Mgr inŜ. Łukasz NOWACKI, mgr inŜ. Marek PAWLICKI
Instytut Obróbki Plastycznej, Poznań e-mail: nowacki@inop.poznan.pl
Dr inŜ. Sławomir POLAK
Politechnika Wrocławska, Wrocław
Symulacje procesu kształtowania obrotowego
materiałów trudno odkształcalnych
Simulations of the process of rotary forming
of hard-to-deform materials
Streszczenie
W niniejszym artykule przedstawiono i opisano badania symulacyjne procesu zgniatania obrotowego materiałów trudno odkształcalnych (Inconel 625) prowadzone w Instytucie Obróbki Plastycznej w Poznaniu (w programie PamStamp) oraz na Politechnice Wrocławskiej (w programie MSC.Marc). Wyniki dla poszczególnych progra-mów róŜnią się m.in. ze względu na podział na elementy skończone oraz na przyjęcie innego modelu oblicze-niowego (w MSC.Marc nie przeprowadzano operacji wstępnego tłoczenia materiału wyjściowego). Badania wymagają jeszcze dalszych kontynuacji ze względu na moŜliwości osiągnięcia parametrów w pełni odwzorowu-jących parametry rzeczywiste procesu.
Abstract
The paper presents and describes simulation investigation of the process of rotary extrusion of hard-to-deform materials (Inconel 625) performed by the Metal Forming Institute in Poznań ( in the PamStamp program) and by the Wroclaw University of Technology (in the MSC.Marc program). The results in the individual programs differ, among others, due to the division into finite elements and to the adoption of a different calcu-lation mode (in the MSC.Marc program, the operation of initial stamping of the raw material has not been performed). The investigation requires continuation due to the possibility of obtaining parameters fully reflec-ting the actual parameters of the process.
Słowa kluczowe: tłoczenie, zgniatanie obrotowe, symulacja, PamStamp, MSC.Marc, MES Key words: stamping, rotary extrusion, simulation, PamStamp, MSC.Marc, FEM
1. WSTĘP
Z ostatnich publikacji naukowych wynika, Ŝe aktualnie wykonuje się coraz więcej symu-lacji procesu zgniatania obrotowego. Jest to coraz częstszy temat badań prowadzonych przez naukowców krajowych i zagranicznych. W niniejszym artykule przedstawiono i opisano badania symulacyjne procesu zgniatania obro-towego materiałów trudno odkształcalnych (Inconel 625) prowadzone w Instytucie Obrób-ki Plastycznej w Poznaniu [7] oraz na Poli-technice Wrocławskiej.
1. INTRODUCTION
Recent scientific publications indicate that more and more simulations of the rotary extru-sion process are performed nowadays. It is a more and more frequent subject of investiga-tions performed by domestic and foreign scien-tists. The present paper describes simulation investigation of the process of rotary forming of hard-to-deform materials (Inconel 625) per-formed by the Metal Forming Institute in Poznań [7] and in the Wroclaw University of Technology.
2. PARAMETRY WYJŚCIOWE SYMU-LACJI
Przedmiotem badań modelowania kompu-terowego był materiał trudno odkształcalny, stop na osnowie niklu – Inconel 625, który jest wykorzystywany w przemyśle lotniczym (ele-menty turbin w silnikach lotniczych).
Do badań symulacyjnych procesu tłocze-nia wytłoczki wstępnej zostały stworzone wir-tualne narzędzia w programach Solid Works, VisiCad oraz ProENGINEER. Geometria na-rzędzi oraz wymiary materiału wyjściowego zostały wprowadzone do modelu MES symula-cji na podstawie rysunków wykonanych w In-stytucie Obróbki Plastycznej.
Wyjściowe wymiary geometryczne: • wzornik – średnica: φ119,5 mm,
• wytłoczka – średnica wewnętrzna: φ119,7 mm,
• grubość materiału: 3,1 mm.
Badania prowadzone na Politechnice Wro-cławskiej wykonano w programie MSC.Marc. Wytłoczka cylindryczna ze względu na proces odkształcania, została podzielona na elementy typu solid 3D (kaŜdy element to 8 węzłów). Na grubości materiału zastosowano 3 elementy. Wielkość elementów w kierunku wysokości wytłoczki przedstawia rys. 3. Na obwodzie zastosowano 288 elementów. Ze względu na kształtowanie zgniataniem jedynie bocznych ścianek wstępnej wytłoczki cylindrycznej wy-cięto w niej otwór zmniejszając liczbę elemen-tów celem skrócenia czasu obliczeń.
