preforms

Klinowy segment narzędziowy do walco-wania przedkuwki w tym wariancie

kształto-wania pokazano na rys. 4. ZałoŜono przy tym kąt kształtujący α = 31,5° i kąt rozwarcia klina β = 6,5°. Za strefą kalibrowania umieszczano nóŜ rozcinający, którego zadaniem jest rozdzie-lenie odwalcowanych przedkuwek.

W celu sprawdzenia moŜliwości zastoso-wania procesu walcozastoso-wania przedkuwek metodą WPK wykonano symulację numeryczną.

W Katedrze Komputerowego Modelowa-nia i Technologii Obróbki Plastycznej (KKMi-TOP) Politechniki Lubelskiej do modelowania procesów kształtowania plastycznego wyko-rzystywane są dwa programy komercyjne: MSC.SuperForm i QForm 3D. Wykonane pró-by obliczeniowe wykazały, Ŝe stosowanie pro-gramu QForm 3D do modelowania procesów walcowania (WPK) prowadzi do znacznych błędów w kinematyce płynięcia metalu. Nato-miast skuteczność wykorzystania oprogramo-wania MSC.SuperForm w modelowaniu proce-sów walcowania poprzecznego i skośnego była wielokrotnie potwierdzana, np. w pracach ba-dawczych [3-5] wykonanych przy udziale auto-ra. Zatem ostatecznie w obliczeniach zastoso-wano oprogramowanie MSC.SuperForm 2005.

W obliczeniach przyjęto, Ŝe: kliny prze-mieszczają się w kierunkach przeciwnych z prędkością v = 0,25 m/s, wsadem do walco-wania jest pręt o wymiarach ∅32x150 mm, temperatura wsadu wynosi 1150°C a tempera-tura narzędzi równa jest 200°C. Współczynnik wymiany ciepła miedzy metalem a narzędziami wynosi 5 kW/m2K, zaś czynnik tarcia (ze względu na stosowanie nacięć technologicz-nych) przyjmuje wartość graniczną m = 1,0. Model materiału (stal w gatunku 100Cr6), z którego kuta jest odkuwka korbowodu, za-czerpnięto z biblioteki programu.

Na podstawie wykonanych obliczeń uzy-skano moŜliwość dokładnego prześledzenia zmian kształtu przedkuwki zachodzących w czasie walcowania. Na rys. 5, na którym przedstawiono prognozowaną zmianę kształtu materiału walcowanego, zamieszczono równieŜ widok klina, celem ułatwienia interpretacji wyników.

W efekcie wykonanej symulacji nume-rycznej stwierdzono jednoznacznie, Ŝe stosując metodę walcowania poprzeczno-klinowego (WPK), moŜna walcować przedkuwki

korbo-wodu o kształcie nie odbiegającym od zało-Ŝonego.

Rys. 5. Zmiana kształtu przedkuwki kształtowanej, w układzie podwójnym, metodą walcowania

poprzeczno-klinowego (WPK)

Fig. 5. Progression of preform shape rolled in double system by means of CWR

2.3. Analiza procesu kucia odkuwki korbo-wodu

W pierwszej kolejności zasymulowano proces kucia odkuwki korbowodu w programie MSC.SuperForm 2005. JednakŜe, pomimo wielu prób nie udało się tych obliczeń zakoń-czyć z wynikiem pozytywnym. W momencie, gdy metal zaczynał wpływać do rowka wy-pływki, pomimo zwiększania liczby elemen-tów, nie moŜna było uzyskać zakładanej zbieŜ-ności. Postanowiono zatem wykonać symulację numeryczną w programie QForm 3D. Ze względu na fakt, iŜ nie moŜna było przenieść historii odkształcenia z jednego programu do drugiego, wykonano obliczenia przyjmując kształt materiału wyjściowego do kucia zgodny z otrzymanym w symulacji procesu

walcowa-nia poprzeczno-klinowego (WPK) przedkuwki korbowodu.

Rys. 6. Zmiany kształtu odkuwki korbowodu, kutej pojedynczo

Fig. 6. Changes of shape of crank shaft forging, formed in single system

Przedkuwka walcowana

Operacja 2 – kucie w wykroju matrycującym

Odkuwka korbowodu z wypływką

Operacja 1 – spęczanie przedkuwki

Przyjęto, Ŝe kucie realizowane będzie na prasie korbowej o nacisku 6,3 MN w dwóch operacjach. W pierwszej nastąpi spęczenie przedkuwki na wysokość 25 mm celem uła-twienia ułoŜenia w wykroju matrycującym, a w drugiej kucie matrycowe. W obliczeniach przyjęto następujące załoŜenia: przedkuwka ma jednakową temperaturę 1100°C, czynnik tarcia na powierzchni kontaktu materiału i narzędzia wynosi 0,4, a temperatura matryc jest stała i wynosi 300°C.

Na rysunku 6 przedstawiono zmiany kształtu odkuwki korbowodu obliczane nume-rycznie w programie QForm 3D. Z przebiegu procesu kucia pokazanego na rysunku wynika, Ŝe odkuwka korbowodu ma prawidłowy kształt, nie występują zakucia, a wypływka rozłoŜona jest równomiernie na obwodzie od-kuwki, co świadczy o prawidłowo zaprojekto-wanym kształcie przedkuwki. Na rysunku 7 przedstawiono rozkład siły kucia. Siła kucia osiąga wartość maksymalną około 4,5 MN. Jest ona mniejsza o około 30% od maksymalnej siły nacisku prasy korbowej przewidzianej do kucia odkuwki korbowodu. Z uzyskanych wy-ników symulacji wynika, Ŝe proces kucia na wybranej maszynie kuźniczej powinien być zrealizowany bez zakłóceń.

