NOVÉ ZKUŠEBNÍ ZAŘÍZENÍ PRO TRIBOLOGICKOU ZKOUŠKU ZALISOVÁNÍ ZA ROTACE A NEW TESTING MACHINE FOR COMPRESSION-SPIN TEST Bohuslav Mašek∗, Veronika Fryšová∗, Václav Koucký∗ ∗
Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 22, 306 14 Plzeň
Abstract This work deals with development of a laboratory test for modelling of the tribological conditions during metal forming and design and realization of testing machine for newlydeveloped compression-spin test. Original system with manual controlled axial force for compression did not ensure constant conditions during the test. The original manual controlled was replaced by hydraulic system, consisting of hydrogenerator with automatic pressure regulator and hydromotor. The realization of design changes were practically verified on measured tribological systems. Results of the measuring proved a applicable sensitivity of methods to monitored parameters of tribological process. Tato práce se zabývá vývojem zkušební metodiky pro modelování tribologických podmínek tváření a návrhem a realizací zkušebního zařízení pro nově vyvinutou zkoušku zalisování za rotace. Původní systém s ručním řízením axiální síly nezabezpečoval konstantní podmínky v průběhu zkoušky. Proto byl nahrazen hydraulickým systémem, který je tvořen z hydrogenerátoru s automatickým řízením tlaku a hydromotoru. Realizace konstrukčních úprav byla prakticky ověřena měřením na tribologických systémech. Výsledky měření prokázaly vhodnou citlivost metodiky na sledované parametry tribologického procesu. Keywords: tribology, metal forming, compression-spin test
1. ÚVOD Dosažení vysokého stupně shody výsledků FEM simulace technologických procesů tváření s realitou vyžaduje nejen neustálé zdokonalování materiálových modelů, ale i dokonalejší modely popisující okrajové a kontaktní podmínky. Mezi nimi v oblasti tvářecích technologií hraje vedoucí roli vliv tření. Zatímco modely materiálového chování jsou již delší dobu podrobně zkoumány a stále zdokonalovány, jsou vlivy tření zpravidla pojednány komplexně a dosud jim nebyla věnována dostatečná pozornost. Tento stav vychází ze skutečnosti, že při dříve používaných konvenčních analytických výpočtech tvářecích procesů byl vliv tření pro zjednodušení výpočtu považován za konstantní nebo byl dokonce v řadě případů zanedbáván. Dnešní numerické výpočty se s nesrovnatelně vyšší přesností stále více blíží skutečnosti a z těchto důvodů nelze již vlivy tření tak výrazně ve výpočtech zjednodušovat či dokonce zanedbávat. U některých technologických procesů hraje vliv tření výraznou roli tak, jak je to obecně známo např. z oblasti tváření plechů. Určující vliv má tření u řady technologií objemového tváření. Zejména se jedná o procesy využívající intenzivní deformace a dlouhé dráhy posuvu tvářeného materiálu po povrchu nástroje. Toto bývá charakteristické právě v oblasti řady „high tech“. Tyto prvky nacházíme jak při tváření za studena, tak i za tepla. Vývojové trendy ukazují, že vytváření a zdokonalování modelů třecích procesů budou nejvíce potřebné pro technologie tváření za polotepla (warm forming), kde vedle vlivu kontaktního tlaku, rychlosti, posunu mezi nástrojem a tvářeným materiálem hraje důležitou roli i teplota.