W Instytucie Obróbki Plastycznej zreali-zowano badania w programie PamStamp. W programie PamStamp zasymulowano wstępny proces tłoczenia, w którym materia-łem wyjściowym był krąŜek o średnicy 200 mm, grubości 3,1 mm. Następnie dla wir-tualnej wytłoczki symulowano proces zgniata-nia obrotowego, w którym materiałem wyj-ściowym była wytłoczka cylindryczna po prze-prowadzonej wcześniej symulacji tłoczenia. W procesie symulacji przyjęto 4 warstwy na grubości, zbudowane z siatki o rozmiarze ele-mentów 3x3 mm, a narzędzia do modelowania przyjęto, jako sztywne.
2. INITIAL PARAMETERS OF THE SI-MULATION
The object of computer modelling investi-gation was the hard-to-deform alloy on nickel matrix, Inconel 625, which is used in the air-craft industry (turbine elements in airair-craft engines).
For the simulation investigation of the pro-cess of forming a blank drawpiece, virtual tools have been created in Solid Works, VisiCad and ProENGINEER programs. The tool geometry and the initial material dimensions have been put to the FEM model of the simulation basing on the drawings made by the Metal Forming Institute.
The initial geometrical dimensions:
• templet – diameter:
φ
119.5 mm,• drawpiece – inner diameter:
φ
119.7 mm,• material thickness: 3.1 mm.
The investigation of the Wroclaw Univer-sity of Technology has been performer in the MSC.Marc program. For the sake of the deformation, a cylindrical drawpiece has been divided into elements type solid 3D (each element has 8 nodes). On the material thick-ness, three elements were applied. The size of the elements in the direction of the draw-piece height can be seen in fig. 3. On the cir-cumference, 288 elements have been applied. Since only the side walls of the initial cylindri-cal drawpiece were formed by extrusion, a hole has been cut out of it reducing the number of elements in order to shorten the time of cal-culations.
In the Metal Forming Institute, the investi-gation has been performed in the PamStamp. In this program, the initial process of stamping has been simulated program; the input mate-rial was a 3.1 mm thick disk of 200 diameter. Then, for the virtual drawpiece, the process of rotary extrusion has been simulated in which process the input material was a cylindrical drawpiece after a prior simulation of stam-ping. In the process of simulation, 4 layers on the thickness have been adopted, made of a network of elements dimensioned 3x3 mm. The tools for modelling have been adopted as stiff ones.
3. METODYKA BADAŃ
Przeprowadzono 2 odrębne symulacje pro-cesu kształtowania obrotowego w 2 róŜnych programach (MSC.Marc oraz PamStamp):
• Symulacja procesu w programie MSC.Marc (rys. 1);
• Symulacja procesu w programie PamStamp (rys. 2).
Rys. 1. Model numeryczny narzędzi w programie MSC.Marc
1 – rolki, 2 – dociskacz, 3 – wzornik, 4 – wytłoczka narysowana w programie typu CAD Fig. 1. Numerical model of tools in the MSC.Marc
program
1 – rolls, 2 – blankholder, 3 – templet, 4 – drawpiece drawn in a program type CAD
3. INVESTIGATION METHODOLOGY
Two separate simulations of rotary for-ming have been performed in two different pro-grams (MSC.Marc and PamStamp):
• Process simulation in the MSC.Marc pro-gram (fig. 1);
• Process simulation in the PamStamp pro-gram (fig. 2).
Rys. 2. Model numeryczny narzędzi w programie PamStamp [3]
1 – rolki, 2 – dociskacz, 3 – wzornik, 4 – wytłoczka Fig. 2. Numerical model of tools in the PamStamp
program
1 – rolls, 2 – blankholder, 3 – templet, 4 – drawpiece
a) b)
Rys. 3. Ustawienia narzędzi wirtualnych: a) w programie MSC.Marc, b) w programie PamStamp Fig. 3. Positioning of virtual tools: a) in the MSC.Marc program, b) in the PamStamp program
4 2 1 3 4 2 1 3
Na rys. 3 pokazano podział na elementy skończone oraz ustawienie narzędzi roboczych względem siebie. W programie PamStamp wy-tłoczka nie jest idealna, jak wczytano do pro-gramu MSC.Marc. Wytłoczka w programie PamStamp ma zmienny kształt na pobocznicy i zmienną grubość. Wynika to z przeprowadzo-nej wcześniej, przed zgniataniem obrotowym, operacji tłoczenia.
3.1. Symulacja procesu zgniatania obroto-wego w programie MSC.Marc
Pierwszą symulację procesu zgniatania obrotowego przeprowadzono w programie MSC.Marc 2010 w przestrzeni 3D. Narzędzia w modelowaniu przyjęto, jako sztywne nieod-kształcalne.
Obliczenia zostały wykonane na komputerze: • 12 GB pamięci ram,
• Procesor i7 4 – rdzeniowy,
• Zastosowano licencję 4 – procesorową. Obliczenia numeryczne procesu zgniatania obrotowego dla czasu odkształcania 4,421 s były wykonywane przez 8 dni.
