Analýza technologie lisování šroubů z nové feriticko–martenzitické oceli Autoři:
F. Grosman D. Cwiklak E. Hadasik S. Hořejš P. Carbol
Politechnika Slaska Katowice Politechnika Slaska Katowice Politechnika Slaska Katowice VÚHŽ Dobrá VÚHŽ Dobrá
Klíčová slova: metoda konečných prvků, lisování za studena,, počítačová simulace.
Abstract The submitted paper deals with mathematical simulation of technology of cold voluminal forming of bolts M 10 made of duplex ferritic-martensitic steel. This steel enables production of fasteners of the strength class 8.8 according to DIN ISO 898 without final heat treatment. Calculations were made with use of the software CAPS-Finel version 5.70, which enables solution of problems of axial symmetrical deformation and solid model of the body with respect to the Mises’ law on material’s flow. This program makes it possible to simulate hammer and die forging of axially symmetrical forged pieces. Úvod Cílem prováděné simulace bylo stanovení technologie objemového tváření za studena šroubů M10 z nové feriticko–martenzitické oceli typu D-FM, umožňující získat vlastnosti odpovídající třídě 8.8 bez finálního zušlechťování. Lisování za studena bylo provedeno na čtyřrázovém kovacím automatu BKA-3 HATEBUR s výškou zdvihu kliky 180 mm a frekvencí kování 60 úderů/min. Výpočty byly provedeny pomocí software CAPS-Finel verze 5.70, jež umožňuje řešit problematiku osově-symetrické deformace a tuhého modelu tělesa se zohledněním Misesova zákona o toku materiálu. Simulace byly provedeny pro mechanickou variantu. Program CAPS-Finel je univerzálním nástrojem dovolujícím provádění simulací volného a zápustkového kování osově-symetrických výkovků. Výchozí materiál – charakteristika oceli Pro tváření za studena byla použita ocel na bázi C – Mn – Si s dvoufázovou strukturou typu ferit - martenzit (resp. bainit). Strukturní stavba této oceli ve formě za tepla válcovaného drátu je dána technologií řízeného válcování na spojité kontidrátové trati s následným řízeným ochlazováním z doválcovací teploty. Válcovaný drát ve svitcích je ochlazován z doválcovací teploty režimem kombinace voda – vzduch tak, aby vznikla struktura feriticko-bainitická, resp. martenzitická s 10-20% zákalné složky. Od toho se pak odvíjejí mechanické, resp. pevnostně plastické charakteristiky drátu, které se využívají při následném zpracování (tažení a lisování). U finálních strojních a spojovacích součástí je pak vyžadována optimální kombinace pevnosti, houževnatosti a
únavové pevnosti. Pro dosažení optimální kombinace pevnostně plastických parametrů je nezbytné, aby vstupní materiál byl nízkouhlíkový, zpevněný především substitučně a interstiticky s výrazným příspěvkem zpevnění z titulu velikosti feritického zrna. Z toho vyplývá, že materiál musí být na bázi C-Mn-Si s tím, že obsah uhlíku je velmi nízký – max. 0,1% (zajišťuje nezbytný objemový podíl zákalné složky – nízkouhlíkového martenzitu a bainitu), Mn 1,5-2% pro zajištění nezbytné prokalitelnosti materiálu i při nízkém obsahu uhlíku a Si 1% pro posunutí transformační teploty austenitu na ferit na optimální úroveň 950°C. Pro dosažení nezbytné homogenity materiálu a eliminaci segregací je nutné, aby byl materiál vyroben technologií plynulého lití. Plasticko-pevnostní charakteristiky taženého drátu umožňují další deformaci za studena tak, aby výsledné pevnosti strojních, či spojovacích součástí splňovaly normu DIN ISO 898, pevnostní třídu 8.8 ( Rm = min. 800 MPa, A5 = min. 12%) bez dalšího zušlechťování. Dochází tak k žádoucím ekonomickým a ekologickým efektům zejména při výrobě spojovacích součástí. Údaje pro simulaci Simulace byly provedeny pro materiál, přetvářený během tažení za studena válcovaného drátu φ 15 na drát φ 13,8 mm ( ε0 = 0,167 ). Ve výpočtech byla použita křivka zpevnění získaná během pěchovací zkoušky. Výzkum byl prováděn na válcových vzorcích o průměru 10 mm a výšce 15 mm, z oceli typu D-FM s chemickým složením uvedeným v tabulce 1. Tabulka 1. Chemické složení zkoumané oceli. C
Mn
Si
P
S
Al
0,09
1,80
0,9
0,017
0,009
0,020
Pěchovací zkoušky za studena byly provedeny na testovacím přístroji ZDTe 130. Za účelem snížení tření bylo pěchování vzorků provedeno s použitím teflonové folie. Během zkoušek byly zaznamenávány hodnoty tvářecí síly F [N] a absolutního výškového úběru ∆h [mm]. Hodnoty deformačního napětí σp [MPa] a jemu odpovídající deformace ε byly vypočteny podle vztahů:
σp =
F S
(1)
kde: S – okamžitý povrch příčného průřezu vzorku [mm2], a
ε = ln
h h0
kde: h0 – počáteční výška vzorku [mm], h – okamžitá výška vzorku [mm].
