3D SIMULACE PĚCHOVÁNÍ A PRODLUŽOVÁNÍ KOVÁŘSKÉHO INGOTU I 45 Mašek Bohuslav a + c Nový Zbyšek b + a Kešner Dušan a a) Západočeská univerzita v Plzni, Katedra materiálu a strojírenské metalurgie, CZ b) Škoda Výzkum s.r.o. Plzeň, CZ c) TU Chemnitz, Lehrstuhl Werkstoffe des Maschinenbaus, D Abstrakt: The article deals with relevant questions of 3D-FEM Simulation in case of 45 MT, 34NiCrMo6 ingot upsetting and prolongation. The ingot is used as a semi-finished product for large one-piece-forged crankshaft production. The simulation is realised by a FORGE 3 program. Main focus is to rule the data transfer between the technological steps. The main object was to analyse a part of the technological process of a big one-piece-forged crankshaft production. The work aims at finding out the material behaviour under some specific conditions of particular technological steps and to use the findings to production rationalisation.
1. ÚVOD 3D Simulace pěchování a prodlužování ingotu o hmotnosti 45 tun z materiálu 34NiCrMo6, který, slouží jako polotovar pro výrobu klikové hřídele, byla zpracována za pomoci programu FORGE 3 [1]. Hlavním cílem bylo za pomoci počítačové simulace analyzovat výrobu velké celokované klikové hřídele [2] a zjistit přitom chování materiálu v daných podmínkách jednotlivých technologických kroků a s pomocí zjištěných skutečností racionalizovat výrobu.
2. VYTVÁŘENÍ PODKLADŮ PRO SIMULACI Kostra modelu je zhotovena v programu Patran z daných geometrických rozměrů polotovaru. Výstup z Patranu je do souboru s příponou *.pat. Kostře jsou dodány povrchové obálky v programu HyperMesh. Tento program má výstup do souboru s příponou *.hm. Daný soubor se v programu Interg povrchově nasíťuje a uloží do souboru s příponou *.dou. Tento soubor je pak zdrojem informací pro program Meshv, který vytvoří 3D sít modelu. Síť je složená z rovnostranných trojúhelníků s optimální velikostí odpovídajících velikosti modelu a počtu prvků potřebných pro dostatečně přesný výpočet, eventuelně si lze dodefinovat množství a velikost trojúhelníků. V potřebných klíčových uzlech lze dle potřeby síť zhustit.
2.2 Zhotovení geometrie kovadel Kovadla jsou vytvářena obdobně jako model, jen nedochází k 3D síťování. U modelu kovadel jsou označeny funkční plochy, které se nasíťují trojúhelníkovou sítí a normály ploch trojúhelníků musí směřovat proti normálám modelu. Zhotovená kovadla se ukládají do souboru s příponou *.dou. 2.3 Přizpůsobení kovadel modelu Přizpůsobení se provádí v programu Creout. Nejprve dochází k načtení souboru (*.may) 3D modelu polotovaru a souboru (*.dou) s vytvořenými kovadly. Kovadla se ustaví do počáteční polohy. V této poloze se přizpůsobí sítě kovadel síti polotovaru. 2.4 Stanovení pohybů Pro definování pohybů je využit rovněž program Creout. Kovadlům je přiřazen vektorem směr pracovního pohybu. Poté je zadána výška počáteční a konečná, t.j. výška pracovního zdvihu, dále typ pracovního stroje a rychlost pohybu kovadel odpovídající danému tvářecímu stroji (obr.3). Nemusí se jednat jen o přímkový pohyb, lze zadat např. rotaci, ale také cyklické opakování přímkového zdvihu s definovanou úhlovou diferencí. Přizpůsobená soustava s definovanými pohyby je uložena do souborů s příponou *.out. V tomto kroku se jedná jen o uložení soustavy kovadel a jejich rychlostí. Soubor je pak použit ve vlastní simulaci. 