Modelování tvářecích procesů - nové možnosti laboratorního tváření

Transkript

1 Modelování tvářecích procesů - nové možnosti laboratorního tváření Mašek Bohuslav 1+3), Bernášek Vladimír 1), Nový Zbyšek 2) 1) Západočeská univerzita v Plzni 2) Comtes HFT s.r.o. Plzeň 3) TU Chemnitz Abstrakt Moderní pojetí výzkumu i výuky klade mimo jiné vysoké požadavky na laboratorní zařízení a experimentální stroje. Bez spičkového technického vybavení laboratoří nelze dosahovat odpovídajících výsledků, které odpovídají současným požadavkům průmyslu. S finanční a materiální podporou řady podniků a institucí a v rámci projektu Fondu rozvoje vysokých škol vznikla na oddělení strojírenské metalurgie katedry materiálu a strojírenské metalurgie Západočeské univerzity nová halová laboratoř tváření, která je vybavena celkem osmi tvářecími stroji a odpovídajícím pecním zařízením tak, aby bylo pokryto široké spektrum technologií tváření. Laboratoř tváření Během čtyřicetileté historie výuky a výzkumu v oblasti strojírenské metalurgie a tváření v Plzni byla na pracovišti katedry materiálu a strojírenské metalurgie budována základna orientovaná tradičně především na procesy kování a výrobu polotovarů a součástek z plechu. V roce 1993 byl s přípravou nové laboratoře znovu intenzifikován rozvoj plastomerie. Postupně byla vybudována nová laboratoř plastometrie, která má v současnosti k dispozici tři plastometry: torzní hydraulický plastometr s možností axialních deformací (obr.1), kyvadlový plastometr s možností zkoušení tahem, tlakem a ohybem a padací, pěchovací plastometr. Tyto plastometry jsou využívány především pro zjišťování deformačních charakteristik zkoumaných materiálů a od roku 1996, kdy se na katedře materiálu začíná rozvíjet laboratoř numerických simulací, slouží získávaná data i pro vytváření materiálových modelů popisujících deformační chování za příslušných podmínek tváření. Od roku 1998 se začínají rozvíjet metodiky zjišťování koeficientu tření s finálním cílem vytvořit vhodné víceparametrické modely tření využitelné pro numerickou simulaci (obr. 2). Obr.1 Torzní plastometr ZČU Obr.2. Tribologická zkouška zalisováním za rotace

2 Další laboratoří je laboratoř numerických simulací zaměřená na procesy tváření a tepelného zpracování. Postavení laboratoře ve vědecko-pedagogické struktuře stejně jako její vybavení je zřejmé ze schematu (obr.3). Podpora jejího fungování je v současné době zabezpečována kooperací se Západočeským superpočítačovým centrem a firmou Comtes FHT. Obr.3. Schema pracoviště simulací na KMM ZČU Pro dosažení vysoké shody numerických simulací technologických operací a v poslední dobe zejména celých technologických řetězců je nutné vycházet nejen z přesných vstupních dat, ale neustále provádět i důslednou kontrolu porovnáním výsledků s experimentem a praxí. Aby bylo možné uzavřít celý tento cyklus, byla vybudována laboratoř, která pokrývá svými experimentálními možnostmi široké spektrum technologií tváření od izostatického lisování prášků, přes tváření plechu, hydroforming, protlačování až po zápustkové a volné kování. V laboratoři je instalováno celkem osm tvářecích strojů, které jsou doplněny třemi pecemi s odpovídající regulační technikou, aby bylo možno simulovat průběhy teplotních křivek a přesně v souhlasu s výpočty provádět řízené ohřevy a tepelné zpracování. Pro případy zpracování speciálních materiálů, jejichž ohřev způsoboval na pracovišti doposud technické problémy, lze nyní dosahovat pecní teploty až 1600 C. Při koncipování laboratoře bylo zároveň dbáno na možnost aplikací z oblasti high-techu a získání alespoň některé z dostupných jednodušších metod rapid-prototipingu. Instalace 100 tunového lisu na lisování prášků v kombinaci s izostatickým lisem (obr. 4), kovacím lisem a lisem pro dopředné protlačování (obr. 5) umožní např. výrobu fázemi vyztužených, směrově orientovaných materiálů z metalurgicky nekompatibilních materiálů nebo materiálů s ultrajemnou strukturou. Z pohledu kovářského stojí za zmínku tři instalovaná zařízení. Jedná se o dva starší, repasované tvářecí stroje, pneumatický buchar s třicetikilovým Obr.4. Izostatický lis beranem a vřetenový lis.

