Widok Walcowanie poprzeczno-klinowe odkuwek o przekroju poprzecznym różnym od kołowego

dr hab. in . Zbigniew Pater, prof. PL, mgr in . Janusz Tomczak Politechnika Lubelska, Lublin

WALCOWANIE POPRZECZNO-KLINOWE ODKUWEK

O PRZEKROJU POPRZECZNYM

RÓ NYM OD KOŁOWEGO

W artykule przedstawiono rezultaty analizy numerycznej procesów walcowania poprzeczno-klinowego (WPK) cz ci o przekroju poprzecznym ró nym od kołowego. Analizowano dwa przypadki kształtowania przebiegaj ce przy ró nych parame-trach procesu. W obliczeniach zastosowano oprogramowanie MSC.SuperForm 2005, bazuj ce na MES. Szczegółowo omówio-no zagadnienia zwi zane z projektowaniem kształtu narz dzi kliomówio-nowych. Podaomówio-no obliczon progresj kształtu wyrobów podczas walcowania, stan odkształcenia, rozkłady sił oraz mapy temperatur.

Słowa kluczowe: walcowanie poprzeczno-klinowe, MES, narz dzia

1. Wprowadzenie

Walcowanie poprzeczno-klinowe (WPK) jest nowoczesn technologi wytwórcz wyrobów typu stopniowanych osi i wałów. W procesie tym dwa lub trzy kliny (umiesz-czane na walcach b d płaskich płytach walcarek) wcinaj si we wsad kształtuj c wyrób (odkuwk ), charakteryzuj cy si symetri osiow . Typowe odkuwki wytwa-rzane t technologi posiadaj powierzch-nie walcowe, sto kowe i sferyczne [1-2].

Mo liwo ci technologiczne WPK mog by rozszerzone w efekcie takiego skabrowania narz dzi (klinów), które umo li-wia b dzie walcowanie odkuwek o prze-kroju poprzecznym ró nym od kołowego.

Przykładem takiego rozwi zania mo e by nowa technologia walcowania gwintu na wkr tach kolejowych – rys. 1, w której za-stosowano proces WPK [3]. Wytwarzanie gwintu wg nowej technologii wymaga sto-sowania segmentów klinowych, na po-wierzchni których naci to rowki słu ce do kształtowania poszczególnych zwojów gwintu. K t γ jaki tworz rowki (rys. 2)

z kierunkiem przemieszczania klinów rów-ny jest k towi nachylenia linii rubowej kształtowanego gwintu. W efekcie takiego rozwi zania metod WPK walcowana jest odkuwka, której przekrój poprzeczny (po-kazany na rys. 1) jest ró ny od kołowego.

Rys. 1. Wkr t szynowy P49A, którego cz gwintowa kształtowana jest metod WPK

γ

Rys. 2. Narz dzie klinowe słu ce do walcowania gwintu wkr tów szynowych, kształtowanych w układzie podwójnym

W ramach prezentowanego opracowa-nia przedstawia si nowe rozwi zaopracowa-nia na-rz dzi (klinów), których zastosowanie umo liwi kształtowanie stopni wałków o przekrojach ró nych od kołowego (np. owalnych, kwadratowych, sze ciok tnych, prostok tnych i innych). Ponadto bazuj c na opracowanej metodzie kalibrowania klinów mo liwe b dzie równie kształtowa-nie technologi WPK stopni mimo rodo-wych osi i wałów.

2. Kształtowanie powierzchni robo-czej narz dzi

Koncepcja rozwi zania umo liwiaj ce-go walcowanie wyrobów o praktycznie do-wolnym przekroju bazuje na odpowiednim okresowym sprofilowaniu powierzchni kali-bruj cych klina. Profil ten dobiera si w taki sposób by stanowił on obwiedni kształto-wanego stopnia wałka. Poni ej szczegó-łowo przedstawia si schemat post powa-nia zmierzaj cego do okre lepowa-nia profilu narz dzi umo liwiaj cych walcowanie stopnia odkuwki o przekroju kwadratowym. Na rys. 3 pokazano zarys kwadratowego przekroju poprzecznego stopnia odkuwki (o boku a = 18 mm) , który zamierza si uzyska w procesie walcowania z wsadu o rednicy ∅30 mm. Ze wzgl du na po-dwójn symetri zarysu w analizowanym przypadku wystarczy wyznaczy profil na-rz dzia zapewniaj cy wykonanie pna-rzez odkuwk ¼ obrotu, czyli o k t ϕ = 90°. Przy czym na długo ci narz dzia

