MODELOVÁNÍ CHOVÁNÍ POVRCHOVÉ VADY PRI PECHOVÁNÍ HLAVY ŠROUBU. Stanislav Rusz a Miroslav Greger a Jindrich Petruška b Libor Janícek b

Transkript

1 MODELOVÁNÍ CHOVÁNÍ POVRCHOVÉ VADY PRI PECHOVÁNÍ HLAVY ŠROUBU Stanislav Rusz a Miroslav Greger a Jindrich Petruška b Libor Janícek b a VŠB Technická univerzita Ostrava, 17. listopadu 15, Ostrava - Poruba, CR, stanislav.rusz@vsb.cz, miroslav.greger@vsb.cz, b VUT Brno Technická 2, Brno, CR, petrua@umtn.fme.vutbr.cz, janicek@ust.fme.vutbr.cz ABSTRAKT Spolu s nedávným rozvojem metody konecných prvku pri simulaci procesu tvárení kovu bylo navrhnuto mnoho lomových kriterií, která byla využívaná k rešení techto problému. Na základe predchozích zkušeností pri testování ruzných materiálu s ruznou geometrií a podmínkami lomu byly vybrány dve relativné jednoduché a prumyslove upotrebitelné kriteria a to konkrétne Cocroftovo a Brozzovo kriterium. Tato kriteria byla zaclenena do MKP postprocesní simulace a aplikována pro šroubovou výrobu, která se ládala ze dvou následných operací dopreného protlacování tela šroubu a pechování hlavy šroubu. První mez lomu u šroubových materiálu byla stanovena za pomocí pocítacové simulace tlakových zkoušek, která byla srovnána s mezí porušení u vzorku, které byly porušeny behem reálného testování. ABSTRACT Together with recent development of FE simulation of metal forming, many fracture criteria were proposed and used to solve this problem. Based on our previous experience with a number of such criteria being tested for different materials, geometry and frictional conditions, we selected two, relatively simple and industrially applicable criteria criterion suggested by Brozzo and Cockroft-Latham. They were incorporated into the FE postprocessor and applied to the simulation of bolts production, consisting of two sequential processes forward extrusion of shaft and compression of head. First, the failure limit for specified bolt material was evaluated with the help of computational simulation of compression tests, which were compared with specimens fractured during real testing. ÚVOD Vytvorení základního tvaru šroubu je výsledkem dvou hlavních technologických operací. Jsou to dopredné protlacování dríku a následné pechování hlavy šroubu, jejichž analýza je v daném príspevku provedena. V materiálu dochází k velkým plastickým deformacím. To má za následek zmenu struktury a mechanických vlastností. Pri protlacování je materiál podstatne méne deformován než pri pechování. To znamená, že hodnoty pretvorení a 1

2 napjatosti dríku a hlavy šroubu jsou výrazne odlišné a tudíž jsou odlišné i mechanické vlastnosti. Tyto rozdíly lze následne eliminovat tepelnou úpravou výsledného produktu. Co ovšem tepelným zpracováním spravit nelze, je prípadný vznik trhlin a porušení materiálu. Ten je prícinou výrazného snížení únavové životnosti vyrobených soucástí, pokud nedojde k lomu již behem samotného procesu výroby. 1. PECHOVACÍ ZKOUŠKY DRÁTU TAŽENÉHO-ŽÍHANÉHO Z OCELI 23MNB4 Byla provedena podrobnejší analýza možnosti porušení materiálu - príkladove pri výrobe šroubu M8x40 z mikrolegované oceli 23MnB4. Tento materiál je vsoucasné dobe v souvislosti s výrobou šroubu tvárením za studena predmetem intenzivního výzkumu. Z hledia zadání krivek pretvárného odporu, jakožto jednoho z nejduležitejších vstupních modelovacích parametru, byly provedeny pechovací zkoušky výše uvedené oceli pro zíání závislosti f ( ). Pechovací zkoušky byly provedeny pro drát tažený - žíhaný pri teplote 22C. Krivka pretvárného odporu je v tomto prípade vyjádrena polynomem 5. stupne A B C D E F (1) s koeficienty A = 2458,30 B = ,31 C = 13446,86 D = ,01 E = 2959,06 F = 395,31 Rozptyl namerených hodnot je o = MPa s hodnotou korelacního koeficientu r = Krivka pretvárného odporu je na obrázku 1. Experimenty probíhaly na vzorcích s hladkým povrchem a s hladkými kovadly pechovacího stroje /6/ 2 Obr..1: Krivka pretvárného odporu f ( ) pro vybraný materiál 23MnB4 2. SIMULACE PECHOVÁNÍ HLAVY ŠROUBU POMOCÍ MKP 2