3 Největší význam, jak z hlediska vlastního tváření, tak i z hlediska modelování a simulací má 100 tunový kovací lis. Jedná se o plně funkční model lisu CKW 6000 v měřítku 1:10. Odborné veřejnosti byl tento lis představen na Mezinárodním strojírenském veletrhu v Brně na podzim roku Obr.5. Lis pro dopředné protlačování Obr tunový kovací lis se sinusovým pohonem Obr.7. Pracovní diagram sinusového pohonu lisu Projekt a realizace zařízení, postavená na nejnovější koncepci modifikovaného sinusového pohonu, byla provedena firmou ŽĎAS. Přímé řízení pohybu traverzy lisu je realizováno přímo ovládáním dodávky čerpadla. Tato koncepce umožňuje dosáhnout efektivně vynikajících parametrů pro technologii volného kování. Firma ŽĎAS, a.s., Žďár nad Sázavou se podílela více než 2/3 finančním příspěvkem na projektu v celkové hodnotě téměř čtyři milióny korun. Sinusový pohon představuje jeden z nejmodernějších současných směrů ve vývoji kovacích lisů (obr. 7). Proti klasickému pohonu řízenému složitým ventilovým rozvodem je tento pohon výhodný hned z několika důvodů. Odpadá složitý rozvod a jeho řízení. Podstatně se tak snižuje náročnost údržby a výrazně se zvyšuje spolehlivost zařízení. Vlastní řízení je realizováno regulačním čerpadlem firmy Wepuko se spolehlivou řídicí elektronikou. Vzhledem k tomu, že všechny přeřazovací fáze lisu probíhají přes čerpadlo, vyznačuje se pohyb

4 Obr.8. Pohonná jednotka kovacího lisu s čerpadlem Wepuko traverzy lisu klidným chodem bez rázů, které nelze u klasického lisu zcela odstranit (obr. 7). Pohyb traverzy lisu je proporcionálně řízen výchylkou ovládací páky, což umožňuje mnohem přesnější ovládání lisu. Výsledkem je kvalitnější výkovek a u lisů s manipulátorem jejich lepší součinnost. Vlastní řízení lisu je realizováno PLC systémem. V uvedeném případě se jedná o řídicí systém SIMATIC řady S7-300, který shromažďuje veškeré údaje ze snímačů umístěných na stroji a na řídicím panelu, zpracovává je a podle zvoleného režimu ovládá jednotlivé mechanismy stroje. Díky uvedenému řídícímu systému realizovaným firmou DEL je možno provádět kování ve volitelném ručním, poloautomatickém nebo automatickém režimu. Samozřejmostí je kování na rozměr, kování v přerušovaných režimech s postupnými úběry, či režim hlazení při rychlosti více než dvou zdvihů za vteřinu. Novinkou je možnost řídit průběh rychlosti deformace v průběhu zdvihu. Tím je možno simulovat deformace materiálu tak, jak probíhají na jiných strojích, např. vřetenových nebo klikových lisech a zároveň snímat polohu a deformační sílu do externě, přes standardní rozhraní, připojeného počítače. Do budoucna se počítá s doplněním tohoto zařízení o integrovaný systém ohřevu a upínání zkušebních vzorků přímo pod lisem. Tím vznikne vysoce flexibilní plastometrické zařízení se sílou 100 tun v tlaku a 30 tun v tahu, mimo jiné i pro zkoušky složitějších termomechanických režimů. Závěr Výstavbou tvářecí laboratoře se podařilo dokončit vybudování moderního pracoviště se všemi potřebnými prostředky nutnými pro modelování a vývoj tvářecích procesů. K dispozici jsou plastometrická zařízení pro měření technologických vlastností materiálů a vytváření modelů pro počítačovou simulaci, hardwarové i softwarové prostředky s odpovídajícím know - how, potřebným pro počítačovou simulaci procesů tváření a tepelného zpracování. Pro ověřování návrhů technologií a verifikaci vypočtených výsledků je možno využít řadu tvářecích strojů pokrývající široké spektrum technologií tváření. Pro oblast kování je k dispozici lis, který svojí koncepcí konstrukce pohonu a řízení v kombinaci se svými parametry předurčuje lis k využití nejen v oblasti výuky technologie tváření, simulací a modelování technologických procesů, ale i v oblasti přímého materiálového výzkumu.

