Lacki Piotr

POLITECHNIKA CZESTOCHOWSKA
Wydzial Inzynierii Mechanicznej i Informatyki
Instytut Obróbki Plastycznej Inzynierii Jakosci i Bioinzynierii
Dr inz. Piotr LACKI
NUMERYCZNA ANALIZA OBCIAZENIA NARZEDZIA
DO WYCISKANIA WSPÓLBIEZNEGO
Streszczenie
W pracy przedstawiono numeryczna symulacje narzedzia do wyciskania
wspólbieznego. Narzedzie sklada sie ze stempla, matrycy ksztaltujacej, i pierscienia osadczowzmacniajacego. W pracy podano warunki pracy, geometrie, oraz material z którego
wykonano te narzedzia.
Symulacje obciazenia narzedzi w procesie wyciskania wspólbieznego
przeprowadzono przy uzyciu programu ADINA System, który do swoich obliczen
wykorzystuje Metode Elementów Skonczonych. W przyjetym modelu numerycznym przyjeto
sprezysto-plastyczny model wyciskanej próbki, oraz sprezysty model narzedzia. Ze wzgledu
na symetrie geometrii i obciazenia zamodelowano ¼ narzedzia.
W pracy zamieszczono wyniki przeprowadzonej analizy numerycznej. Przedstawiono
stan naprezenia i odksztalcenia dla narzedzia i próbki.
Wstep
Stale rosnace wymagania co do jakosci wykonania elementów odksztalcanych
plastycznie, wymagaja od inzynierów dokladniejszej analizy procesów technologicznych.
Nowoczesne techniki obliczeniowe pozwalaja na dokladniejsza analize plyniecia materialu w
róznych fazach procesu ksztaltowania wyrobu jak tez na wyznaczenie stanu naprezenia
przenoszonego przez narzedzia. Technologia wyciskania jest coraz czesciej stosowana w
praktyce przemyslowej ze wzgledu na swoje zalety, wymaga jednak stosowania precyzyjnych
metod obliczeniowych w celu otrzymania okreslonych celów technologicznych. W przypadku
wyciskania mamy do czynienia z duzymi wartosciami odksztalcenia, duzymi naciskami
jednostkowymi na powierzchni narzedzia, niejednokrotnie zlozona geometria wyrobu. W tej
technologii oprócz nadania wlasciwego ksztaltu wyprasce, konieczne jest uwzglednienie
ekonomicznie uzasadnionej zywotnosci narzedzia. Narzedzie przy tak duzych naciskach
jednostkowych narazone jest na zuzycie powierzchni roboczych oraz pekanie. Z tego wzgledu
tak wazne jest wlasciwe okreslenie czynników majacych wplyw na proces technologiczny
wyciskania i prawidlowa eksploatacje narzedzi.
Model obliczeniowy
Symulacja wyciskania wspólbieznego na zimno zostala przeprowadzona dla:
– narzedzi wykonanych ze stali NC10,
– odkuwki wyciskanej z materialu – stal 20.
Dla tak skojarzonych materialów wspólczynnik tarcia w procesie wyciskania przyjeto µ = 0,1
Wymiary geometryczne narzedzi i próbki odksztalcanej wykorzystane do symulacji
przedstawiono na rys. 2,3
Biorace udzial w symulacji procesu wyciskania wspólbieznego na zimno narzedzia i
wyciskana próbka sa rozpatrywane tylko w ¼ czesci z uwagi na to, iz rozpatrywanie tak
przyjetego modelu symulacji pozwala na 4-krotne zmniejszenie wygenerowanej liczby
wezlów siatki MES, czyli obnizenie liczby elementów skonczonych, prowadzac tym samym
do krótszego czasu trwania obliczen. Koniecznosc zastosowania takiego modelu
symulacyjnego wynika z powodu ograniczen mocy obliczeniowej komputera.
