OPTIMALIZÁCIA TVARU PREDKOVACEJ DUTINY NÁSTROJA POMOCOU POČÍTAČOVEJ SIMULÁCIE

Transcription

1 OPTIMALIZÁCIA TVARU PREDKOVACEJ DUTINY NÁSTROJA POMOCOU POČÍTAČOVEJ SIMULÁCIE OPTIMALIZATION OF TOOL BLOCKING CAVITY SHAPE BY HELP OF COMPUTER SIMULATION Ing. Mária Kapustová, PhD. Ing. Miroslava Košťálová MATERIÁLOVOTECHNOLOGICKÁ FAKULTA STU, Ústav výrobných technológií, Katedra tvárnenia, Bottova 24, Trnava, SR, ABSTRAKT V súčasnosti úspešný rozvoj a konkurencieschopnosť zápustkových kováční úzko súvisí so zavádzaním simulačných programov do technickej prípravy výroby výkovkov. Na riešenie simulácie technologických procesov kovania ponúka trh užívateľom pomerne kvalitné simulačné programy. Cieľom príspevku je poukázať na význam týchto simulačných programov pre sledovanie toku materiálu v dutine zápustky. Simulácia dokáže odhaliť možné chyby tečenia materiálu, ktoré sú častou príčinou vzniku preložiek na výkovku. Úpravou geometrie nástroja t.j. optimalizáciou je možné tieto chyby eliminovať ešte pred samotnou výrobou výkovku, čo predstavuje značné úspory výrobných nákladov. Použitie simulačných programov má veľký význam pre úspešný rozvoj nových netradičných technológií vo výrobnej praxi, lebo podstatne znižujú ekonomickú náročnosť overovacích postupov v prípravnej fáze výroby. ABSTRACT In present day the successful development and competitiveness of forges relates with feeding of simulation software into forgeds technical prepare of production. The staple offers to users for solving simulation of technological processes production relatively qualitative simulation software. The aim of the paper is focus on the importance of simulation software for material flow following in the cavity of die. The simulation proves to detect the possible mistakes of material flow, whose are reason of leads creation on forged. It is possible by adjusting of tool geometry i.e. by optimalization to eliminate mistakes in preliminary phase of forged production, what presents production costs savings. Using of simulation software has big importance by successful development of new unconventional technologies in production praxis, because essentially reduces economical severity of proving processes in prepare phase of production. 1. ÚVOD Výpočtová technika v oblasti tvárnenia sa môže uplatniť vo všetkých etapách projektovania výrobných procesov v tvárnení, ako aj pri samotnej výrobe výtvarkov. Súčasný trh ponúka relatívne kvalitné simulačné programy, ktoré nachádzajú široké uplatnenie pri overovaní správnosti technologických postupov. Rýchlo sa stali integrálnou súčasťou návrhu a celého vývoja, lebo umožňujú v pomerne krátkej dobe získať optimálnu alternatívu výroby, umožňujú získať dôležité informácie o priebehu tvárniaceho procesu a tak eliminovať ekonomicky a časovo náročné pokusy. Výhodou simulácie technologického procesu je, že dovoľuje uskutočňovať experimenty mimo reálny objekt, bez skutočných zásahov do výrobnej prevádzky. 1

