Simulace technologického postupu kování hřídelí. Prof. Ing. Jaroslav Koutský, DrSc. Ing. Dušan Kešner Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 8, 320 00 Plzeň, ČR, koutsky@kmm.zcu.cz Abstract 3D simulation of upsetting, drawing-out and forging of shaft strokes from 45t-weight ingot of 34CrNiMo6 steel was elaborated by help of Forge3 program. To analyze the manufacture of big all-forged crankshaft by help of numerical simulation was the main target of the work as well as to determine the behavior of material in given conditions of individual technological steps and rationalize the manufacture by help of investigated facts. On first two operations methodical approach used at given simulations is described. This procedure is identical in remaining simulated operations included in the paper too. Demonstrated example sketches the complete approach to the simulation of technological operations chains. 1. Vytváření podkladů pro simulaci. Pro vlastní výpočet je potřeba zjistit a zadat potřebné údaje, které reprezentují průběh celého simulovaného technologického procesu, chování materiálu a případné napěťové odezvy. 1.1. Zhotovení geometrie Geometrická reprezentace jednotlivých částí interagujících v technologickém procesu mohou být geometricky reprezentovány několika způsoby. Nějčastěji je používán popis formou konečnoprvkové sítě. Toto sebou přináší určitou míru geometrické nepřesnosti, zvláště v oblastech rádiusů a zakřivení. Proto je potřeba používat diskretizační nástroje, které umožňují zhuštění sítě v těchto problematických místech nebo v místech kde se předpokládají výrazné změny a vysoké gradienty hodnot. Dalším problémem je volba optimální velikosti prvku odpovídající velikosti modelu. Při simulaci technologie kování velkých klikových hřídelí, pracujeme s objekty velikosti řádově několik metrů. Proto se setkáváme s velikostí prvku řádově desítky centimetrů, za podmínek ovlivněných paměťovými nároky a rychlostí výpočtu. Pro diskretizaci bylo použito buď automatického povrchového a objemového síťování v programu FORGE, nebo ruční plošné síťování v programu HYPERMESH. 1.2. Definice pohybů. Technologie kování klikových hřídelí je prováděna pouze na hydraulických lisech. Pohyb horního beranu je specifický, a funkčně nezávislý na běžně použitelných parametrech. Rychlost závisí zejména na velikosti tvářecí síly a na výkonnosti použitého hydraulického čerpadla. Proto se rychlost volí pouze přibližně a v průběhu výpočtu dochází k určité korekci, aby bylo dosaženo technologických časů shodných s realitou, zvláště v okamžiku kdy je použita multiplikace stroje. Shodný výpočtový čas umožňuje zachovat a sledovat teplotní pole, které ovlivňuje všechny na teplotě závislé parametry. Technologie je realizována na několik po sobě jdoucích operací. Jako jednotlivé operace jsou brány v úvahu i manipulační stavy, aby byla zachována časová a zvláště teplotní shoda s reálným technologickým procesem. V případech simulace kování celé 6x zalomené klikové hřídele z polotovaru pomocí tvarových kovadel je možné celý technologický řetězec složit až ze 39 jednotlivých operací. - 1 -
METAL 2001 1.3. Materiálové parametry. Je všeobecné známo, že napětí nutné pro tečení materiálu, je závislé na velikosti deformace. rychlosti deformace a teploty. Každý bod tvářeného tělesa se nachází ve stavu jisté deformace, rychlosti deformace a teploty, která se zpravidla mění. Pro výpočet tedy potřebujeme správný materiálový model chování, který získáme měřením některou z dostupných plastometrických metod. Důležité je získat a popsat tento model plochou ve čtyřrozměrném prostoru, a to v celém intervalu podmínek vyskytujících se v simulovaném procesu. Možnosti simulačního software poté určují, zda materiálový model bude převeden do počítačové podoby ve formě tabulky nebo matematického vztahu. Pro pořizování vstupních dat pro numerickou simulaci je nejvíce využíváno zkrutového plastometru, tlakového deformačního dilatometru a nebo simulátoru deformačních cyklů Smitweld. Z důvodu různého principu zatěžování na jednotlivých přístrojích (krut, tlak, tah) je nutné použít různé metodiky pro získání Obr.č.1.: Sestavení tvarových materiálového modelu z naměřených dat. pěchovacích matric s ingotem. 1.4. Výpočtové parametry. Jedná se především o parametry, které ovlivňují průběh a chování simulačního programu během výpočtu. Jedná se nejen o volbu iterační metody a pravidel konvergence, ale mezi nejhlavnější parametry patří definice velikosti a změny časového kroku Ovlivňuje nejen přesnost a časovou náročnost výpočtu ale také ovlivňuje případnou změnu objemu. Mezi důležité parametry při aplikaci velkých deformací patří také spouštění a chování přesíťování. 2. Simulace pěchování. I přes pokroky v metalurgii výroby ingotů, dochází vlivem reálných podmínek krystalizace ke vzniku řady problémů, které způsobují snižováni kvality materiálových Obr.č.2 : Pole rozložení ekvivalentního napětí, deformace a středního napětí. -2-