odpowia-daj cej obrotowi odkuwki o k t ϕ = 45°

na-st puje zmniejszenie gniotu bezwzgl

dne-go od warto ci maksymalnej 2 0 max r a r _{= −} ∆ do warto ci minimalnej

2

r

a

r

₌

₋

∆

wy-robu (45° ≤ ϕ ≤ 90°) towarzyszy za zwi k-szanie gniotu, przyrastaj cego w sposób odwrotny do jego spadku obserwowanego w czasie poprzedniej 1/8 obrotu. Dlatego te w podanym przykładzie wystarczy usta-li profil narz dzia na długo ci odpowiada-j ceodpowiada-j obrotowi odkuwki o k t 45°. K t ten dzieli si na n równych cz ci, z czego wynika podział k towy ∆ϕ równy

n

ϕ

ϕ

Rys. 3. Schemat ilustruj cy sposób wyznaczania gniotu bezwzgl dnego ∆ri, w procesach WPK wyrobów o przekroju

Nast pnie okre la si warto gniotu bez-wzgl dnego ∆ri, w płaszczyznach wzdłu

-nych okre lo-nych kolejnymi liniami i = 0,1,2... . W analizowanym przykładzie jest to

(

ϕ

)

O wyliczon warto ∆ri nale y obni y

powierzchni kalibruj c narz dzia (w spo-sób pokazany na rys. 4) przyjmuj c jedno-cze nie, e odległo ∆xi (okre laj ca

przemieszczenie klina w trakcie wykony-wania przez odkuwk obrotu o k t ∆ϕ) moe by obliczona na podstawimoe nast puj -cej zale no ci:

t i r

x _{=∆ ⋅}

∆

ϕ

gdzie: rt – promie toczny odkuwki.

Warto promienia tocznego ulega zmianie w trakcie procesu WPK i jest za-le na m.in. od warto ci k tów klina (kształ-tuj cego α i rozwarcia β), zastosowanego

stopnia gniotu δ oraz temperatury

kształto-wanego metalu T [4-5]. W przypadkach, gdy odkuwka poza stref kształtowania toczy si po klinie, z pewnym uproszcze-niem mo na przyjmowa , e promie tocz-ny rt równy jest promieniowi wsadu r0.

Stosuj c takie uproszczenie mo na ju bez wi kszych problemów zaprojektowa kliny umo liwiaj ce odwalcowanie stopni od-kuwki o przekroju kwadratowym. Oczywi-cie przyst puj c do prac projektowych w pierwszej kolejno ci nale y ustali war-to ci k tów α i β klinów, które dobiera si

w sposób identyczny jak w klasycznych procesach WPK – opisany np. w pracach [6, 7].

Znajomo k tów α i β umo liwia

wy-konanie projektu narz dzi. Omówienie ko-lejno ci prac zwi zanych z konstrukcj narz dzi klinowych przedstawiono w opar-ciu o przestrzenny system komputerowo wspomaganego projektowania (CAD 3D). Pierwszy etap prac stanowi wykonanie bryły, której przekrój poprzeczny odpowia-da zarysowi wzdłu nemu kształtowanego przew enia. Wysoko profilu klina przyj-muje si za równ warto ci maksymalnej gniotu ∆rmax (w naszym przypadku wynosi

ona r0-a/2) – rys. 5a. Nast pnie profiluje si

powierzchni kalibruj c klinów wycinaj c w niej w sposób okresowy wgł bienia o zarysie z rys. 4, ustalonym na podstawie oblicze . Tak sprofilowane narz dzie po-kazuje rys. 5b. Nast pnie startuj c ze

rodka wyst pu odcina si (pod k tem β)

jego cz płaszczyzn prostopadł do powierzchni podstawy narz dzia (rys. 5c).