W symulacji procesu zgniatania obrotowego wytłoczki cylindrycznej w programie MSC.Marc określano wielkości dla następują-cych parametrów:
• odkształcenie zewnętrznej powierzchni wytłoczki,
• siły kształtowania, • odkształcenie plastyczne, • prędkość odkształcania.
Na rysunku 1 przedstawiono schemat pro-cesu zgniatania obrotowego przyjęty w pierw-szej przeprowadzonej symulacji.
Wzornik obraca się wokół osi x i jedno-cześnie powoduje obrót wytłoczki cylindrycz-nej z prędkością obrotową 500 obr/min (ok. 8,33 obr/s). Rolki kształtujące równieŜ obracają się wokół osi x oraz dodatkowo przesuwają się wzdłuŜ tej osi. Prędkość obrotowa rolek wyli-czona z zaleŜności geometrycznych wynosi 5,226 obr/s, posuw 5 mm/s.
Fig. 3 shows the division into finite ele-ments and the positioning of the working tools in relation to each other. In the PamStamp pro-gram the drawpiece is not perfect as has been entered into the MSC.Marc program. The drawpiece in the PamStamp program has varying shape of t6he side wall and various thickness. This results from the operation of stamping performed prior to the rotary extrusion.
3.1. Rotary extrusion simulation in the MSC.Marc program
The first simulation of rotary extrusion has been performed in the MSC.Marc 2010 pro-gram in 3D space. The tools in modelling have been adopted as stiff and indeformable ones The computer used in the calculations: ● 12 GB ram memory,
● 4-core i7 processor ,
● 4-processor licence has been applied. The numerical calculations of the rotary extru-sion process for the deformation time 4.421 s have been performed for 8 days
In the simulation of the rotary extrusion process for a cylindrical drawpiece in the MSC.Marc program, the following parameter magnitudes have been determined:
● deformation of the drawpiece outer surface, ● forming forces,
● plastic strain, ● deformation speed.
In figure 1, one can see a diagram of the rotary extrusion process adopted in the first simulation performed.
The templet rotates around axis x and, at the same time, makes the cylindrical draw-piece rotate at the rotational speed of 500 rpm (8.33 revolutions per second). The forming rolls also rotate around axis x and, additio-nally, move along that axis. The rotational speed of the rolls, calculated from the geome-trical relationships is 5.226 rev. per second, travel 5 mm/s.
3.2. Symulacja procesu zgniatania obroto-wego w programie PamStamp
Drugą symulację procesu zgniatanie obro-towego przeprowadzono w programie Pam-Stamp. W modelowaniu przyjęto narzędzia takŜe, jako sztywne, nieodkształcalne.
Obliczenia zostały wykonane na komputerze: • 16 GB pamięci ram,
• procesor 4x4 E7430 – na wirtualnej ma-szynie 16-rdzeniowej,
• zastosowano licencję 2 – procesorową. Wstępne badania wykonano z zastosowa-niem elementów bryłowych siatki. Symulacja miała na celu sprawdzenie poprawności od-wzorowania ruchu rzeczywistych narzędzi oraz dodania do bazy materiałowej programu PamStamp materiału Inconel 625.
Schemat procesu zgniatania obrotowego w programie PamStamp pokazano na rys. 2. Wzornik porusza się wzdłuŜ osi z, rolki toczą się po wytłoczce imitując ruch wzornika. Obro-ty rolek: 572,4 obr./min, posuw wzornika: 300 mm/min.
Czas obróbki został odniesiony jedynie do ruchu roboczego narzędzi. Wynosi on: 1,1 s. Po tłoczeniu wstępnej wytłoczki nie stosowano międzyoperacyjnej obróbki cieplnej.
Dane materiałowe nadstopu niklu Inconel 625, przyjęte z dostępnych danych literaturo-wych, są następujące:
• moduł Younga: 2,08⋅105 MPa, • liczba Poissona: 0,278,
• gęstość: 8,44 g/cm3.
Krzywa napręŜenie uplastyczniające – odkształcenie rzeczywiste została określona z badań wytrzymałościowych wykonanych w Instytucie Obróbki Plastyczniej i wprowa-dzona w formie numerycznej zarówno do pro-gramu MSC.Marc (rys. 4) [7], jak i do progra-mu PamStamp (rys. 5) [1].
4. PRZEBIEG I WYNIKI BADAŃ
W programie MSC.Marc symulacja proce-su zgniatania obrotowego została wykonana bez uwzględnienia tarcia w modelu numerycz-nym (współczynniki tarcia = 0). Natomiast w programie PamStamp uŜyto współczynniki tarcia przedstawione w tablicy 1.
3.2. Rotary extrusion simulation in the Pam-Stamp program
The other simulation of rotary extrusion has been performed in the PamStamp program. The tools in modelling have been adopted as stiff and indeformable ones, too.