Teplota neovlivňuje jen vlastní velikost koeficientu tření, ale i funkčnost a selhání tribologického systému nástroj - lubrikant - tvářený polotovar. Tyto uvedené skutečnosti vedou k potřebě vytvoření přehledného víceparametrického tribologického modelu, který by byl vhodný pro počítačovou simulaci tvářecích procesů na bázi metody konečných prvků. Takovýto model musí dostatečně přesně popisovat hlavní vlivy ovlivňující proces tření a zároveň musí být dostatečně přehledný s nepříliš velkým počtem měřených parametrů. Příliš nízký počet zahrnutých vlivů reprezentovaných ve funkci snižuje schopnost modelu popsat reálné chování systému. Naopak vysoký počet zahrnutých parametrů bývá zpravidla nepřehledný a pro jeho získání je potřeba příliš rozsáhlých experimentů a tím se vedle jeho neurčité vypovídající schopnosti neúměrně zvyšují náklady experimentální práce spojené s jeho pořízením. Z dosavadních vlastních poznatků a zkušeností s FEM simulací se předpokládá s vytvořením modelu, který zahrne 4 nejvýraznější vlivy, například v podobě v podobě: µ = f (σk; s; v; T)
… (Rov. 1),
nebo ve variantě se závislostí na čase µ = f (t; σk; s; v; T) kde
σk s v T t
… … … … …
… (Rov. 2), normálové kontaktní napětí mezi nástrojem a polotovarem dráha posunu polotovaru po nástroji rychlost posunu polotovaru po nástroji teplota v místě kontaktu čas.
Aby bylo možno takovéto modely vyvíjet, byla navržena celá řada modelových tribologických zkoušek, které mají všechny svoje specifické výhody a nevýhody a jsou využitelné zpravidla pro popis určité oblasti tribologického modelování. Různorodost technologických podmínek v tvářecích procesech je rozsáhlá a nedává naději, že se v brzké době podaří vyvinout univerzální zkušební metodiku, která by byla schopna překrýt celou oblast modelování. Proto je potřeba i zde, jako v oblasti celého procesu modelování přistupovat ke kompromisním řešením a případ od případu řešit experimentální část procesu vytváření modelu s ohledem na specifické plánované využití modelu. 2. TRIBOLOGICKÁ ZKOUŠKA ZALISOVÁNÍ ZA ROTACE Jednou z tribologických zkoušek, která byla vyvinuta na pracovišti Západočeské univerzity v Plzni je zkouška zalisování za rotace. Tato laboratorní zkouška rozšiřuje poznání tribologické problematiky a dává dobré výsledky v oblasti výzkumu systému nástroj lubrikant - materiál. Díky dobré možnosti variovat jednotlivé parametry zkoušky byla tato metodika zvolena pro vývoj tribologického modelování. Pro dosažení potřebné přesnosti bylo nutno navrhnout a zrealizovat modernizaci zkušebního zařízení pro zkoušku zalisování za rotace. 2.1. PRINCIP ZKOUŠKY ZALISOVÁNÍ ZA ROTACE Princip zkoušky tkví v zalisování kuželového trnu představující nástroj do pouzdra s kuželovou dírou z tvářeného materiálu (obr. 1.1.). Zalisování je prováděno předvolenou konstantní silou, která vyvozuje dostatečně velké tlaky vedoucí k plastické deformaci ve tvářeném materiálu. Velikost síly je volena tak, aby se vnikání trnu po malé plastické deformaci pouzdra zastavilo a tím došlo k nastavení silové rovnováhy. Zároveň je dosažen