Rys. 4. Sposób profilowania powierzchni kalibruj cej klinów maj cy na uzyskanie mo liwo ci kształtowania wyrobu o przekroju poprzecznym kwadratowym

Kolejny etap stanowi sfazowanie, pod k -tem α do podstawy, powierzchni pionowej uzyskanej w poprzedniej operacji. W wyni-ku takiego zabiegu uzyswyni-kuje si po-wierzchni kształtuj c klina, jednoznacz-nie okre lon przez k ty α i β (rys. 5d).

Dalsze prace projektowe dotycz wykona-nia (w sposób analogiczny do omówionego poprzednio) powierzchni kształtuj cej na drugiej połowie narz dzia (rys. 5e). Wpro-wadzenie promieni zaokr gle kraw dzi roboczych oraz dodanie sfazowa umo li-wiaj cych płynne zej cie odkuwki z klinów ko czy konstrukcj klina.

max r ∆ β a) b) c) d) e)

Rys. 5. Schemat ilustruj cy sposób konstruowania narz dzia klinowego, zabezpieczaj cego walcowanie odkuwki z kwadratowym przekrojem poprzecznym

3. Weryfikacja numeryczna

Dla sprawdzenia mo liwo ci wytwarza-nia metod WPK odkuwek posiadaj cych stopnie o przekroju poprzecznym ró nym od kołowego wykorzystano modelowanie numeryczne, bazuj ce na metodzie ele-mentów sko czonych (MES). Obliczenia wykonano stosuj c komercyjny pakiet oprogramowania MSC.SuperForm 2004, wykorzystuj cy rezprezentacj przemiesz-czeniow MES. Skuteczno zastosowania tego oprogramowania w badaniach proce-su WPK, potwierdzona była wielokrotnymi weryfikacjami do wiadczalnymi realizowa-nymi zarówno w warunkach laboratoryj-nych jak i przemysłowych [8-10]

Na rys. 6 przedstawiono model geome-tryczny narz dzi oraz wsadu opracowany dla procesu WPK wałka posiadaj cego centralny stopie o przekroju kwadratu. Narz dzia projektowano w systemie CAD 3D Solid Edge, a nast pnie eksportowano do programu MSC.SuperForm 2004. Przyj to nast puPrzyj ce główne parametry narz -dzia klinowego: k t kształtuj cy α = 30°, k t rozwarcia klina β = 5°. Zało ono, e w trakcie procesu walcowania przemiesz-czaj si ruchem posuwistym obydwa kli-ny, z t sam pr dko ci równ 0,2 m/s. Przyj to, e wsadem do walcowania jest odcinek pr ta o wymiarach ∅30 x 45 mm.

W obliczeniach zało ono, e materiał z którego wykonywana jest odkuwka to stal w gatunku C45. Model materiałowy tej stali przyj to z biblioteki zastosowanego opro-gramowania MES. Przyj to, e materiał przed walcowaniem jest nagrzewany do temperatury 1100°C, za temperatura kli-nów jest jednakowa i wynosi 150°C. Pozo-stałe parametry przyj te w obliczeniach to: współczynnik wymiany ciepła mi dzy mate-riałem a otoczeniem 350 W/m2_K,

współ-czynnik wymiany ciepła mi dzy materiałem a narz dziami 10000 W/m2_{K oraz}

tempera-tura otoczenia 30°C.

Ze wzgl du na po lizgi metalu po po-wierzchniach narz dzi w obliczeniach za-stosowano model tarcia stałego uzale nio-ny od pr dko ci po lizgu. Model ten opisu-je zale no :

Rys. 6. Opracowany na potrzeby oblicze MES model geometryczny procesu WPK odkuwki o przekroju poprzecznym kwadratowym

p p p p v v a v arctg mk − = τ , (4)

gdzie: m – czynnik tarcia, k – granica pla-styczno ci materiału przy czystym cinaniu, vp - wektor pr dko ci po lizgu, ap –

współ-czynnik o kilka rz dów mniejszy od pr d-ko ci po lizgu. W bie cej analizie, bazu-j c na rezultatach prac badawczych opisa-nych w pracy [3], przyj to graniczn war-to czynnika tarcia m = 1.