Matryca osiowosymetryczna jest przecieta wzdluz swej osi na dwie czesci rys.1.
Matryce sa mocowane w stozkowym pierscieniu osadczym celem wywolania korzystnych
naprezen sciskajacych oraz zapewniaja jej latwy montaz i demontaz.
Rys. 1. Dwie czesci matrycy z widoczna próbka przed i po odksztalceniu.
Stempel ma na celu wcisniecie odksztalcanego materialu (pólfabrykatu) w matryce przy
ustalonej wartosci drogi i czasu. Do stempla usytuowanego nad matryca i pierscieniem
przylozono pionowe, zorientowane w dól przemieszczenie.
Rys. 2 Ksztalt i wymiary narzedzi uzytych do analizy, od lewej stempel, matryca i pierscien
osadczy.
Tabela 1. Dane materialowe przyjete do obliczen
Material na narzedzia
Stal narzedziowa stopowa
NC10
Material na odkuwke
Stal niskoweglowa
konstrukcyjna wyzszej
jakosci 20
Modul Younga E [MPa]
2,11·10 5
2,11·10 5
Wspólczynnik Poissona n
0,3
0,32
Granica plastycznosci Re [MPa]
—
250
Wspólczynnik tarcia w procesie wyciskania µ
0,1
Rys. 3 Narzedzie do wyciskania: 1-oprawa, 2Wymiary próbki przed i po odksztalceniu.
matryca, 3- stempel, 4-próbka.
Na rys. 4 pokazano przyjety model obliczeniowy do symulacji, czyli:
– narzedzie odpowiednio usytuowane z siatka elementów skonczonych
– przemieszczenie o wartosci 29,25 mm, przylozone do górnej czesci stempla,
w wyniku którego dochodzi do procesu wyciskania.
Obraz siatki elementów na powierzchni narzedzi i odksztalcanego materialu pozwala na
dokladne przedstawienie rozkladu intensywnosci odksztalcenia i naprezenia w wyciskanym
materiale.
Rys. 4. Dyskretyzacja narzedzi kuzniczych uzytych w symulacji procesu wyciskania
wspólbieznego na zimno oraz przylozone do stempla przemieszczenie.
Próbka
Analizujac stan odksztalcenia w próbce mozna zaobserwowac, iz pierwsze odksztalc enia
plastyczne, jakie pojawiaja sie w próbce zachodza w momencie jej bezposredniego zetkniecia
z matryca, gdy sily oddzialywujace na próbke przekrocza granice plastycznosci materialu.
Dalej w miare wciskania próbki w glab matrycy narastaja odksztalcenia plastyczne
w kierunku osiowym i promieniowym, i osiagaja swoja maksymalna wartosc e = 1,652
w koncowym etapie wyciskania. Natomiast górna czesc objetosci wyciskanego pólfabrykatu,
której srednica nie ulegla znaczacej zmianie, odznacza sie najmniejszym odksztalceniem
plastycznym e = 0,191.
Naprezenia zredukowane, jakie powstaja w odksztalcanym materiale sa nastepujace:
– w 3 sekundzie trwania procesu, s max= 208,9 MPa s min = 57,29 MPa
– w 6 sekundzie trwania procesu, s max= 207,6 MPa s min = 42,48 MPa
– w 10 sekundzie trwania procesu, s max= 227,6 MPa s min = 18,71 MPa.
Analizujac rozklad naprezen zredukowanych powstajacy w próbce mozna zauwazyc, ze ich
maksymalne wartosci wystepuja juz w poczatkowej fazie wyciskania, niewiele wzrastajac w
koncowym etapie procesu. Natomiast wartosci minimalnych naprezen zredukowanych
powstajacych w pólfabrykacie wyciskanym maleja wraz ze zwiekszeniem stopnia
odksztalcenia materialu próbki.
Stempel
Rozklad naprezen zredukowanych w stemplu dla czasu t = 10 s pokazano na rys. 5.