2.5 Materiálové parametry Popisují specifické vlastnosti materiálu, potřebné pro výpočet. Jedná se o všechny materiálové koeficienty, součinitel tření a o ostatní další koeficienty, které jsou ukládány do textového souboru s příponou *.don. Problematika měření a výpočtu materiálových koeficientů není vzhledem k rozsahu a složitosti součástí tohoto článku, stejně jako problematika použitého materiálového modelu [3 - 7]. 2.6 Ostatní parametry Jsou uloženy v databázi programu a vždy se vybírají nejbližší reálnému stavu. Jedná se například o počet kovadel, jejich teplotu, poddajnost, nebo o počáteční teplotu modelu. Lze také zafixovat určité body sítě modelu proti nežádoucímu pohybu. Zadávána je i perioda přesíťování, minimální kvalita povrchových trojúhelníků nebo frekvence ukládání mezivýsledků atd. a ukládá se v textovém souboru s příponou *.don. 2.7 Vstupní a výstupní soubory výpočtu Zdrojem jsou soubor 3D sítě polotovaru (*.may), soubor sítě kovadel s definovanými pohyby a přizpůsobené polotovaru (*.out). To vše plus obecné podmínky se udávají v textovém souboru s příponou *.don, který se tak stává celkovým zdrojem pro výpočet. Výpočet se spouští příkazem forge3_it, pro tento příklad tváření za tepla bez pružné deformace. Výsledky jsou ukládány do souborů s příponami *.res , *.aux, *.fg3, které jsou ale centralizovány opět přes textový soubor s příponou *.don, jenž se stává zdrojem pro grafické zobrazení výsledků. Zobrazení je realizováno v programu V3D . Výsledky jsou deformační, teplotní, napěťová a ev. i jiná pole.
3. SIMULACE PĚCHOVÁNÍ 3.1
Model polotovaru – ingotu
Výška polotovaru je 4023 mm, střední Ø 1456 mm. Počáteční teplota t=1423 K, celkový počet uzlových bodů sítě je 2476, počet uzlových bodů na povrchu sítě je 1125 při skutečném povrchu ingotu 1,781.107 mm2. Tento počet byl zvolen s ohledem na dostačující přesnost a s ohledem na délku trvání výpočtu. Ø1380 Jedná se o kovářský ingot I45, rozměry (obr. 1) jsou orientační, mnohoúhelníkový průřez byl nahrazen kruhem. Materiál polotovaru je 34CrNiMo6. Specifikace materiálu je uvedena v modelu v podobě materiálových parametrů. Ø Dstř =1456
3.2 Modely kovadel a pěchovacích matric
2553 4023
Pro výpočet byly zvoleny tvary kovadel a pěchovacích matric tak, aby byl zajištěn pohyb pouze ve směru pěchování, tj., aby tvářený polotovar nemohl vyklouzávat z kovadel. Nevýhodou tohoto pevného uchycení je poměrně velký přechod tepla z modelu do kovadel. Bylo vyzkoušeno několik variant a na základě výsledků intuitivní optimalizace [8] byla použita dále popsaná kovadla a pěchovací matrice (obr 2).
Ø1533
Obr. 1: Orientační rozměry ingotu I45
3.3 Kinematické parametry pěchování Modelové pěchování je prováděno na hydraulickém lise, který odpovídá charakterem lisu o síle 100 MN. Při pěchování se pohybuje horní kovadlo rychlostí 10 mm s-1, ve směru (0,0,z). Rychlost odpovídá plně zatíženému stavu při pěchování s využitím multiplikátoru. Zdvih lisu je 1300 mm, tomu odpovídá konečná výška mezi kovadly 1253 mm (obr 3).