Na podstawie wykonanych oblicze prze ledzono zmiany kształtu odkuwki za-chodz ce w trakcie procesu walcowania. Na rys. 7 przedstawiono progresj kształtu odkuwki w zale no ci od czasu trwania procesu. Z rysunku tego wynika, e po-cz tkowo proces walcowania odkuwki o przekroju kwadratowym przebiega w spo-sób identyczny jak podczas walcowania typowego. Mianowicie kliny wcinaj si w materiał kształtuj c na jego obwodzie rowek klinowy. Przy czym wówczas w ob-szarze kształtowanego przew enia od-kuwka ulega silnej owalizacji, charaktery-stycznej dla procesów WPK. Jest to szcze-gólnie widoczne na rys. 8 (dla czasu t = 0,2 s), na którym pokazano jak zmienia si przekrój poprzeczny odkuwki, w jej płasz-czy nie symetrii. W momencie, gdy w kon-takt z materiałem wchodzi cz narz dzia z wykonanym naci ciem obserwuje si , e

materiał zostaje wci ni ty w narz dzie. W ten sposób kształtowane s naro a przekroju, przy czym ze wzgl du na obta-czanie odkuwki po powierzchni narz dzi w dalszej fazie procesu naro a te ulegaj zaokr gleniu – co uznaje si za cech cha-rakterystyczn tej metody kształtowania.

Korzystaj c z rys. 7 i 8 mo na wst pnie okre li jak rozkładaj si odkształcenia w odkuwce walcowanej. Stwierdza si war-stwowy rozkład odkształce , które układaj si w ten sposób, e w warstwach po-wierzchniowych wyst puj odkształcenia najwi ksze i zmniejszaj si w kierunku do osi odkuwki. Na uwag zasługuje fakt, e kształt poszczególnych warstw jest zbli o-ny do zarysu przekroju poprzecznego, czyli kwadratu o zaokr glonych naro ach.

Na rys. 9 przedstawiono rozkład siły walcowania obliczony w ramach analizy MES. Z danych zamieszczonych na tym rysunku wynika, e siła ta charakteryzuje si du zmienno ci , zwi kszaj c si w miar wzrostu zaawansowania procesu. Taki rozkład siły wynika ze zmieniaj cego si w trakcie procesu gniotu. W przypadku gdy gniot ten jest najwi kszy maksimum lokalne uzyskuje równie siła walcowania. Natomiast, gdy ∆r osi ga warto minimal-n , to rówminimal-nie i siła kształtowaminimal-nia jest minimal- naj-mniejsza. Zatem podczas walcowania od-kuwki o przekroju kwadratowym jednemu jej obrotowi odpowiada b d cztery cykle zmian siły walcowania.

Rys. 7. Obliczona MES progresja kształtu oraz rozkład intensywno ci odkształcenia w odkuwce o przekroju poprzecznym

kwadratowym

Nale y zauwa y , e taki cykliczny rozkład siły nie ma miejsca w typowych procesach WPK i nale y go uzna za kolejn cech charakterystyczn analizowanych proce-sów walcowania.

Stosuj c podany sposób kalibrowania narz dzi mo na równie zaprojektowa kliny, które b d kształtowa odkuwk o przekroju owalnym zmieniaj cym si