A
Rys. 5. Rozklad naprezen zredukowanych w stemplu wystepujacych w 10 sekundzie
symulacji procesu wyciskania.
Rozklad naprezen zredukowanych powstajacych w stemplu w funkcji drogi dla procesu
wyciskania przedstawia sie nastepujaco:
– po 3 sekundzie trwania symulacji, naprezenia osiagaja wartosci s max=196,5 MPa
s min =0,1794 MPa
– po 6 sekundzie trwania symulacji, naprezenia osiagaja wartosci s max= 450 MPa
s min =0,3869 MPa
– po 10 sekundzie trwania symulacji rys. 5, naprezenia osiagaja wartosci s max= 486,7
MPa s min =0,4338 MPa.
Dokladny przebieg naprezen zredukowanych wystepujacych w stemplu podczas trwania
calego procesu wyciskania dla punktu A przedstawia krzywa na rys. 6.
Analizujac wyniki obliczen numerycznych przedstawionych na rys. 5 i 6 mozna
stwierdzic co nastepuje:
– niezaleznie od kroku czasowego symulacji obszar powstawania maksymalnych
naprezen jest ten sam i ogranicza sie tylko do dolnej czesci roboczej stempla,
– analizujac krzywa przebiegu naprezen w stemplu mozna wyodrebnic 4 etapy:
1) do 2 sekundy trwania symulacji naprezenia narastaja liniowo,
2) od 2 do 5 sekundy trwania symulacji naprezenia utrzymuja stala wartosc na
poziomie 200 MPa,
3) od 5 do 6 sekundy naprezenia narastaja liniowo, lecz intensywniej niz w
pierwszej fazie,
4) od 6 do 10 sekundy wartosci naprezen zmieniaja sie oscylacyjnie w sposób
regularny w stalym zakresie pasa. Wartosci naprezen w tej fazie oscyluja na
poziomie 430÷490 MPa.
Naprezenie zredukowane [MPa] ]
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Czas [s]
Rys. 6. Przebieg naprezen zredukowanych wystepujacych w stemplu dla punktu A (rys. 5),
w którym wartosci naprezen osiagaja maksimum - σmax = 486,7 MPa.
W kolejnych krokach symulacji procesu wyciskania w stemplu dochodzi równiez do
przemieszczen materialu w kierunku pionowym po osi Y przy czym:
– po 3 sekundzie trwania procesu, przemieszczenia osiagaja wartosc
Uy max = - 0,03 mm
– po 6 sekundzie trwania procesu, przemieszcze nia osiagaja wartosc
Uy max = - 0,09 mm
– po 10 sekundzie trwania procesu, przemieszczenia osiagaja wartosc
Uy max = - 0,09 mm
Powstajace w stemplu przemieszczenia wzdluz osi Y kumuluja sie tylko w dolnej czesci
roboczej narzedzia a ich wartosci ustalaja sie na stalym poziomie i zachowuja ten sam rozklad
juz od 6 sekundy symulacji procesu wyciskania.
Matryca
Rozklad naprezen zredukowanych w matrycy w kolejnych etapach wyciskania jest
nastepujacy:
– 3 sekundzie trwania symulacji, naprezenia w materiale narzedzia osiagaja wartosci
s max = 602 MPa, s min = 123 MPa
– 6 sekundzie trwania symulacji, naprezenia w materiale narzedzia osiagaja wartosci
s max = 581,4 MPa, s min = 122,4 MPa
– 10 sekundzie trwania symulacji rys. 7, naprezenia w materiale narzedzia osiagaja
wartosci s max= 577,3 MPa s min = 123,6 MPa
Rys. 7. Rozklad naprezen zredukowanych w matrycy wystepujacych w 10 sekundzie
symulacji procesu wyciskania.