The computer used in the calculations: ● 16 GB ram memory,
● Processor 4x4 E7430 – on a virtual 16- core machine,
● 2-processor licence has been applied. Initial reexamination has been effected with the use of solid elements of the lattice. The purpose of the simulation was top check the correctness of the representation of the actual tool motion and to add the Inconel 625 material to the material base of the Pam-Stamp program.
A diagram of the rotary extrusion process in the PamStamp program can be seen in fi-gure 2. The templet moves along z axis, the rolls move on the drawpiece imitating the motion of the templet. The roll speed: 572.4 rpm, templet travel : 300 mm/min.
The time of forming has been related only to the working motion of the tools. It amounts: 1.1 s. After the initial drawpiece has been stamped, no interoperation heat treatment has been applied.
The material data of the Inconel 625 alloy, adopted from the available literature data are as follows:
● Young’ modulus: 2.08 x 105 MPa, ● Poisson ratio:0.278,
● density: 8.44 g/cm3.
The curve of the yield stress – true strain has been determined on the basis of strength examination performed by the Metal Forming Institute and entered in the numerical form to both the MSC.Marc (fig.4) [7] and to the PamStamp program (fig. 5) [1].
4. INVESTIGATION PROCEEDING AND RESULTS
In the MSC.Marc program, the simulation of rotary extrusion process has been performed without consideration of friction in the numeri-cal model (coefficient of friction = 0). In the PamStamp program, on the other hand, friction coefficients shown in table 1 have been used.
Rys. 4. Krzywa napręŜenie uplastyczniające-odkształcenie rzeczywiste dla materiału Inconel 625 wpisana do programu MSC.Marc [7]
Fig. 4. Curve of the yield stress – true strain for the Inconel 625 material entered into the MSC.Marc program [7]
Rys. 5. Parametry materiałowe nadstopu niklu Inconel 625 wpisane do programu PamStamp 1 – stałe materiałowe (E, ν, ρ), 2 – graniczna krzywa formowania, 3 – krzywa umocnienia [1] Fig. 5. Material parameters of the nickel superalloy, Inconel 625 entered into the PamStamp program
1 – material constants (E, ν, ρ), 2 – limit forming curie, 3 – work-hardening curve [1] Tablica 1. Współczynniki tarcia wprowadzone do programu PamStamp
Table 1. Coefficients of friction entered into the PamStamp program Operacja tłoczenia
Stamping operation
Operacja zgniatania obrotowego Rotary extrusion operation Narzędzie Tool Matryca Die Stempel Punch Dociskacz Blankholder Wzornik Templet Dociskacz Blankholder Rolki Rolls Współczynnik tarcia Coefficient of friction 0,06 0,06 0,06 0,95 0,95 0,06
4.1. Badania symulacyjne procesu zgnia-tania obrotowego w programie MSC.Marc
Kształt zewnętrznej powierzchni wytłoczki został przedstawiony na rys. 6.
Przy przyjętych warunkach brzegowych, podczas kształtowania, obserwuje się nie-znaczne skręcenie materiału w obszarze od-kształconym wytłoczki. Jest to związane z róŜ-nicą średnic początkowych wzornika oraz wy-tłoczki, a takŜe z miejscowym odkształcaniem materiału, w czasie procesu kształtowania ob-rotowego. Na początku procesu odkształcania zaobserwowano mniejsze skręcenie wytłoczki niŜ w kolejnych fazach procesu odkształcania, kiedy skręcenie materiału wzrosło.
Wykresy sił występujących na narzędziach w czasie procesu zgniatania obrotowego zosta-ły przedstawione na rys. 7–9.
Wypadkowe siły występujące na wzorniku wynoszą około 73 kN (rys. 7); na rolkach kształtujących są większe i wynoszą około 98 kN. RóŜnica jest związana z występowa-niem sił promieniowych, które w przypadku wzornika znoszą się, a w przypadku rolek kształtujących przyjmują przeciwne wartości (rys. 9).
4.1. Simulation of the rotary extrusion pro-cess in the MSC.Marc program
The shape of the outer surface of a draw-piece has been shown in fig. 6.
Under the adopted boundary conditions, slight twisting of the material is observed in the deformed area of the drawpiece during forming. \this is related to the difference of the initial diameters of the templet and the drawpiece, as well as to the local deforma-tion of the material during the process of ro-tary forming. The twisting of the drawpiece was less at the beginning of the deformation p[process than in the subsequent phases of the process of deformation when the twisting increased.
The curves of forces acting on the tools during the process of rotary extrusion can be seen in figs 7–9.
The resultant forces acting on the templet are about 73 kN (fig. 7); they are larger on the forming rolls and amount about 98 kN. The difference is related to the occurrence of radial forces which nullify each other in the case of the templet and take opposite values in the case of rolls (fig. 9).