0 5 10 15 20 25

Odległość między matrycami [mm]

0 1 2 3 4 5 S ił a k u ci a [M N ]

Rys. 7. Rozkład siły kucia podczas kształtowania pojedynczej odkuwki korbowodu

Fig. 7. Distributions of forging load during forming of single crank shaft forging

3. _{KUCIE MATRYCOWE ODKUWKI}

KORBOWODU W UKŁADZIE PO-DWÓJNYM

Ze względu na charakterystyczny kształt przedkuwki (rys. 3) moŜliwe jest kucie dwóch odkuwek korbowodu jednocześnie. Odpowied-nie ułoŜeOdpowied-nie części kulistych i trzonów dwu odkuwek względem siebie powoduje praktycz-nie wyrównapraktycz-nie przekroju poprzecznego na całej długości kształtowanych odkuwek. W takim przypadku moŜliwe staje się kucie odkuwek z pręta bez konieczności wykonywa-nia przedkuwki. Materiałem wyjściowym przy kuciu korbowodu w układzie podwójnym moŜe być pręt o wymiarach ∅30x160 mm, nagrze-wamy do temperatury początkowej 1150°C.

a)

b)

Rys. 8. Widok matryc dolnej (a) i górnej (b) zastosowa-nych w analizie procesu kucia odkuwki korbowodu

w układzie podwójnym

Fig. 8. View of lower die (a) and upper die (b) applied in the analysis of forging of crank shaft in double system

Rys. 9. Zmiany kształtu odkuwki korbowodu, kutej w układzie podwójnym

Fig. 9. Progression of shape of crank shaft forging, formed in double system

Kucie realizowane jest w dwóch opera-cjach. W pierwszej następuje spęczanie pręta na wysokość 25 mm. Natomiast w drugiej wy-konywane jest kształtowanie w wykroju matry-cującym, w matrycach pokazanych na rys. 8.

Wykonana symulacja w systemie

QForm 3D, przy parametrach identycznych jak podczas kucia pojedynczego, potwierdziła

moŜliwość jednoczesnego kucia dwóch odku-wek korbowodu. Świadczy o tym symulacja zmiany kształtu odkuwek pokazana na rysunku 9. JednakŜe zwiększenie objętości kształtowa-nej odkuwki powoduje wzrost siły kucia do około 8 MN (rys. 10). Realizacja kucia odku-wek korbowodu w układzie podwójnym wy-magać będzie zastosowania prasy korbowej o nacisku nominalnym 10 MN.

0 5 10 15 20 25

Odległość między matrycami [mm] 0 1 2 3 4 5 6 7 8 S ił a k uc ia [M N ]

Rys. 10. Rozkład siły kucia podczas jednoczesnego kształtowania dwóch odkuwek korbowodu Fig. 10. Distribution of forging load during forming

of two crank shaft forgings simultaneously

4. PODSUMOWANIE

Przedstawione w artykule wyniki stanowią przykład zastosowania technik komputerowych w analizie numerycznej złoŜonych procesów kucia matrycowego. Wykazano niedogodności zastosowanych w obliczeniach programów komercyjnych, wykorzystywanych w KKMi-TOP Politechniki Lubelskiej, uniemoŜliwiające wykonanie dokładnej analizy procesów kucia matrycowego z badaniem historii odkształce-nia. Wynika to z faktu, Ŝe jedne programy bar-dziej sprawdzają się w modelowaniu procesów walcowania poprzecznego i skośnego, a inne w modelowaniu kucia matrycowego. Równo-cześnie jednak stwierdzono, Ŝe analiza nume-ryczna i modelowanie najbardziej złoŜonych procesów kształtowania plastycznego są realne i to z zastosowaniem komputerów osobistych.

W najbliŜszej przyszłości autor planuje sprawdzenie moŜliwości zastosowania innych

Odkuwki korbowodu z wypływką Pręt wyjściowy ∅30 x 160

Operacja 1 – prasowanie boczne pręta

Operacja 2 – kucie w wykroju matrycującym

pakietów programów komputerowych, w szczególności DEFORM-3D, w modelowa-niu numerycznym procesów kształtowania pla-stycznego brył.

LITERATURA

[1] Wasiunyk P.: Kucie matrycowe. Warszawa: Wyd. WNT 1987

[2] Muster A.: Kucie matrycowe. Projektowanie pro-cesów technologicznych. Warszawa: Wyd. Poli-techniki Warszawskiej 2002

[3] Gontarz A., Łukasik K., Pater Z., Weroński W.: Technologia kształtowania i modelowanie nowego procesu wytwarzania wkrętów szynowych. Lu-blin: Wyd. Politechniki Lubelskiej 2003

[4] Pater Z.: Podstawy teoretyczne i badania ekspe-rymentalne procesu walcowania klinowo-rolkowego. Poznań: Wyd. Instytutu Obróbki Pla-stycznej 2007

[5] Pater Z., Gontarz A., Weroński W.: Analiza moŜ-liwości zastosowania walcowania poprzeczno-klinowego do wytwarzania korpusów noŜy obro-towych. W: Badania teoretyczno-technologiczne procesów plastycznego kształtowania metali. Lublin: Wyd. Politechniki Lubelskiej 2004, s. 13-41