Najbardziej obciazonym elementem analizowanego ksztaltu matrycy jest jej srodkowa
i dolna czesc, gdzie naprezenia na powierzchni sa rzedu 2÷5 razy wieksze niz w innym
obszarze narzedzia.
Analizujac stan naprezenia w matrycy mozna zaobserwowac, iz naprezenia
zredukowane, jakie powstaja w matrycy, osiagaja swa wartosc maksymalna s max= 618 MPa
na poczatku procesu wyc iskania, juz po czasie 0,375 sekundy nastepnie wykazuje niewielka
tendencje spadkowa, a od 6 do 10 sekundy trwania procesu ustalaja sie na stalym poziomie
ok. 580 MPa.
Przemieszczenia jakim ulega matryca sa nastepujace:
a) w kierunku pionowym wzdluz osi Y
– po 3 sekundzie procesu wyciskania, Uy max = 0,08888 mm
– po 6 sekundzie procesu wyciskania, Uy max = 0,08729 mm
– po 10 sekundzie procesu wyciskania, Uy max = 0,08694 mm
b) w kierunku poziomym po osi X i Z
– po 3 sekundzie procesu wyciskania,
Ux max = 0 mm, Ux min = – 0,03171 mm
– po 6 sekundzie procesu wyciskania,
Ux max = 0 mm, Ux min = – 0,03125 mm
– po 10 sekundzie procesu wyciskania rys. 8,
Ux max = 0 mm, Ux min = – 0,03113 mm
Rys. 8. Rozklad przemieszczen w matrycy wzdluz osi X powstalych w 10 sekundzie
symulacji procesu wyciskania.
Przemieszczenia jakie wystepuja w matrycy po osi X i Z sa identyczne, co do wartosci z
uwagi na to, iz narzedzie posiada dwie plaszczyzny symetrii wzdluz tych osi. Maksymalna
wartosc przemieszczen (Uy max = 0,093 mm) wzdluz osi Y wystepuje w matrycy juz w chwili
rozpoczecia procesu wyciskania, tj. w czasie 0,375 sekundy. W dalszym etapie symulacji
wartosci przemieszczen niewiele maleja, a od 6÷10 sekundy utrzymuja sie na stalym
poziomie osiagajac wielkosc Uy ˜ 0,087 mm. Natomiast przebieg wartosci przemieszczen
powstalych w matrycy wzdluz osi X przedstawia sie nieco inaczej a mianowicie:
– do 0,375 sekundy trwania procesu wyciskania przemieszczenia gwaltownie maleja
osiagajac wartosc Ux = – 0,09 mm. Tzn. jest to najwieksze przemieszczenie do jakie
wystapilo w matrycy, a znak „–” oznacza, ze przemieszczenie w materiale narzedzia
mialo kierunek przeciwny do zwrotu osi X dla tak przyjetego ukladu
wspólrzednych. Przemieszczenia, które powstaly na tym etapie pochodza od
cisnienia montazowego przy wtlaczaniu matrycy w pierscien wzmacniajacy.
– od 0,375÷6,25 sekundy przemieszczenia wzrastaja krzywoliniowo tzn. nastepuje
kompensacja duzych ujemnych wartosci z narastajacymi przemieszczeniami
dodatnimi powstajacych w procesie wyciskania.
– od 6,25÷10 sekundy przemieszczenia oscyluja (naprzemiennie rosnac i malejac)
w zakresie pasa o szerokosci wartosci Ux = – 0,00069 ÷ 0,0008 mm.
Oprawa
Podczas procesu wyciskania matryca jest osadzona w oprawie, zatem w chwili, gdy
w matrycy powstaja naprezenia rozciagajace to czesc z nich przenoszona jest na pierscien
wzmacniajacy. Rozklad naprezen zredukowanych wystepujacych w pierscieniu ilustruje
rys. 9. Wartosci naprezen zredukowanych w oprawie sa nastepujace:
– 3 sekundzie trwania procesu, s max= 587.1 MPa, s min = 212,5 MPa
– 6 sekundzie trwania procesu, s max= 591.5 MPa, s min = 216,0 MPa
– 10 sekundzie trwania procesu rys. 9, s max= 592.7 MPa, s min = 215,7 MPa
Rys. 9. Rozklad naprezen zredukowanych w pierscieniu wzmacniajacym wystepujacych
w 10 sekundzie symulacji procesu wyciskania.