Rys. 6. Kształt zewnętrznych powierzchni modelu numerycznego narzędzi oraz wytłoczki dla czasu symulacji 4,421 s w programie MSC.Marc
Fig. 6. The shape of the outer surfaces of the numerical model of the tools and the drawpiece in the MSC.Marc program, for the simulation time of 4.421 s
Rys. 7. Siły wypadkowe na narzędziach [kN] wg programu MSC.Marc: 1 – wzornik, 2 – rolka prawa, 3 – rolka lewa
Fig. 7. Resultant forces on tools [kN] acc. to the MSC.Marc program: 1 – templet, 2 – the right roll, 3 – the left roll
Rys. 8. Siły osiowe na narzędziach [kN] wg programu MSC.Marc:
1 – wzornik, 2 – rolka prawa, 3 – rolka lewa (siły na rolkach są jednakowe), 4 – dociskacz Fig. 8. Axial forces [kN] on the tools acc. to the MSC.Marc program:
1- templet, 2 – the right roll, 3 – the left roll (the forces on the rolls are the same), 4 – blankholder kN
Czas trwania procesu [sek]
1
2
3
kN
Czas trwania procesu [sek]
4
2
3
Rys. 9. Siły promieniowe na narzędziach [kN] wg programu MSC.Marc: 1 – rolka prawa, 2 – rolka lewa Fig. 9. Axial forces on the tools [kN] acc. to the MSC.Marc program: 1 – the right roll, 2 – the left roll
Na rysunku 8 przedstawiono wykres sił osiowych na narzędziach. Charakter wykresu jest oscylacyjny (wynika on z podziału na ele-menty skończone). Wartość siły osiowej na wzorniku (1) wynosi około 72 kN. Na rolkach (2) kształtujących siła jest ponad dwukrotnie mniejsza. Na wykresie jest przedstawiona rów-nieŜ siła docisku (3) wytłoczki do wzornika. Siły osiowe na rolce lewej (1) są jednakowe jak na rolce prawej (2).
PoniewaŜ obliczenia numeryczne nie zo-stały wykonane do końca procesu kształtowa-nia wyrobu, przesłanki wskazują, Ŝe proces powinien się ustabilizować i dalsze kształtowa-nie wytłoczki powinno się odbywać przy sta-łych wartościach sił na narzędziach.
Odkształcenie plastyczne (total equivalent
plastic strain) wytłoczki zostało przedstawione na rys.10–12. Największe odkształcenia pla-styczne występują na zewnętrznej średnicy wytłoczki. Wartość odkształcenia plastycznego wynosi ok. 2. Jest to dobrze widoczne na prze-kroju wytłoczki na rys. 10 i 12.
Figure 8 shows the diagram of the axial forces on the tools. The diagram has an osci-llating character (due to the division into finite elements). The value of the axial force on the templet is about 72 kN. It is less than half of it on the rolls. The diagram shows also the force of the drawpiece pressing to the tem-plet (3). The axial forces on the left roll(1) are the same as those on the right one (2).
Since the numerical calculations have not been performed to the end of the process of product forming, premises indicate that the process should stabilize and further for-ming of the drawpiece should be effected with constant forces on the tools.
The total equivalent plastic strain of the drawpiece has been presented in figs 10–12. The largest plastic strains occur on the outer diameter of the drawpiece. The value of the plastic strain is about 2. It is clearly visible on the drawpiece cross-section in figs 10 and 12.
kN
Czas trwania procesu [sek]
1
Rys. 10. Odkształcenia zastępcze na powierzchni zewnętrznej wytłoczki wg programu MSC.Marc Fig. 10. Strain replacements on the outer surface of a drawpiece acc. to the MSC.Marc program
Rys. 11. Odkształcenia zastępcze na przekroju wytłoczki 3D wg programu MSC.Marc dla czasu 2,515 s Fig. 11. Strain replacements on a 3D cross-section of a drawpiece acc. to the MSC.Marc program
for the time of 2.515 s
Rys. 12. Odkształcenia zastępcze na przekroju 3D wytłoczki wg programu MSC.Marc dla czasu 4,421 s. Widoczny próg tworzący się przed rolką zgniatającą
Fig. 12. Strain replacements on a 3D cross-section of a drawpiece acc. to the MSC.Marc program for the time of 4.421 s. Visible shoulder formed before the extrusion roll
Wielkość odkształcenia na powierzchni we-wnętrznej i zewe-wnętrznej jest związana z tym, Ŝe na powierzchni zewnętrznej materiał jest od-kształcany w kierunku osiowym, promienio-wym i obwodopromienio-wym, natomiast na powierzchni wewnętrznej głownie dominuje odkształcenie osiowe z niewielkim udziałem odkształceń promieniowych i obwodowych. Dodatkowo w wierzchnich warstwach zewnętrznych wy-tłoczki obserwuje się ścinanie, które moŜna łatwo zaobserwować na przekroju próbki. Do-datkowo w trakcie operacji zgniatania obroto-wego następuje spiętrzenie materiału przed częścią roboczą rolki kształtującej (rys. 11). Dla czasu 2,515 s jest widoczne niewielkie spiętrzenie, a dla czasu 4,421 s znacznie więk-sze. Efektem tego jest zwiększenie średnicy wytłoczki (rys. 12).