(2)
Průběh křivky zpevnění oceli typu D-FM v případě válcovaných tyčí o průměru 15 mm je znázorněn na Obrázku 1. Křivky zpevnění byly aproximovány Ludwikovou závislostí: σ p = Cε n
(3)
kde: C = 939, n = 0,17
800 700 600
σp
[M P a]
500 400
σp=
93 9 ε
0 ,172
300 0,1 0 0,2 5 0,3 0 0,0 5 0,1 5 ε 0,2 0 0,3 5 0,0 0 Obr. 1. Průběh křivky zpevnění zkoumané oceli typu D-FM z válcovaných tyčí o průměru 15 mm.
Simulace FEM byly provedeny pro vstupní materiál s následujícími vstupními údaji: teplota okolí 20 °C, teplota vstupního materiálu 20 °C, teplota nástrojů 40 °C, proměnlivá rychlost pohybu nástrojů pro klikový lis s výškou zdvihu 180 mm a frekvencí kování 60 úderů/min, koeficient tření µ = 0,15.
Obr. 2. Tvar výlisků po jednotlivých stádiích tváření vstupního materiálu φ 13,8 x 23,29 mm (a), podle dokumentace. Na Obr. 2 jsou znázorněny změny tvary objemově tvářené součásti po jednotlivých stádiích tváření stanovených v dokumentaci. Simulace byla provedena pro tři stádia tváření.
Obr. 3. Tvary razníků a matric jak byly zavedené do simulace FEM. ( a- stádium 1, b- stádium 3, c- stádium 3 ).
Obr. 3 znázorňuje sadu nástrojů pro lisování šroubu ze vstupního materiálu 13,8 x 23,29 mm. Sady nářadí byly navrženy na základě dodané dokumentace. Na obrázku jsou znázorněny krajní polohy razníku. Výsledky simulace Průběhy změn síly a práce jako funkcí dráhy razníku v jednotlivých stádiích tváření jsou znázorněny na Obrázcích 4 a 5.
Obr. 4. Průběhy síly jako funkce dráhy razníku v jednotlivých stádiích tváření.
Obr. 5. Průběhy práce jako funkce dráhy razníku v jednotlivých stádiích tváření.
Obr. 6 Rozložení ekvivalentní deformace v materiálu během a po prvním stádiu tváření. (a – 50% deformace, b – konec tváření ).
Na Obr. 6 – 8 je znázorněno rozložení ekvivalentních deformací v jednotlivých stádiích tváření získané během simulace FEM. Izokřivky radiální deformace ve finální fázi tváření jsou znázorněny na Obr. 9. Obrázky 10 –12 znázorňují izokřivky ekvivalentního napětí v jednotlivých stádiích kování. Obr. 13 znázorňuje izokřivky radiálního napětí ve finálním stádiu tváření.
Obr. 7 Rozložení ekvivalentní deformace v materiálu během a po druhém stádiu tváření. (a - 50% deformace, b – konec tváření ).
Obr. 8 Rozložení ekvivalentní deformace v materiálu během a po třetím stádiu tváření. (a – 1/3 deformace, b- 5/6 deformace, c – konec tváření ).
Obr. 9 Izokřivky radiální deformace ve finálním stádiu tváření. (a – stádium 1, b – stádium 2, c – stádium 3).
Obr. 10 Izokřivky ekvivalentního napětí v materiálu během a po prvním stádiu tváření. (a -50% deformace, b – konec tváření ).
Obr. 11 Izokřivky ekvivalentního napětí v materiálu během a po druhém stádiu tváření. (a -50% deformace, b – konec tváření ).
Obr. 12 Izokřivky ekvivalentního napětí v materiálu během a po třetím stádiu tváření. (a -50% deformace, b – konec tváření ).
Obr. 13 Izokřivky radiálního napětí ve finálním stádiu tváření. (a – stádium 1, b – stádium 2, c – stádium 3).
Závěr V důsledku provedených počítačových simulací kování šroubu M10 byly získány komplexní informace o kinetice toku materiálu během tohoto procesu a o rozložení lokálních hodnot deformací a napětí vyskytujících se v dílčích etapách jednotlivých stádií tváření.Tyto informace dovolují ověření technologií aniž by bylo nutno provádět nákladné zkoušky v provozních podmínkách. Na tomto stupni výzkumu je možno konstatovat, že použitý program umožňuje získání uspokojivých výsledků po zavedení nutných zjednodušujících úprav.
Program umožňuje bezprostřední získání energosilových parametrů daného procesu, jež jsou základem pro volbu výkonu zařízení. Program poskytuje rovněž řadu výsledků, vyžadujících další zpracování za účelem získání požadovaných veličin, např. získání rozložení lokálních deformací ve dříku šroubu umožňuje určit pevnostní charakteristiky, což stanoví základ pro zařazení šroubu do konkrétní třídy. Informace o hodnotách radiálních napětí umožňují určení přípustných krajních hodnot deformace na základě grafického znázornění deformační křivky. Pro praxi mají výše uvedené výsledky význam především v tom, že umožnily určit závislost mezi výslednými mechanickými vlastnostmi šroubů a stupněm, resp. homogenitou přetváření na lisovacích automatech a na strukturních a pevnostně plastických parametrech vstupních drátů a tyčí. V praxi to znamená, že technologie tváření za studena (dvourázový, nebo čtyřrázový lisovací stroj) se může s menšími náklady simulovat na modelu tak, aby se docílilo finálních požadovaných vlastností konkrétního výrobku. Závěrečná poznámka Práce byla provedena v rámci mezinárodního projektu EUREKA ( E! 1983 METALTEST ).