Znaczna koncentracja naprezen zredukowanych wystepuje w dolnej srodkowej czesci
oprawy, gdzie naprezenia na powierzchni sa 2÷3 razy wieksze niz w innym obszarze
narzedzia. Naprezenia, jakie pojawiaja sie w oprawie osiagaja w przyblizeniu maksymalna
wartosc (s = 687,29 MPa) juz na poczatku procesu, po czasie 0,01 sekundy. W dalszej czesci
symulacji ich wartosc nieznacznie, liniowo wzrasta, a po czasie 6÷10 sekundy trwania
procesu naprezenia ustalaja sie na stalym poziomie s ˜ 592 MPa.
Z matrycy na oprawe przenoszone sa równiez przemieszczenia. Rozklad przemieszczen
w pierscieniu wzmacniajacym wystepujacych w kierunku osi Y i X, Z jest nastepujacy:
a) w kierunku osi Y
– w 3 sekundzie procesu wyciskania,
Uy max = 0 mm
Uy min = – 0,04281 mm
– w 6 sekundzie procesu wyciskania,
Uy max = 0 mm
Uy min = – 0,04336 mm
– w 10 sekundzie procesu wyciskania,
Uy max = 0 mm
Uy min = – 0,04346 mm
b) w kierunku osi X i Z
– w 3 sekundzie procesu wyciskania,
Ux max = 0,0669 mm
– w 6 sekund zie procesu wyciskania,
Ux max = 0,06747 mm
– w 10 sekundzie procesu wyciskania rys. 10,
Ux max = 0,0676 mm
Przemieszczenia, jakie wystepuja w oprawie po osi X i Z sa identyczne, co do wartosci
z uwagi na dwie plaszczyzny symetrii narzedzia wzdluz tych osi. Do najwiekszych
przemieszczen osiowych (wzdluz osi Y), jakim ulega oprawa dochodzi w górnej, czesci
narzedzia. Przemieszczenia osiagaja znaczna wartosc (Uy = – 0,0425 mm) juz na poczatku
procesu, w czasie 0,413 sekundy. W dalszym etapie symulacji procesu wyciskania wartosci
przemieszczen osiowych nieznacznie wzrastaja, a po czasie 6÷10 sekund utrzymuja sie na
stalym poziomie Uy = – 0,0435 mm. Znak „–” oznacza, ze przemieszczenie w materiale
narzedzia nastapilo w kierunku przeciwnym do zwrotu osi Y, dla tak przyjetego ukladu
wspólrzednych.
Natomiast na znaczne przemieszczenia poziome (wzdluz osi X) w materiale oprawy
narazona jest cala czesc srodkowa pierscienia. Wartosci przemieszczen promieniowych sa 1,5
razy wieksze od przemieszczen osiowych.
Wartosci przemieszczen poziomych wystepujacych w narzedziu sa nastepujace:
– do 0,01 sekundy trwania procesu wyciskania przemieszczenia gwaltownie wzrastaja
do wartosci Ux = 0,0669 mm,
– w czasie 0,01÷7,3 sekundy przemieszczenia nieznacznie wzrastaja osiagajac
wartosc maksymalna Ux max= 0,0676 mm,
– po 7,3 sekundy przemieszczenia utrzymuja sie na stalym poziomie o wartosci rzedu
Ux = 0,0675 mm.
Rozklad przemieszczen wystepujacych w pierscieniu wzdluz osi X ilustruje rys. 10
Na wartosc przemieszczen wystepujacych w narzedziu istotny wplyw wywiera tarcie.