Z przyjętego modelu materiału, którego odkształcenie rzeczywiste wynosiło 0,3 i z sy-mulacji, gdzie obserwowana jest wartość rze-czywistego odkształcenia plastycznego na po-ziomie 2, wyniki nie są w pełni porównywalne w tym zakresie.
The deformation magnitude on the inner and outer surface is relate to the fact that the mate-rial is deformed in the axial, radial and circumferential direction on its outer surface while axial deformation, with only slight con-tribution of radial and circumferential ones, dominates on the inner surface. Moreover, in the outer surface layers of the drawpiece, one can observe shearing which is easy to see on the sample cross-section. During the rotary extrusion operation, accumulation of material before the working part of the forming roll takes place (fig. 11). For the time of2.515 s, a slight accumulation can be observed, a sig-nificantly larger one fo the time of 4.421 s. An effect of that is an increase of the drawpiece diameter (fig. 12).
From the adopted model of material whose true strain was 0.3 and from simulation where the true plastic strain of 2 is observed, the re-sults are not fully comparable in that respect.
Rys. 13. Prędkość odkształcenia na zewnętrznej powierzchni wytłoczki wg programu MSC.Marc dla czasu symulacji 4,421 s
Fig. 13. Deformation speed on the outer drawpiece surface acc. to the MSC.Marc program for the simulation time of 4.421 s
Rys. 14. Prędkość odkształcenia na przekroju wzdłuŜnym 3D wytłoczki wg programu MSC.Marc dla czasu symulacji 2,515 s
Fig. 14. Deformation speed on the 3D longitudinal drawpiece section acc. to the MSC.Marc program for the simulation time of 2.515 s
Największą prędkość odkształcania obserwuje się na zewnętrznej powierzchni wytłoczki, wy-nosi ona około 140 s-1 dla czasu symulacji 4,421 s – rys. 13. Dla porównania zamieszczo-no rezultaty dla czasu 2,515 s – rys. 14. W in-nych krokach obliczeniowych prędkości te są większe, bądź mniejsze i jest to związane mię-dzy innymi z podziałem na elementy skończo-ne, postępującym odkształceniem wytłoczki, itp. Na przekroju wzdłuŜnym wytłoczki dla czasu symulacji 4,421 s – rys. 13 – prędkość odkształcania ma wartości do 36 s-1. Jest to związane z tym, iŜ największa zmiana od-kształcenia w czasie następuje w obszarze sty-ku z rolką zgniatającą dla średnich wartości grubości ścianki wytłoczki.
4.2. Badania symulacyjne procesu zgniata-nia obrotowego w programie PamStamp
W programach symulacyjnych procesów technologicznych kształtowania blach, dla uproszczenia, przy odzwierciedlaniu rzeczywi-stej geometrii, stosuje się elementy typu po-włokowego (shell). Wynika to z dostosowania silników obliczeniowych (solverów) do pła-skiego stanu odkształcenia i napręŜenia.
The highest deformation speed is found to oc-cur on the outer drawpiece surface; it is about 140 s-1 for simulation time of 4.421 s – fig. 13. For comparison, the results for the time of 2.515 s have also been stated – fig. 14. In other calculation steps, those speeds are higher or lower and it is related, among others, to the division into finite elements, the pro-gressing deformation of the drawpiece, etc. On the longitudinal section of the drawpiece, for the simulation time of 4.421 s, fig. 13, the deformation speed has the values of up to 36 s-1. This is due to the fact that the largest change of deformation in time takes place in the area of contact with the extrusion roll for the average thicknesses of the drawpiece wall.
4.2. Simulation of the rotary extrusion pro-cess in the PamStamp program
In the simulation programs of the techno-logical processes of sheet metal forming, shell type elements are used in representing the true geometry for the sake of simplicity. This is due to the adaptation of computation solvers to the flat state of stress and strain.
W przypadku procesów tłoczenia blach i pro-cesów wyoblania takie uproszczenie jest za-sadne. Skraca to czas obliczeń numerycznych.
W procesach zgniatania obrotowego, które są klasyfikowane na pograniczu obróbki blach i objętościowej obróbki plastycznej metali, takie uproszczenie prowadzi do niejednoznacz-ności w wynikach symulacji.