w zale no ci od współrz dnej osiowej z tego przekroju (rys. 10). W takim przy-padku prace projektowe (w sposób opisany w punkcie 2) przeprowadza si oddzielnie dla dwóch skrajnych przekrojów kształto-wanego przew enia. Na rys. 11 pokazano projekt klina zabezpieczaj cego wykonaw-stwo odkuwki o zakładanym kształcie. Na-tomiast rys. 12 przedstawia progresj kształtu odkuwki z rys. 10, obliczon w wyniku wykonanej symulacji numerycz-nej. Z rysunku tego wynika, e zastosowa-nie metody WPK jest w pełni uzasadnione do kształtowania odkuwek z owalnym przekrojem poprzecznym. Na rys. 12 poka-zano równie jak zmienia si siła kształto-wania podczas walcokształto-wania sto kowej, owalnej cz ci odkuwki. Widoczne jest, e w tym przypadku siła ta równie oscyluje, ale oscylacje te nie s a tak widoczne jak w przypadku walcowania odkuwki o prze-kroju kwadratowym. Fakt ten tłumaczy si płynn zmian kształtu nacinanego profilu, która w sposób znacz cy ogranicza nagłe skoki warto ci siły.

Na rys. 13 pokazano finalny kształt od-kuwki wraz z trzema wybranymi przekroja-mi poprzecznyprzekroja-mi. Analiza kształtów tych przekrojów wskazuje, e odbiegaj one nieznacznie od zakładanego do uzyskania kształtu owalu. Dodatkowo w strefie cen-tralnej obserwuje si nieznaczne skr cenie tego przekroju w stosunku do skrajnych cz ci przew enia. Nale y jednak e za-uwa y , e zaobserwowane niedokładno-ci wykonania s nieistotne, gdy plano-wane jest wykorzystywanie tego schematu walcowania przy wytwarzaniu przedkuwek, gdzie tolerancje wykonawcze s szerokie.

Ciekawe spostrze enia nasuwaj si z analizy danych przedstawionych na rys. 14, na którym pokazano obliczony rozkład temperatur w owalnej odkuwce sto kowej. Z rysunku tego wida , e najni sze tempe-ratury ma metal w strefie przyniowej, w której stykał si on z powierzch-ni narz dzi. Jednak e pomimo stosunko-wo długiego czasu kształtowania (2,5 s) temperatura ta nadal mie ci si w zakresie zalecanym przy kształtowaniu tej stali, w warunkach obróbki plastycznej na gor -co. Fakt ten jest niew tpliwie skutkiem za-miany pracy tarcia oraz odkształcenia pla-stycznego na ciepło, co rekompensuje w pewnym stopniu straty ciepła odprowa-t_{=0,0 s} 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 t=0,5 s t=1,0 s t_{=1,5 s} t_{=2,0 s}

Rys. 8. Rozkład intensywno ci odkształcenia w przekroju poprzecznym odkuwki, pokrywaj cym si z płaszczyzn symetrii

Rys. 9. Obliczony rozkład siły działaj cej na klin w procesie walcowania odkuwki o przekroju poprzecznym kwadratowym t=0,2 s t=0,4 s t_{=0,6 s} t_{=0,8 s} 0,0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 2,4 2,7 3,0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 Czas [s] 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 S iła [N ]

Rys. 10. Podstawowe wymiary odkuwki analizowanej w drugim przykładzie obliczeniowym 30° 30° 74,6 8,4 1 6,4 5 1 20 52 5 5° 81 ,4 2,9°

Rys. 12. Progresja kształtu, rozkład intensywno ci odkształcenia i siła kształtowania w procesie WPK odkuwki posiadaj cej stopie sto kowy o przekroju owalnym

Rys. 13. Obliczone kształt i rozkład intensywno ci odkształcenia odkuwki z rys. 10, kształtowanej metod WPK

Rys. 14. Obliczony rozkład temperatury, w odkuwce z rys. 10, po procesie WPK

dzanego do narz dzi. Równocze nie w strefie osiowej metal ma temperatur najwy sz , co równie jest korzystne. Bo-wiem w tej cz ci wyrobu najcz ciej do-chodzi do utworzenia p kni wewn trz-nych. Jednak e zgodnie z rezultatami prac [11] prawdopodobie stwo wyst pienia tych p kni maleje wraz ze wzrostem tempera-tury kształtowanego metalu.