! v 2553
= 10 mm s-1 směr v (0,0,-z) 1253
∅1240 ∅2680
Obr. 2: Ukázka modelu horní pěchovací matrice, která byla použita pro hlavovou část ingotu
Obr. 3: Kinematické schéma přizpůsobené soustavy
3.4 Obecné parametry pěchování Veškeré parametry jsou uloženy v souboru ingot.don., kromě všech materiálových se jedná i např. o teplotu polotovaru (1150°C), teplotu kovadel (250°C), periodu přesíťování (po 30 krocích), kvalitu trojúhelníkové sítě (0,4), charakteristickou velikost prvku sítě (135 mm) aj. 3.5 Grafické interpretace výsledků a mezivýsledků pěchování Jako příklad výsledku je uvedeno pole eqivalentní deformace v 27-mém kroku výpočtu odpovídající deformaci o 460 mm po 46-ti s a teplotní pole na povrchu ingotu v 63-tím kroku výpočtu odpovídající deformaci o 886 mm v čase 88 s. Konečný tvar napěchovaného ingotu po 85-tém výpočtovém kroku je patrný z obr. 7.
Obr. 4: pole ekvivalentní deformace v 27mém kroku výpočtu [ - ]
Obr. 5: teplotní pole v 63-tím kroku výpočtu [ K ]
4. SIMULACE PRODLUŽOVÁNÍ V technologickém postupu navazuje na pěchovací operaci proces prodlužování, který se skládá z postupného redukování průřezu řadou následných úběrů realizovaných mezi kovadly lisu s přímočarým pohybem. 4.1 Model polotovaru – napěchovaný ingot Do vlastní operace je převzata zdeformovaná síť, která je výstupem simulace pěchování s výsledným nehomogenním teplotním polem. Celkový počet uzlových bodů sítě je 6183, počet uzlových bodů na povrchu sítě je 2011. Plocha povrchu ingotu je 1.9897.107 mm2.
4.2 Modely kovadel Pro výpočet byl zvolen klasický rovinný tvar kovadel, která jsou určena pro počátek prodlužování. Nevýhodou těchto kovadel je značná citlivost na nestabilitu výpočtu, která je daná především relativními nerovnostmi na interagujícím povrchu. Z konvenčních výpočtových důvodů je simulace v prodlužování prováděna při svislé poloze osy polotovaru a nástroj se pohybuje ve vodorovném směru. 4.3 Kinematické parametry pěchování Prodlužování je prováděno na stejném hydraulickém lise jako pěchování. Při prodlužování se pohybují kovadla symetricky proti sobě rychlostí 10 mm s-1, ve směru (0,±y,0). Rychlost odpovídá plně zatíženému stavu. Zdvih lisu je 50 mm pro každé kovadlo. Po vykonání jednoho zdvihu se kovadla vrátí do původní polohy a polotovar se pootočí o 45°. Zdvih se opakuje 8-krát, což představuje jednu otáčku na polotovaru. Z důvodu již zmiňované nerovnosti povrchu bylo nutno zafixovat pohyb osy z polotovaru ve směrech xy. V praxi je toto vyřešeno zavěšením polotovaru. Simulování ve svislé poloze nevnáší do výpočtu chybu, neboť není uvažováno gravitační pole země. 4.4 Materiálové a ostatní parametry Materiálové parametry jsou stejné jako u pěchování a navazují přímo na výstupní hodnoty ze simulace pěchování, stejně jako ostatní parametry. 4.5 Grafická interpretace vypočtených výsledku Uvedený výsledek (obr.6) odpovídá 66-mu výpočtovému kroku. V této operaci došlo k celkovému prodloužení o 6 mm na okamžitou délku 3143 mm. Z celkového pohledu reálné technologické operace se sice jedná o velmi malou absolutní změnu rozměrů, ale podstatné je právě zvládnutí, pro simulaci důležitého komplexního transféru dat.