Z tego wzgledu przy opracowywaniu technologii wyciskania metalu nalezy brac pod uwage
mozliwosc sterowania oporami tarcia poprzez stosowanie smarów, dzieki czemu uzyska sie
korzystne plyniecie materialu zapobiegajace przedwczesnemu zuzyciu matryc.
Podczas procesu wyciskania, matryca obciazona jest cisnieniem wewnetrznym,
pochodzacym od ksztaltowanego materialu. Maksymalna wartosc tego cisnienia, jaka moze
przeniesc matryca, wyznacza granica plastycznosci Re materialu pierscienia wzmacniajacego
oraz jego wzgledna grubosc wyrazona ilorazem srednicy zewnetrznej Dz i otworu do .
Rys. 10. Rozklad przemieszczen w pierscieniu wzmacniajacym wzdluz osi X powstalych
w 10 sekundzie symulacji procesu wyciskania.
Wnioski
Symulacja procesu wyciskania wspólbieznego na zimno odkuwki osiowosymetrycznej zostala przeprowadzona przy uzyciu programu ADINA System 7.4.
Zastosowanie programów symulacyjnych w praktyce przemyslowej moze poprawic
efektywnosc wytwarzania wyprasek poprzez wlasciwy dobór
ksztaltu materialu w
poszczególnych operacjach wyciskania i poprzez racjonalne projektowanie obciazenia
matryc, przy ograniczeniu kosztownych eksperymentów. Mozliwe jest takze wybranie
najlepszego wariantu procesu technologicznego, przy uniknieciu kosztownych poprawek
oprzyrzadowania technologicznego.
Przedstawiona numeryczna analiza procesu wyciskania wspólbieznego wskazuje na
mozliwosci wykorzystania nowoczesnych metod obliczeniowych do projektowania narzedzi.
Zakres i jakosc danych uzyskanych z symulacji stwarza mozliwosc dokladniejszej analizy
uwzgledniajacej wieksza niz dotychczas ilosc danych. Mozliwa staje sie równiez
wielowymiarowa optymalizacja procesu przez co mozna osiagnac wysoka jakosc wyrobów.
Literatura
1. ADINA Theory and Modeling Guide.
2. Erbel S., Kuczynski K., Marciniak Z. – „Obróbka plastyczna”. PWN Warszawa
1981.
3. Erbel S., Kuczynski K., Marciniak Z. – „Obróbka plastyczna na zimno”. Wydanie
III, PWN Warszawa 1977.
4. Graczynski Z., Kaczorowski D. – „Wyciskania promieniowe na zimno krzyzaka
samochodowego”. Obróbka Plastyczna Metali, Nr 2, 1999, str 27÷33
5. Kocanda A., Presz W., Adamczyk G. – „Doswiadczalne wyznaczanie rozkladu
nacisków na powierzchni narzedzia”. Obróbka Plastyczna Metali, Nr 2/3, 1995, str
57÷60
6. Kuczynski K. – „Plastyczne ksztaltowanie na zimno nakretek regulacyjnych
aparatury paliwowej silników wysokopreznych”. Obróbka Plastyczna Metali, Nr
2/3, 1995, str 61÷64
7. Wozniak H. – „Odksztalcenia sprezyste w matrycy z jednym pierscieniem
wzmacniajacym”. Obróbka Plastyczna Metali, Nr 3, 1997, str 27÷35
8. Zimpel J. – „Obliczanie matryc wzmacnianych jednym pierscieniem”. Obróbka
Plastyczna Metali, Nr 2, 1996, str 45÷56
9. Ziólkiewicz S., Wozniak H. – „Próba zastosowania programu FORM–2D do
symulacji procesu wyciskania na zimno odkuwki czesciowo niesymetrycznej”.
Obróbka Plastyczna Metali, Nr 1, 1998, str 39÷45