Mając to na uwadze, przeprowadzono wstępne próby programowania procesu kształ-towania obrotowego w programie PamStamp z wykorzystaniem elementów objętościowych siatki MES (typu solid), korzystając z opcji Volume Blank.
Przedstawione w artykule wyniki badań rozpoznawczych wskazują na moŜliwość uŜy-cia funkcji Rotational kinametics (kinematyka obrotowa) celem zasymulowania procesów kształtowania obrotowego. Nie są to jednak wyniki ostateczne. Trwają równieŜ dalsze ba-dania w programie PamStamp z wykorzysta-niem elementów typu solid do symulacji proce-su zgniatania obrotowego rzutowego, z kine-matyką narzędzi porównywalną do występują-cej w rzeczywistości.
Na rys. 15 pokazano wytłoczkę wirtualną po operacji tłoczenia w programie PamStamp (wraz z wizualizacją odkształcenia plastyczne-go).
Such a simplification is justifiable in the case of stamping metal sheets and spinning pro-cesses. It shortens the me of numerical calcula-tions. In the processes of rotary extrusion, cla-ssified at the boundary of sheet metal forming and solid forming, such a simplification leads to ambiguity of the simulation results.
With this in mind, initial tests of progra-mming of the rotary forming process in the PamStamp program have been performed with the use of the volumetric elements of the FEM lattice (solid type), with the appli-cation of the Volume Blank option.
The results of recognition investigation presented in this paper indicate the possibility of utilizing the function of Rotational kinema-tics in order to simulated the processes of ro-tary forming. Those are not, however, final results. Further investigation in the PamStamp program, with the use of solid type elements for simulation of the process of shear forming, with the tool kinematics comparable to that occurring in reality, is in progress.
Fig. 15 shows a virtual drawpiece after the operation of stamping in the PamStamp program (with plastic strain visualized).
Rys. 15. Wytłoczka wirtualna po operacji tłoczenia w programie PamStamp z wizualizacją odkształcenia plastycznego Fig. 15. Virtual drawpiece after stamping operation in the PamStamp program with the visualization of plastic strain
Rys. 16. Wytłoczka zgniatana obrotowo wydłuŜająco ze zgniotem 38% otrzymana w programie PamStamp, z wizualizacją odkształceń głównych w czasie procesu
Fig. 16. A drawpiece, after elongating rotary extrusion, with cold work of 38%, obtained in the PamStamp program, main deformation visualized
Rys. 17. Końcowa wytłoczka wirtualna po procesie zgniatania obrotowego wydłuŜającego ze zgniotem 38%, z wizualizacją odkształceń głównych
Fig. 17. The final virtual drawpiece after the process of elongating rotary extrusion with cold work of 38%, with the main deformations visualized
Na rys. 16 przedstawiono wytłoczkę otrzymaną w procesie zgniatania obrotowego wydłuŜają-cego z załoŜonym zgniotem 38%. Widoczny próg materiałowy potwierdza poprawność od-wzorowania rzeczywistego procesu zgniatania. Na rys. 17 pokazano końcową wirtualną tłoczkę po operacji zgniatania obrotowego wy-dłuŜającego.
In fig. 16, one can see a drawpiece obtained in the process of elongating rotary extrusion with an assumed cold work of 38%. The visible material shoulder proves correct representa-tion of real extrusion process.
Fig. 17 shows a final virtual drawpiece after the operation of elongating rotary extrusion.
Na rysunkach 18–21 znajdują się wykresy sił wypadkowych na narzędziach wirtualnych w procesie zgniatania obrotowego z programu PamStamp.
In figs 18–21, one can see diagrams of the re-sultant forces on virtual tools in the process of rotary extrusion, from the PamStamp program.
Rys. 18. Siła wypadkowa na dociskaczu [kN] w programie PamStamp. Zgniot – 38%, nacisk dociskacza – 180 kN Fig. 18. Resultant force [kN] on the blankholder in the PamStamp program. Cold work – 38%
Blankholder force – 180 kN
Rys. 19. Siła wypadkowa na wzorniku [kN] wg programu PamStamp. Zgniot – 38% Fig. 19. Resultant force [kN] on the templet back acc. to the PamStamp program. Cold work – 38%
Rys. 20. Siła wypadkowa na rolce lewej [kN] wg programu PamStamp. Zgniot – 38% Fig. 20. Resultant force [kN] on the left-hand roll acc. to the PamStamp program. Cold work – 38%
Rys. 21. Siła wypadkowa na rolce prawej [kN] wg programu PamStamp. Zgniot – 38% Fig. 21. Resultant force [kN] on the right-hand roll acc. to the PamStamp program. Cold work – 38%
Z rysunku 18 i 19 wynika, Ŝe wartości sił wypadkowych na wzorniku i dociskaczu są w przybliŜeniu stałe w momencie pierwszego styku rolek z materiałem kształtowanym. Wypadkowa siła rzeczywista na dociskaczu wynosi 180 kN, a na wzorniku 180–200 kN. Wielkości sił na rolkach lewej i prawej (rys. 20 i 21) są zbliŜone do siebie i maleją wraz ze wzrostem odkształcenia wytłoczki i wynoszą 70–80 kN.