4. Podsumowanie

W opracowaniu omówiono metodyk projektowania narz dzi klinowych, których u ycie umo liwia walcowanie odkuwek o przekroju poprzecznym ró nym od koło-wego. Słuszno zaproponowanej koncep-cji kształtowania wykazano w drodze symu-lacji numerycznych dwóch przypadków walcowania poprzeczno-klinowego (WPK), w których kształtowano wyroby o przekroju kwadratowym i owalnym. Na podstawie wykonanych oblicze stwierdzono, e ze wzgl du na zmieniaj cy si w trakcie wal-cowania gniot w omawianych procesach walcowania wyst puj oscylacje siły.

Po-nadto, ci głe obtaczanie odkuwki po po-wierzchni narz dzi klinowych uniemo liwia wykonanie t metod wyrobów, których przekrój poprzeczny posiadał b dzie

naro-a znaro-ako czone nnaro-a ostro. W nnaro-ajbli szej przyszło ci planowane jest wykonanie ba-da do wiadczalnych weryfikuj cych opi-san now metod walcowania poprzecz-no-klinowego.

Literatura

[1] Pater Z., Wero ski W.: Podstawy procesu walcowania poprzeczno-klinowego, Wyd. Politechniki Lubel-skiej, Lublin 1996

[2] Fu X. P., Dean T. A. Past develop-ments, current applications and trends in the cross wedge rolling process. International Journal of Ma-chinery Tools Manufacture Design, Research and Application 1993 vol. 33 s. 367 – 400

[3] Gontarz A., Łukasik K., Pater Z., Wero ski W.: Technologia kształto-wania i modelowanie nowego

proce-[°C] 1090 1075 1060 1045 1030 1015 1000 985 970 955 940

su wytwarzania wkr tów szynowych. Wyd. Politechniki Lubelskiej, Lublin 2003

[4] Chao-Fu Z. Method of determining the rolling radius of workpiece for cross wedge rolling process. W: Pro-ceedings of 2nd International Confer-ence on Rotary Metalworking Proc-esses October 6th _{– 8}th _1982,

Strat-ford upon Avon UK s. 27 – 32

[5] Pater Z., Wero ski W. Kinematyka płyni cia materiału oraz promie toczny w procesach walcowania po-przeczno – klinowego. Obróbka Pla-styczna Metali 1995 nr 4 s. 17 – 26 [6] Pater Z., Gontarz A., Wero ski W.:

Wybrane zagadnienia z teorii i tech-nologii walcowania poprzeczno-klinowego, Wyd. LTN, Lublin 2001 [7] Pater Z. Strategia doboru parametrów

narz dzi do walcowania poprzeczno – klinowego. W: Mat. Konferencji Me-tal Forging’99 20-22 wrzesie 1999, Cz stochowa - Kokotek s. 135-145

[8] Pater Z., Gontarz A., Łukasik K., Wero ski W.: Modelirovanie proces-sov popere no – klinovoj prokatki. Wyd. NUPT, Kiev 2003

[9] Dong Y., Lovell M., Tagavi K. Analy-sis of slip in cross – wedge rolling: an experimentally verified finite – ele-ment model. Journal of Materials Processing Technology 1998 vol. 80 – 81 s. 273 – 281

[10] Bartnicki J., Pater Z. The aspects of stability in cross-wedge rolling proc-esses of hollowed shafts. Journal of Materials Processing Technology 155-156 (2004), s. 1867-1873

[11] Andreev G. V., Klušin V. A., Makušok E. M., Segal V. M., Š ukin V. Ja. Pop-ere no – klinovaja prokatka. Minsk: Nauka i Technika 1974

CROSS – WEDGE ROLLING OF PARTS WITH NON - CIRCULAR CROSS SECTION Abstract

In this paper, the results of numerical calculations of the forming of parts with non – circular cross section by cross – wedge rolling method (CWR) are presented. Two variants of this type of forming with different process parameters were ana-lyzed. During numerical calculations software MSC. SuperForm 2004 was used. The schema of designing of wedge tools was discussed. In this work, the results of numerical analysis of CWR process, shape progression, state of strain, distribution of forces and temperature are shown.