5 Parametry některých vybraných zařízení Lisy Kovací lis 100 tun CKW Pracovní síla 82 t Maximální pracovní síla 98,3 t Pracovní tlak 35 MPa Maximální pracovní tlak 42 MPa Pracovní rychlost při tlaku 26 MPa 120 mm.s -1 Pracovní rychlost při tlaku 42 MPa 75 mm.s -1 Rychlost posuvu (plynule nastavitelná) 300 mm.s -1 Zdvih 300 mm Počet hladících zdvihů zdvihů/min Hydraulický univerzální lis CUP 40 Jmenovitá tvářecí síla 400 kn Jmenovitý tlak oleje hydrauliky 16 MPa Maximální zdvih beranu 350 mm Rozevřená výška 550 mm Rozměry stolu 650 x 500 mm Rozměry beranu 450 x 350 mm Propad ve stole 160 mm Rychlost beranu pracovní (stavitelná) 0 30 mm/s Zdvih horního vyhazovače 100 mm Síla horního vyhazovače 31 kn Zdvih spodního přidržovače 170 mm Max. síla spodního přidržovače 70 kn Lis je vhodný pro všechny operace plošného tváření tažení, ohýbání, stříhání, děrování, lemování, ražení, rovnání. Pro tažení je lis vybaven spodním hydraulickým přidržovačem a horním hydraulickým vyhazovačem v beranu lisu. Je možné provádět hluboké tahy tloušťky plechu 0,5 3 mm v rozsahu mm s následným tažením do hloubky max. 170 mm včetně kalibrace. Ohýbání lis může v základním provedení provádět všechny ohýbací operace plechu tloušťky 0,3 5 mm s pevností 400 MPa do délky 450 mm. Stříhání, děrování, rohové vystřihování lze provádět u materiálů tloušťky 0,3 5 mm se střižnou délkou mm u ocelových plechů s R m 400 MPa, u lehkých slitin do max. střižné délky 1200 mm. Plošné rovnání plechových přístřihů lze provádět u součástí s plochou mm 2 podle pevnosti rovnaného materiálu. Protlačovací lis Matra Protlačovací síla Max. zdvih průtlačníku Vnější rozměry vyměnitelných průtlačnic Předehřívání průtlačnic 2500 kn 500 mm 340 mm, výška 180 mm ano

6 Isostatický lis ASEA Vnitřní rozměry tlakové komory Lisovací tlak Axiální síla Lisovací médium Hydraulický lis BUSSMANN Lisovací síla Maximální zdvih beranu Rozměry pracovního stolu Rozměry beranu Propad ve stole 225 mm, výška 900 mm Max bar 16 MN vodní emulze max. 100 t 700 mm 650 x 650 mm 650 x 650 mm 80 mm Ohřívací pece A) Dvoukomorová ohřívací pec Komora Rozměry ohřívací komory v mm výška šířka hloubka Max. provozní teplota [ C] Způsob vytápění odporově (kantal) silitové tyče B) Jednokomorová ohřívací pec Komora Rozměry ohřívací komory v mm výška šířka hloubka Max. provozní teplota [ C] Způsob vytápění odporově (superkantal) Regulace pecí pro každou komoru samostatný programový regulátor MIKROTHERM MT 825-A PID regulace, automatická optimalizace parametrů, dvoupolohová regulace, řízení topení, příp. chlazení. Finanční a materiální podpora řešení projektu ŽĎAS a.s., Ždár nad Sázavou projekt FRVŠ MŠMT ČR Wepuko GmbH & Co. KG Metzingen Siemens A.G., Berlin Škoda Steel s.r.o., Plzeň Škoda Výzkum s.r.o. Plzeň Comtes FHT s.r.o. Plzeň HSG-Hans Götz