plastický napěťový stav v oblasti stykové plochy. Poté se pouzdro pod zatížením roztočí a v průběhu otáčení je snímán kroutící moment. V důsledku existujícího tření vzniká na kontaktní ploše smykové napětí, které uvede materiál díky změně napěťových podmínek do další deformace. Pokud by nebyl kuželový nástroj stále dotlačován do pouzdra, došlo by vlivem Obr. 1: Princip zkoušky zalisování za rotace, plastické deformace k poklesu kontaktního vlevo: stav před zalisováním, tlaku a tím k redukci třecího momentu. vpravo: v průběhu zkoušky. [1] Uvedený třecí moment je snímán a z jeho velikosti je výpočtem určován koeficient tření. Osová síla působící na kuželový trn zabezpečuje, že se materiál nachází neustále ve zplastifikovaném stavu, což je základní podmínka pro měření a tvorbu budoucího modelu. Z tohoto důvodu je celková velikost zkušebního pouzdra v poměru k aktivní zkoušené kontaktní ploše volena jako velká. V případě, že by nebyl dodržen tento velikostní poměr, došlo by časem k celkové deformaci zkušebního pouzdra a tím by byly porušeny konstantní podmínky nutné pro vyhodnocení zkoušky. 2.2. Vyhodnocování zkoušky V současné době je zkouška vyhodnocována tak, že je měřen kroutící moment v závislosti na pootočení pouzdra vůči nástroji při přednastavené konstantní osové síle, rychlosti otáčení a výchozí teplotě vzorku. Z geometrické závislosti tvaru třecích ploch se provede přepočet úhlu pootočení na reálnou třecí dráhu. Z velikosti kroutícího momentu se přes velikost kontaktní plochy a kontaktního tlaku vypočítá koeficient tření. Výpočet je dosud prováděn za zjednodušujícího předpokladu, že rozdělení kontaktního tlaku po kontaktní ploše je lineární. Uvedená linearizace rozdělení kontaktního tlaku umožňuje jednoduché vyhodnocení zkoušky. [2,3] V současné době zřejmě neexistuje žádná vhodná zkušební metodika, která by dokázala experimentálně zjistit reálné rozložení skutečné napjatosti v kontaktní oblasti zkušební plochy vzorku. Proto byla provedena simulační studie [4] za pomoci FEM, na základě jejichž výsledků bude možné v budoucnu provést další zpřesnění vyhodnocovacího postupu. 3.
VÝVOJ ZKUŠEBNÍHO ZAŘÍZENÍ
3.1. Původní stav V první fázi byla zkouška zalisováním za rotace prováděna na modifikovaném zařízení pro plastometrickou zkoušku krutem. Toto zařízení s hydraulickým pohonem je standardně vybaveno řídícím a monitorovacím systémem pro řízení teploty, konstantních otáček a měření kroutícího momentu a axiálních sil působících na vzorek [5]. Zařízení bylo pro tribologická měření doplněno o mechanické ruční řízení osové síly, která byla interaktivně nastavována šroubovým převodem (obr. 2) podle odchylek monitorovaných měřícím zařízením. 3.2. Stav po rekonstrukci Ve druhé fázi byl mechanický šroubový převod nahrazen autonomním hydraulickým systémem (obr. 3). Tento systém zabezpečuje udržení konstantní axiální síly, která je vyvozována lineárním hydraulickým motorem. Tím je zabezpečeno, že při mikrodeformacích, které by způsobily pokles kontaktního tlaku, systém (obr. 4) posune nástroj a udrží přednastavený tlak na konstantní hodnotě po celou dobu zkoušky.
ELECTRIC MOTOR
IC SENSOR
ELECTROMAGNETIC CLUTCH
BRAKE
SPECIMEN
TOOL
SCREW DRIVE
DISK
HEATING FURNACE DYNAMOMETER TORQUE SENSOR
Obr. 2: Původní systém a jeho mechanické schéma Použitý hydraulický systém se skládá z přímočarého hydromotoru poháněného hydrogenerátorem. Přímočarý hydromotor s tlumením v koncových polohách se zdvihem pístnice 100 mm byl dimenzován na základě potřebné přítlačné síly. Dle výpočtu byl zvolen píst o průměru 40 mm, který byl katalogově nejbližší průměru vypočtenému a který při maximálním dodávaném tlaku 11,5 MPa dosáhne potřebné maximální osové přítlačné síly 10 000 N. Hydrogenerátor se skládá z elektromotoru, čerpadla, tělesa a nádrže. Hliníkové těleso tvoří nosnou část agregátu, na kterém jsou upevněny