3 Model pechovací zkoušky vytvorený v systému ANSYS pro simulace pechování materiálu byl modifikován tak, aby umožnil simulaci pechování vzorku zmateriálu 23MnB4. Do modelu bylo treba zavést krivku pretvárného odporu pro materiál 23MnB4 (obr. 1), jiné výchozí geometrické rozmery a posuvy uzlu kontaktu pro realizaci zatížení. Byla rešena osove symetrická úloha, výsledky jsou zobrazeny na jedné polovine prurezu šroubu. 2.1 Aplikace kriterií na proces tvárení šroubu Postup aplikace zvolených kriterií tvárného lomu kriterium Brozzo, Cockroft- Latham, Freudenthal, a Oh - na tvárení šroubu se ládá ze dvou hlavních cástí: Kriterium Brozzo Srovnáním experimentálních výsledku pri tvárení plechu a hodnot pretvorení do lomu, které generovalo kriterium Cockroft-Latham, došlo k jeho empirické modifikaci a formulaci kriteria Brozzo, které obsahuje explicitní vliv hydrostatického napetí /2/. Hodnota tohoto kriteria závisí na maximálnim hlavním tahovém napetí a na hydrostatické složce napjatosti /1/. Kriterium je definováno vztahem f 2 1 d C6 3( ) 0 1 Kriterium Cockroft-Latham H Toto kriterium je modifikací kriteria Freudenthal. Bylo odvozeno na základe podobných predpokladu a zhodnocení výsledku experimentu se vzorky z mekkých ocelí /3/. Obsahuje implicitne vliv hydrostatického napetí. Autori doplnili kriterium Freudenthal o predpoklad, že urcující vliv na vznik tvárného lomu má tahová složka napjatosti. Vztah (4) tak modifikovali na tvar f 1 ( ) d C4 (3) 0 Kriterium Freudenthal Toto kriterium je casto v literature nazýváno kriteriem plastické práce. Freudenthal definoval jako kritickou velicinu pri vzniku plastického porušení deformacní energii, která se v materiálu akumuluje behem procesu deformace. Podle jeho kriteria dojde k tvárnému lomu, jestliže deformacní energie na jednotku objemu dosáhne behem pretvárného procesu urcité kritické hodnoty /3,4/. Definicní vztah tohoto kriteria má tvar f d 0 C3 (4) (2) Kriterium Oh 3

4 Oh modifikoval kriterium Cockroft-Latham jiným zpusobem. Jeho kriterium definuje jako hlavní parametr vzniku tvárného lomu pomer maximálního tahového napetí k redukovanému napetí /5/. Je definováno vztahem f 1 d C7 (5) 0 a) stanovení lomových hodnot kriteriálních velicin vybraných kriterií tvárného lomu pro materiál 23MnB4 na základe srovnání výsledku pechovacích experimentu a jejich numerických simulací. b) výpocet hodnot kriteriálních velicin v polotovaru šroubu s cílem urcit nebezpecná místa z hledia možného vzniku tvárného lomu. Stanovení lomových hodnot kriteriálních velicin pro materiál 23MnB4 1. Z dostupných provedených experimentálních prací byly vybrány vhodné upiny pechovacích zkoušek, které pokrývají pokud možno co nejširší rozpetí trecích podmínek a geometrických parametru. Tak bylo možné simulovat na jednom typu materiálové zkoušky (pechování) více ruzných typu historie napetových a deformacních velicin. 2. V prostredí programového systému konecných prvku ANSYS byl vytvoren model pechovací zkoušky. Byla definována geometrie modelu, zadány materiálové charakteristiky, okrajové podmínky a zpusob zatežování. Dále bylo nutno vyladit nastavení vnitrních systémových promenných tak, aby byla zajištena konvergence nelineárního výpocetního procesu, který analýza pechovací zkoušky predstavuje (viz. kapitola 5.1). Byla provedena rada simulací pechovacích zkoušek pro vybraný interval hodnot koeficientu trení f mezi kovadly pechovacího stroje a celem vzorku variantne pro 3 provedené režimy pechování - pechování s drážkovanými kovadly, s hladkými kovadly a s hladkými kovadly s mazivem. Výsledky, zíané z techto parametrických výpoctu, byly porovnány s experimentálne namerenými hodnotami deformací vzorku a byly co nejpresneji urceny hodnoty koeficientu trení f pro všechny tri režimy pechování s drážkovanými, hladkými a hladkými-mazanými kovadly. Byly vypocteny simulace 5 pechovacích zkoušek vzorku z oceli 23MnB4 4