2 2. VÝZNAM SIMULAČNÝCH PROGRAMOV PRE ZÁPUSTKOVÉ KOVANIE Dynamický rast výrobnej produkcie a konkurencieschopnosť našich zápustkových kováční v rámci EÚ môžu zabezpečiť len metódy presného zápustkového kovania, ktoré predstavujú lukratívnu výrobu výkovkov. Sú zdrojom vyššej kvality finálneho produktu, ktorá sa dosiahne cestou nižšej spotreby energie a materiálu. Z hľadiska materiálových úspor je zaujímavá technológia kovania v uzavretej zápustke bez výronkovej drážky, ktorá vyžaduje prísnu technologickú disciplínu, najmä v určení technologických parametrov kovania. Pre návrh nástroja sú rozhodujúce kritéria kvalita a životnosť nástroja, optimalizácia a aplikácia kovania v uzavretej zápustke pre zníženie spotreby materiálu. Pre získanie bezchybného tvaru výkovku je dôležité určiť čo najpresnejší tvar dutiny nástroja v prípravnej fáze výroby pomocou simulácie. Pri zavádzaní metód presného zápustkového kovania do výrobnej praxe má veľký význam počítačová simulácia technologického procesu, ktorá umožňuje hlbšie pochopiť zákonitosti kovacieho procesu a najmä sledovať plastický tok materiálu v dutine zápustky počas jej zaplňovania. Sú veľmi rýchle diagnostikované vady nesprávneho toku, nevyplnené miesta v dutine zápustky či veľký výronok, ktorý signalizuje nadmernú spotrebu materiálu. Simulačný softvér umožní optimalizovať rozmery vstupného polotovaru, konečný tvar dutiny nástroja, a tak eliminovať chyby už v prípravnej fáze výroby výkovku. Pre simuláciu procesu zápustkového kovania boli vyvinuté rôzne simulačné programy DEFORM, FORM2D, QFORM3D, FORGE3, MSC.SuperForge, MSC.SuperForm a iné, ktoré využívajú metódu konečných prvkov FEM založenú na rozdelení tvárneného objemu na určitý konečný počet jednoduchých geometrických útvarov, prípadne programy používajú metódu konečných objemov FVM, pri ktorej sa počíta pohyb materiálu prostredníctvom elementov konštantných objemov, a nie je potrebné presieťovanie. Pre proces kovania je typické veľké premiestňovanie materiálu, a preto má metóda FVM uplatnenie hlavne v 3D simulácii kovania. 3. POPIS TVARU A VÝROBY VÝKOVKU 3.1 Východiskový materiál Zápustkový výkovok Koleso má jednoduchý rotačný tvar, je dutý s dierovaným otvorom. Používa sa ako ozubené koleso v prevodovkách pre poľnohospodárske a priemyselné stroje. Východiskovým materiálom pre výkovok je tyč kruhového prierezu 65 z ocele16nicr4 s pevnosťou cca 830 MPa. Bežne sa dodáva ako tepelne nespracovaná, kalená, žíhaná na mäkko a normalizačne žíhaná. Je určená k cementovaniu a má dobrú tvárniteľnosť za tepla aj dobrú obrobiteľnosť. Používa sa na veľmi namáhané strojné súčiastky s cementovaným povrchom a vyššou pevnosťou a húževnatosťou v jadre, napr. ozubené kolesá prevodoviek, drážkové hriadele, kolesá diferenciálov, zvlášť namáhané čapy, hriadele hnacích kolies a pod. Chemické zloženie danej ocele predkladá tabuľka 1. Tab. 1 Chemické zloženie ocele 16NiCr4 (hm.%) Tab.1 Chemical composition of steel 16NiCr4 (wt.%) materiál obsah chemické zloženie (hm.%) prvkov C Mn Si P S Cr Ni Mo Al Ti 16NiCr4 min. 0,13 0,7 0,6 0,8 0,02 0,4 0,035 0,035 0,10 max. 0,19 1,0 1,0 1,10 0,04 0,010 2

3 3.2 Technologický postup výroby výkovku Požadovaný tvar výkovku Koleso sa získa pomocou uzavretej zápustky a s veľmi presným prevedením výroby podľa STN resp. STN EN Z hľadiska technológie kovania bez výronku je dôležitá správna voľba typu a umiestnenia kompenzátora malého prebytku materiálu v dutine uzavretej zápustky. Pri kovaní na kľukových kovacích lisoch nemá presiahnuť kladná odchýlka objemu 2 až 3 % z hmotnosti vsádzky. Pre kruhový tvar zápustkového výkovku Koleso bol navrhnutý spôsob kompenzácie prebytočného materiálu do vnútorného výronku. Pri kovaní v uzavretej zápustke sa vyžaduje presné delenie materiálu. Je nevyhnutné objednať tyče o vyššej presnosti, prípadne ich prekalibrovať na vlastných zariadeniach. Na delenie materiálu je vhodná píla typu Individual GA, ktorá umožňuje vyššiu kvalitu rezanej plochy. Tyče kruhového tvaru Ø 65 rezať na polotovar o vsádzkovej hmotnosti 2,68 ± 0,03kg. Informatívna dĺžka polotovaru je 103 mm. Na výrobu výkovku rotačného tvaru bol navrhnutý kovací lis typu LZK a technologický postup kovania výkovku pozostáva z troch operácií: polotovar ohriaty na hornú kovaciu teplotu C stlačiť na výšku 40 mm. predkovať tvar v predkovacej dutine zápustky dokovať tvar v uzavretej dutine zápustky Finálny tvar výkovku sa získa po vydierovaní blany, ktorá predstavuje technologicky nutný odpad. Čistá hmotnosť výkovku je 2, 54 kg. Samotný postup kovania výkovku Koleso dokumentuje Obr. 1. Obr. 1 Model zápustkového výkovku Koleso a tvar výkovku s blanou a kuželovým kompenzátorom,, b výkovok po vydierovaní blany, c tvar finálneho výkovku Fig.1 Model of die forging Wheel a shape of forged with wad and conical compensator, b forged part after punching of wad, c shape of final forging 4. OPTIMALIZÁCIA TVARU DUTINY PREDKOVACEJ ZÁPUSTKY POMOCOU SIMULAČNÉHO PROGRAMU SUPERFORGE MSC.SuperForge patrí medzi CAE systémy, ktoré sú určené predovšetkým na počítačovú simuláciu 2D a 3D procesov zápustkového kovania s využitím metód FEM alebo FVM. Je to moderný simulačný software s nenáročnou obsluhou, ktorý nevyžaduje skúsenosti s FEM a umožňuje vloženie CAD geometrie nástroja v STL formáte. Samotná simulácia procesov tvárnenia za tepla využíva elasticko-plastický model správania sa materiálu. Značnou výhodou programu je široká materiálová databáza spracovaná v závislosti od spevnenia, teploty a rýchlosti pretvorenia. 3