Obr. 6: Porovnání tvaru povrchu před a po prvním cyklu operací prodlužování
Obr. 7: Pokluz polotovaru mezi kovadly v prvním cyklu operací prodlužování vedoucí až k vysmeknutí z kovadel
detail podpory
A
B
Obr. 8: Počáteční stav před prodlužováním ( A ) a stav v průběhu úběru s detailem podpory zabraňující vysmeknutí z kovadel ( B )
5. ZÁVĚR Zvládnutí simulace řetězců technologických operací při volném kování je dokumentováno v uvedeném případě na dvou charakterově velmi odlišných následných technologických operacích, které jsou pro kování velkých výkovků s výraznou podélnou osou typické. Jedním z nejsložitějších uzlových bodů byl přechod mezi operacemi pěchování a prodlužování. Tento moment obnáší velké množství datových transferů a vyžaduje jejich správnou interpretaci. Mimo to bylo nutno vyřešit z hlediska stability výpočtu i řadu dalších problémů, od stanovení vhodné sítě, až po zamezení vysmeknutí oblého polotovaru z kovadel (obr. 7 a 8). Tímto vyvinutým a odzkoušeným postupem je možné dopočítat celý technologický proces na libovolnou výslednou délku, či průměr polotovaru (obr. 9) a následně provést i další datové transféry pro simulaci dalších kroků, jako je např. kování zdvihu klikového hřídele a dopočítat tak celý technologický řetězec.
A
B
Obr. 9: Zobrazení poloviny ingotu při prodlužování ( A ) s detailem rozložení eqivalentní deformace [ - ] v osovém řezu ( B ). Úběr 100 mm, šířka kovadel 550 mm, přesazení kovadel na zdvih 100 mm, počet elementů cca 17 500, celkova délka 3 400 mm, průměr 1 800 mm výchozí průměr 2 500 mm. Celková redukce ingotu při úběru 110 mm, tedy jedno okování kolem dokola je relizováno vždy 5-ti uběry pri 6-tinásobném pootočení. LITERATURA: [1] Mašek, B.; Kešner, D.; Nový, Z.: Forge 3 - Möglichkeiten am Beispiel eines Gesenkeschmiedestückes, in: mezinárodni konference MEFORM 99 Freiberg 1999, D [2] Mašek, B.; Nový, Z.; Kešner, D.: Possibilities of FEM Simulation by Large Crankshaft Production, in: světová konference ICTP 99, Nurmberg 1999, D [3] Mašek, B.; Hartwig, H.: Comparison of computer simulation results and the experiment for the ring compression test, in: mezinárodní konference THER TECH FORM ´99, Tále 1999, SK [4] Meyer, L.-W.; Mašek B.: Ermittlung von Werkstoffkenndaten für ein FEM Modell des Stahls 34NiCrMo6, Untersuchungsbericht UB 06/99 LWM TU Chemnitz 1999 [5] Koucký, V.; Basl. J.; - Mašek, B.: Rekonstrukce elektrické vyhodnocovací části zařízení pro zkoušení tvařitelnosti krutem, in Mezinárodní sympozium Aplikovaná elektronika, Plzeň, 1995 [6] Koucký, V.; Basl. J.; - Mašek, B.: Monitorování zkoušky plasticity na zkrutovém plastometru, in Seminář metalurgů a technologů kováren s mezinárodní účastí, ZČU Plzeň , 1995 [7] Mašek, B.; Nový, Z.; Koucký, V.; Doubek, J.; Švantner, M.: Vyhodnocování tvařitelnosti a určování reologických konstant pro program Forge, zpráva projektu MŠMT ČR „250“ Modelování heterogenních funkčně strukturovaných materiálů, ZČU Plzeň 1997 [8] Mašek, B.; Kešner, D.: Analýza materiálového toku v patní oblasti ingotu při pěchovacích operacích pomocí metody konečných prvků, in Mezinárodní metalurgické symposium Metal 98, Tanger, Ostrava, 1998 Výsledky práce byly podpořeny následujícími projekty : 1) MŠMT ČR project „250“ Modelování heterogenních funkčně strukturovaných materiálů, ZČU Plzeň 1995 - 2000 2) Eureka project 1869 Forming, Optimisation of the Forming of Special Alloys Products,
Škoda Výzkum s.r.o. 3) Západočeská Univerzita v Plzni - Západočeské superpočítačové centrum 4) DFG - SFB 283 „Prozeßketten der Massivumformung“ TU Chemnitz 1995 - 2000