5 Obr. 2. Kriteria Brozzo, Cockroft-Latham prubehy kriteriálních velicin C6, C4 v prurezu pechovaného vzorku pro materiál 23MnB4 Obr. 3. Kriteria Oh, Freudenthal prubehy kriteriálních velicin C7, C3 v prurezu pechovaného vzorku pro materiál 23MnB4 Po konverzi výsledku byly pro všechny vzory vypocteny lomové hodnoty kriteriálních velicin a urceny jejich prumerné hodnoty pro každé z vybraných kriterií tvárného lomu. 5

6 Kriteriální veliciny v okamžiku lomu Brozzo - hodnoty C6 Oh - hodnoty C7 V1 V2 V3 V4 V5 Oznacení vzorku Obr.4: Kriteria Brozzo, Oh - hodnoty kriteriálních velicin C6, C7 v okamžiku lomu pro vzorky z materiálu 23MnB Kriteriální veliciny v okamžiku lomu Freudenthal - C3 v míste lomu Freudenthal- max. hodnota C3 Cockroft-Latham - hodnota C4 V1 V2 V3 V4 V5 Oznacení vzorku Obr. 5: Kriteria Cockroft-Latham, Freudenthal - hodnoty kriteriálních velicin C4, C3 pro vzorky z materiálu 23MnB4 Tab.1: Hodnoty kriteriálních velicin vybraných kriterií pro materiál 23MnB4 V1 V2 V3 V4 V5 prumer smerodatná odchylka variacní koeficient 1 Brozzo Cockroft [MPa] Oh Freudenthal 1 [MPa] Freudenthal 2 [MPa] Hodnocení kriterií - z provedených simulací a srovnání s experimenty pro materiál 23MnB4 vyplývají pro vybraná kriteria tvárného lomu následující závery (viz. obr 2 5, tab.1): 6

7 1. Kriteria Brozzo, Cockroft-Latham a Oh spolehlive indikují místo vzniku tvárného lomu na vnejším obvodu ve stredu pechovaných vzorku. Zde nastává maximum jejich kriteriálních velicin, což je v souladu s experimentem. Kriterium Freudenthal naopak pri urcení místa vzniku tvárného lomu selhává. Maximum kriteriální veliciny nastává na vnejším obvodu vmíste styku cela vzorku s kovadlem pechovacího stroje zde kriterium v rozporu s experimentem indikuje vznik tvárného porušení. 2. Hodnoty kriteriálních velicin jsou uvedeny v tabulce 1. U kriteria Freundenthal jsou pro porovnání uvedeny ve 4. rádku tabulky hodnoty kriteriální veliciny C3 v míste porušení ve stredu vzorku a v 5. rádku tabulky maximální hodnoty veliciny C3 v míste styku cela vzorku s kovadlem (viz. obr.3). Hodnoty C3 v míste porušení jsou zhruba polovicní než hodnoty maximální. Rozptyl hodnot kriteriálních velicin je pro všechna kriteria velmi nízký ( menší než 7 %), protože se jedná o pechování vzorku stejných geometrických rozmeru za totožných trecích podmínek. Grafické znázornení hodnot kriteriálních velicin pro všechny pechované vzorky je uvedeno na obr VÝPOCET ROZLOŽENÍ KRITERIÁLNÍCH VELICIN VE ŠROUBU Byly provedeny numerické simulace šroubu M8x40 pro dva výchozí polotovary P92 a P117 z oceli 23MnB4. Po konverzi výsledku byly pro vybraná kriteria vypocteny prubehy rozložení kriteriálních velicin na prurezu vyrobeného šroubu. Podle rozložení kriteriálních velicin ve šroubu lze usoudit na místa, potenciálne nebezpecná z hledia vzniku tvárného lomu. Grafické znázornení prubehu kriteriálních velicin ve šroubu je uvedeno na obrázcích 6,7,8. Obr. 6: Kriterium Brozzo rozložení kriteriální veliciny C6 v prurezu šroubu M8x40, materiál 23MnB4, polotovar P92. 7

8 Obr. 7: Kriterium Brozzo rozložení kriteriální veliciny C6 v prurezu šroubu M8x40, materiál 23MnB4, polotovar P117 Obr. 8: Kriterium Ccockroft-Latham rozložení kriteriální veliciny C4 v prurezu šroubu M8x40, materiál 23MnB4, polotovary P92, P117 Obr.9: Kriterium Oh rozložení kriteriální veliciny C7 v prurezu šroubu M8x40, materiál 23MnB4, polotovary P92, P117 8