4 Simulačný program MSC.SuperForge umožňuje sledovať celý priebeh plastického toku materiálu v dutine predkovacej zápustky, ako aj deformačnú sieť v tvárnenom kove, pretvorenia, napätia, či priebehy síl a iných veličín. Obr. 2 Ubíjanie polotovaru Fig.2 Billet upsetting Prípravná fáza simulácie vyžaduje zadefinovať proces simulácie tvárnenia, vložiť modely nástrojov a polotovaru, vybrať z ponuky databázy materiál a tvárniaci stroj, navoliť trecie a teplotné podmienky polotovaru a nástroja. Po ubíjaní polotovaru na požadovanú výšku 40 mm podľa Obr. 2 a následne sa pripravil proces simulácie kovania v uzavretej zápustke: Simulačný proces : kovanie v uzavretej zápustke za tepla, model 3D a metóda FVM Kovací stroj : mechanický lis LZK 2500 Materiál polotovaru : resp. DIN Materiál zápustky: nástrojová oceľ H 13 Súčiniteľ trenia : 0.25 Teplota polotovaru : 1150 C Teplota zápustky : 250 C Obr. 3 Simulácia priebehu toku materiálu v predkovacej zápustke Fig.3 Simulation of flow material behavior in blocking die Obr.4 Nevhodný tvar dutiny nástroja a viditeľná tvorba preložky Fig. 4 Incorrect shape of die impression and visible creation of lap 4

5 Ako prvá bola odskúšaná varianta modelu predkovacej zápustky s umiestnením blany v dolnej časti dutiny zápustky (Obr.3). Simulácia poukázala na nevhodný tvar nástroja, lebo sa vytvárala viditeľná preložka v spodnej časti výkovku. (Obr.4). Z tohto dôvodu bolo nutné vykonať úpravu tvaru dutiny predkovacej zápustky, ktorá sa týkala zmeny polohy blany a zaoblenia čela lisovníka na R4. Následná simulácia potvrdila správnosť návrhu zmeny, nakoľko plastický tok materiálu bol bez preložiek (Obr.5). Obr.5 Plastický tok v upravenej dutine predkovacieho nástroja a správny tvar predkovku Fig.5 Plastic flow in adapted impression of blocking die and correct shape of forging blank Simulačný program Superforge ponúka farebné zobrazenia rýchlosti toku materiálu, veľkosti pretvorení, napäťových pomerov v tvárnenom materiáli a kontaktných tlakov na ploche nástroja počas zaplňovania dutiny materiálom. Zmeny vo veľkosti pretvorenia a napätí v tvárnenom matriáli po stlačení a na konci kovania predkovku sú viditeľné na Obr.6. Obr. 6. Porovnanie veľkosti pretvorenia a napätia v stlačenom polotovare a v predkovku Fig.6 Comparison of strains and stresses values in upsetting blank and in forging blank 5. ZÁVER Obsah príspevku prináša príklad využitia FEM programu Superforge na optimalizáciu a upresnenie tvaru predkovacej dutiny zápustky, ktorá je dôležitá pre správne dokovanie finálneho výkovku. K nesporným výhodám počítačovej simulácie patrí získanie množstva informácií o danom tvárniacom procese za veľmi krátky čas. Cieľom príspevku je poukázať na aktuálne smery a perspektívy ďalšieho rozvoja technológie presného zápustkového kovania, ktoré predstavujú nižšie výrobné náklady a sú cestou k vyššej konkurencieschopnosti našich kováční. Dôležitú úlohu pri zavádzaní metód presného kovania do praxe majú kvalitné simulačné programy. Predstavujú zdroj informácií potrebných pre následnú optimalizáciu tvaru dutín kovacieho nástroja a tak sa chyby eliminujú už v prípravnej fáze výroby výkovku. 5

6 Príspevok vznikol v rámci riešenia projektov VEGA MŠ SR 1/3192/06 a KEGA /416/06 LITERATÚRA [1] BAČA, J. Objemové tvárnenie. Zápustkové kovanie. Bratislava: MtF STU, 2005, s ISBN X [2] ELFMARK, J. a kol. Tváření kovů. Praha : SNTL, ISBN [3] ČINÁK, P., VAJO, P. Optimalizácia parametrov kovania pre zvýšenie presnosti zápustkových výkovkov. In TECHNOLÓGIA 97. Bratislava: SjF STU, 1997, s [4] ULÍK, A. Simulácia kovania výkovku ozubeného kolesa. In FORM Brno: 2000, s ISBN [5] PERNIS, R. Definovanie lopatkových kriviek prostredníctvom kubických splajnov. In FUNKČNÉ POVRCHY Trenčín: GC-TECH. 2006, s ISSN , ISBN [6] BÍLIK, J. Životnosť zápustiek. In KOVÁRENSTVÍ. č.27, 2006, s ISSN [7] BAČA, J., BÍLIK J., TITTEL V., SOBOTA R.. Dynamické a statické ubíjanie ocelí s malou deformačnou schopnosťou v objímkach. In KOVÁRENSTVÍ č.29, 2007, s ISSN