všechny hlavní díly včetně hydraulických prvků. Čerpadlo s elektrickým pohonem o výkonu 0,55 kW čerpá olej do hydraulického obvodu z nádrže přes sací filtr (obr. 4). a jednosměrný ventil do rozváděče. V této části obvodu je zařazen kontrolní manometr. Pokud je rozváděč vypnut, tzn. při vypnutých elektromagnetech (a) i (b), olej odchází přes zpětné vedení do nádrže. Při impulsním zapnutí rozváděče dojde k přestavení šoupátka do polohy 1 (2) a k jeho mechanickému zajištění. Tlak kapaliny přesune šoupátko výkonového rozváděče do polohy 1 (2) a olej proudí výstupem A (B) před píst ev. za píst, čímž je vyvozen požadovaný pohyb. Přednastavená hodnota zalisovací síly je udržována tlakovým regulačním přepouštěcím ventilem, který je zařazen v obvodu za čerpadlem. U tohoto typu ventilu je tlak na vstupu téměř nezávislý na průtoku. Maximální průtok ventilem je závislý na zvolené jmenovité světlosti, maximální tlak je určen velikostí předepnutí řídící pružiny. Přednastavení požadovaného tlaku se provádí ručně šroubem. Ventil sestává z pouzdra, kuželky s tlumicím pístkem a pružiny. Pružina tlačí kuželku do
ELECTRIC MOTOR
IC SENSOR
ELECTROMAGNETIC CLUTCH
BRAKE
SPECIMEN
TOOL
LATCH
HEATING FURNACE DYNAMOMETER
HYDRAULIC PISTON
TORQUE SENSOR
Obr. 3.: Mechanické schéma nového systému sedla a drží ventil uzavřen. Vzroste-li tlak v kanálu P nad hodnotu nastavenou předpětím pružiny, kuželka se nadzvedne a přepouští kapalinu z kanálu P do kanálu T. Pro dosažení optimálního chování v celém rozsahu tlaků je tlakový rozsah rozdělen na 6 stupňů. Aplikací uvedeného systému, jak prokázala sada provedených zkoušek [3], se podařilo odstranit problém s kolísající axiální zalisovací sílou, která v průběhu zkoušky zalisování za rotace ovlivňovala výsledky průběhu třecího procesu. 4.
ZÁVĚR Na základě zkušeností se zkouškou zalisování za rotace byla zdokonalena zkušební metodika. Změny v metodice si vyžádaly radikální přestavbu zkušebního stroje. Stroj byl dovybaven autonomním hydraulickým systémem pro řízení konstantní axiální zalisovací síly. Udržení zalisovací síly v průběhu zkoušky na konstantní hodnotě je jednou z nutných podmínek pro získání kvalitních dat vhodných pro následné tribologické modelování. Konstrukční návrh změn a následná realizace byla prakticky ověřena sérií měření na celkem osmi tribologických systémech. Výsledky měření prokázaly vhodnou citlivost metodiky na sledované parametry i chování tribologických systémů a získaná data dávají předpoklad, že je bude možno využít pro vývoj víceparametrických tribologických modelů.
1 … elektromotor 2 … hydrogenerátor 3 … jednosměrný ventil
4 … přepouštěcí ventil 5 … sací filtr 6 … nalévací zátka
7 … rozváděč 8 … škrtící ventil 9 … manometr
Obr. 4: Schéma hydrogenerátoru HYTOS, typ 870 – 1036/01
LITERATURA [1] Hartwig, H.; Mašek, B.: Two New Tribological Test for Metal Forming, In: World Tribology Congress, 03.-07.09. 2001, Wien, 2001, A, ISBN 3-901657-09-6 [2] Dupal, J.: Analytický výpočet zkoušky zalisování za rotace, technická spolupráce na projektu MŠMT „250“, ZČU Plzeň, 1999 [3] Fryšová, V.: Modelování tribologických podmínek tváření pomocí zkoušky zalisování za rotace, diplomová práce, KMM, ZČU, Plzeň, 2002 [4] Kešner, D.: Friction in Numerical Simulation of Forging. Coll. SFB 283, Sept. 2000, Chemnitz [5] Koucký, V.; Basl., J.; Mašek, B.: Rekonstrukce elektrické vyhodnocovací části zařízení pro zkoušení tvařitelnosti krutem, in: Aplikovaná elektronika, ZČU, Plzeň, 1995