5. WNIOSKI
1. Stworzono model procesu kształtowania obrotowego zarówno w programie PamStamp jak i w programie MSC.Marc. 2. Uzyskano wyniki zmiany kształtu
wy-tłoczki (pocienień), wielkości odkształceń, napręŜeń i wypadkowych sił na narzę-dziach.
3. Wyniki dla programów MSC.Marc i PamStamp róŜnią się m.in. ze względu na podział na elementy skończone oraz na przyjęcie innego modelu obliczeniowego 4. W programie MSC.Marc nie
przeprowa-dzano operacji wstępnego tłoczenia mate-riału wyjściowego.
5. Badania symulacyjne procesu zgniatania obrotowego wymagają jeszcze dalszej kontynuacji szczególnie z uŜyciem ele-mentów objętościowych typu solid w siat-ce MES, ze względu na moŜliwości osią-gnięcia parametrów w pełni odwzorowują-cych parametry rzeczywiste procesu. 6. Planuje się dalsze badania procesu
kształ-towania obrotowego w innych programach symulacyjnych
Pracę zrealizowano w ramach działalności statutowej BT 901 71 003 - Badania testujące program PamStamp w zastosowaniu do tłocze-nia i modelowatłocze-nia MES procesu zgtłocze-niatatłocze-nia obrotowego wydłuŜającego wytłoczek z blach.
Figures 18 and 19 indicate that that the resultant force values on the templet and the blank holder are approximately con-stant at the moment of the first contact of the rolls with the material. The resultant actual force on the blankholder is 180 kN; 180-200 kN on the templet. The force magnitudes on the left-hand side roll and the right-hand one are close to each other; they decrease with the increase of the drawpiece deformation, amounting 70–80 kN.
5. CONCLUSIONS
1. A model of the rotary extrusion process has been created both in the PamStamp pro-gram and in the MSC.Marc propro-gram.
2. The results of drawpiece shape changes (thinning), the magnitudes of strain and stress and the resultant forces on the tools have been obtained.
3. The results for the MSC.Marc and the Pam-Stamp programs differ due, among others, to the division into finite elements and adop-tion of another computaadop-tion model.
4. In the MSC.Marc program, the operation of initial stamping of the raw material has not been performed.
5. Simulation investigation of the rotary extru-sion process require continuation, particu-larly with the use of solid type volumetric elements in the FEM lattice, due to the pos-sibility of obtaining parameters fully repre-senting the actual parameters of the pro-cess.
6. Further investigation of the rotary forming process in other simulation programs is in-tended.
The work has been realized within the statute activity, BT 901 71 003 - Investigation testing the PamStamp program in the application to stamping and FEM modelling of the process of elongating rotary extrusion of sheet metal drawpieces.
LITERATURA/REFERENCES
[1] PAM – STAMP 2G & PAM – TUBE 2G, User’s Guide, 2009.
[2] Shan Debin, Yang Guoping, Xu Wenchen: Deformation history and the resultant microstructure and texture in backward tube spinning of Ti–6Al–2Zr–1Mo–1V. Journal of Materials Processing Technology 2009 nr 209 s. 5713–5719.
[3] Chang Chongyia, Wang Chengguoa, Jin Yingb: Study on numerical method to predict wheel/rail profile evolution due to wear. Wear 2010 nr 269 s. 167–173.
[4] Liang Huang, He Yang, Mei Zhan, Lijin Hu: Forming characteristics of splitting spinning based on the behaviors of roller. Computational Materials Science 2009 nr 45 s. 449–461.
[5] Sebastiani G., Brosius A., Ewers R., Kleiner M., Klimmek C.: Numerical investigation on dynamic effects during sheet metal spinning by explicit finite-element-analysis. Journal of Materials Processing Technology 2006 nr 177 s. 401–403.
[6] Mohebbi M.S., Akbarzadeh A.: Experimental study and FEM analysis of redundant strains in flow forming of tubes. Journal of Materials Processing Technology 2010 nr 210 s. 389–395.
[7] Sprawozdanie z badań statutowych BT 901.71.000, pt: Badania innowacyjnych technologii tłoczenia, wyoblania i zgniatania obrotowego, szczególnie wyrobów o złoŜonych kształtach z trudno odkształcalnych i szybko umacnia-jących się materiałów z wykorzystaniem nowoczesnych technik komputerowych. Instytut Obróbki Plastycznej, Poznań 2009 (praca niepublikowana).