9 Kritické lomové hodnoty kriteriálních velicin a maximální hodnoty ve šroubu pro kriteria Brozzo, Cockroft-Latham a Oh jsou uvedeny v tab. 2. Obrázky 8 a 9 ukazují obdobne situaci pro kriteria Cockroft-Latham a Oh. Obe kriteria opet nabývají maxima na obvodu hlavy šroubu a pro obe jsou tyto maximální hodnoty nižší, než je kritická lomová hodnota. Zároven jsou maximální hodnoty kriteriálních velicin výrazne nižší pro polotovar P117 než pro polotovar P92. Tab. 2: Hodnoty kriteriálních velicin vybraných kriterií tvárného lomu pro materiál 23MnB4 Materiál 23MnB4 Max. hodnota P92 Hodnoty kriteriální veliciny Max. hodnota P117 Kritická lomová hodnota Brozzo Cockroft-Latham [MPa] Oh Obr. 10: Kriterium Freudenthal rozložení kriteriální veliciny C3 v prurezu šroubu M8x40, materiál 23MnB4, polotovar P117 Odlišné jsou výsledky pri aplikaci kriteria Freudenthal. Toto kriterium bylo neúspešné pri stanovení místa tvárného lomu pri simulacích pechovacích experimentu. Zde je uvedeno pro porovnání pri aplikaci na konkrétní tvárecí proces. Toto kriterium predikuje pro polotovar P117 možný vznik tvárného lomu na vnejším obvodu v míste spojení hlavy a dríku šroubu. Uvedený poznatek je dalším príspevkem k diutované problematice úspešnosti Freudenthalova kriteria. Byla prokázána neúspešnost kriteria Freudenthal v predikci místa vzniku tvárného lomu pri pechování. Tento záver mužeme nyní rozšírit: kriterium Freudenthal je v predikci tvárného lomu neúspešné i pri aplikaci na technologii tvárení šroubu, která se ládá ze dopredného protlacování a následného pechování. 9

10 4. ZÁVER Maximální hodnoty kriteriální veliciny C6 jsou pro polotovar P117 ( s vyšším prumerem) výrazne nižší, než pro polotovar P92. Je-li maximální hodnota kriteriální veliciny v prurezu vyrobeného šroubu nižší než kritická lomová lomová hodnota této veliciny, tvárný lom dle daného kriteria pri tvárení šroubu nenastane. Jak vidíme z tab. 2, tyto hodnoty kriteria Brozzo pro oba polotovary jsou však ve šroubu nižší, než kritická lomová hodnota. To znamená, že pri kontrole kriteriem Brozzo je technologie výroby šroubu z hledia vzniku tvárného lomu bezpecná pro oba výchozí polotovary. Kritické lomové hodnoty kriteriálních velicin a maximální hodnoty ve šroubu pro kriteria Brozzo, Cockroft-Latham a Oh jsou uvedena v tab. 2. Obrázky 8 a 9 ukazují obdobne situaci pro kriteria Cockroft-Latham a Oh. Obe kriteria opet nabývají maxima na obvodu hlavy šroubu a pro obe jsou tyto maximální hodnoty nižší, než je kritická lomová hodnota. Zároven jsou maximální hodnoty kriteriálních velicin výrazne nižší pro polotovar P117 než pro polotovar P92. LITERATURA [1] Brozzo P., DeLuca B., Rendina R.: A new method for the prediction of formability limits in metal sheets. Proceedings of the 7th Biennial Conference of the International Deep Drawing Research Group 1972 [2] Clift S. E., Hartley P., Sturgess C. E. N., Rowe G. W.: Fracture prediction in plastic deformation processes. Int. J. Mech. Sci [3] Cockroft M. G., Latham D. J.: Ductility and the Workability of metals. J. Inst. Met Freudenthal A. M.: The Inelastic Behavior of Solids. Wiley 1950 [4] Ghosh A. K.: A criterion for ductile fracture in sheets under biaxial loading. Metall. Trans [5] Hartley P., Pillinger I., Sturgess C.: Numerical Modeling of Material Deformation Processes, kap. 16: Fracture in Forming Processes ( S. E. Clift). Spring-Verlag 1992 [6] Janícek L., Petruška J., Maroš B., Rusz S.: Cold forming of bolts without thermal treatment, J.Mat.Proc.Technol (2002), Práce byly provedeny v rámci projektu GA CR 106/02/