vlastností v některých oblastech ingotu. Jednou takovou oblastí je i půdní část ingotu, která díky sedimentačnímu kuželu nedovoluje ani po dostatečném prokování dosáhnout požadovaných mechanických hodnot. Z tohoto důvodu je zmíněná část zpravidla v průběhu výroby z ingotu odstraňována. 2.1. Optimalizace pěchovacích matric. Díky kuželovitému tvaru znečištěné oblasti ingotu, která zaujímá cca 10-11% celkové hmotnosti, dochází často i ke zbytečnému odstranění části kvalitního materiálu, který s touto oblastí sousedí. Pokud se při kování využívá jako prvotní operace pěchování plochým kovadlem, dochází k zatlačení nekvalitního materiálu z patní části ingotu do oblasti těla ingotu, a tím pak může docházet k zvýšení ztrát v patní části ingotu až na 20% celkové hmotnosti. Obr.č.3 : Výsledný tvaru linie sedimentačního kužele zobrazující vliv geometrie pěchovací matrice. Pro částečnou eliminaci tohoto problému lze použít pěchování s pěchovací matricí, ve které se při pěchování nachází část sedimentačního kužele (obr.č.1). Z technickoekonomických důvodů nelze provádět optimalizaci tvaru pěchovací matrice za účelem odstranění kužele experimentálně. Proto byla optimalizační studie provedena za pomoci počítačové simulace. Sestavení kovadel s výkovkem bylo provedeno podle skutečných rozměrů kovářského ingotu o hmotnosti 45t. Úloha byla řešena jako rotačně symetrická. U pěchovací matrice byly za účelem minimalizace odpadu zkoumány vlivy dvou úhlů a průměrů. Celkem bylo vyhodnoceno 28 variant výpočtů včetně srovnání s postupem pěchování plochým kovadlem. - 3 -
METAL 2001 2.2. Rozbor tečení materiálu v patní části ingotu. Hlavní úkol této simulace bylo studium chování sedimentačního kužele při pěchování ingotu za pomoci pěchovací matrice s cílem optimalizace její geometrie. V geometrii výkovku byla namodelována linie, která přibližně odpovídá neostré hranici sedimentačního kužele. Pohyb této linie byl sledován během celého průběhu výpočtu a z jejího konečného tvaru vyhodnocován vliv tvaru pěchovací matrice (obr.č.3). Z výsledků vyplívá že největší pozitivní vliv má vnitřní průměr matrice. Jednak proto, že se zvětšuje volný prostor pro materiál ze sedimentačního kužele, a také proto, že se deformace na počátku pěchování soustřeďuje především na kraji ingotu ve styku s pěchovací matricí (obr.č.2.). 3. Simulace prodlužování. V technologickém postupu navazuje na pěchovací operaci proces prodlužování, který se skládá z postupného redukování průřezu řadou následných úběrů realizovaných mezi kovadly lisu s přímočarým pohybem. Do vlastní operace je převzata zdeformovaná síť, která je výstupem simulace pěchování s výsledným nehomogenním teplotním polem. Prodlužování je prováděno na stejném hydraulickém lise jako operace pěchování. Obtížně řešitelným problémem v procesu prodlužování je modelování účinků manipulátoru. Je používáno zavěšení na jeřábových řetězech, které zachycují síly pouze ve směru od středu jejich zavěšení. Toto bylo vyřešeno pomocí zachycení posuvů určitých uzlových bodů. Obr.č.4 : Ingot s nástroji během prodlužovacích operací. Celé prodlužování je realizováno velkým množstvím po sobě jdoucích úběrů mezi nimiž je prováděno postupné pootáčení polotovaru. Celý výpočet je velice časově náročný -4-
nejen z hlediska výpočtového času, ale také z hlediska přípravy dat pro jednotlivé úběry. Zobrazení ingotu při prodlužování je na obrázku č.4. 4. Simulace kování zdvihu klikových hřídelí. V současnosti používaná technologie kování zdvihů na velkých celokovaných klikových hřídelích založena na principu volného kování představuje sice velmi efektivní postup z hlediska náročnosti na tvářecí nástroje, přípravky, čas a počet ohřevů v peci. Její velkou nevýhodou je ale vysoká materiálová náročnost daná velkými technologickými přídavky, které jsou velmi nerovnoměrně rozložené a vedou v následujícím zpracování k zdlouhavému a komplikovanému obrábění. Vzhledem k zpravidla kusové výrobě je nutné dosáhnout lepšího tvaru předkovku zpravidla přímo metodou volného kování. Výsledky této práce ukazují možnost využití modelování a MKP simulace k návrhu nových metod kování. Obr.č.5 : Ukázka optimalizace toku materiálu při použití tváření několika páry tvarových kovadel. Obr.č.6 : Zobrazení tvaru výkovku kovaného prosazováním. - 5 -
Byla provedena celá řada modelových návrhů technologie kování jednotlivých zdvihů. Řešené technologické postupy řešení se liší od stávající běžně používané technologie tím, že je používáno jiné uspořádání kovadel s cílem předkovat čepy a prosadit zdvih. K tomuto účelu bylo využíváno jak analýzy ve 2D tak i ověření a vlastní analýzy ve 3D. V jednotlivých variantách byl sledován tok materiálu (obr.č.5) Variováno bylo s různými tvary kovadel a jejich vzájemnými rychlostmi pohybů. Výsledné tvary výkovků byly porovnávány s požadovaným konečným tvarem součásti a provedeno vyhodnocení kritických míst (obr.č.6 a 7). Obr.č.7 : Zobrazení tvaru výkovku tvářeného současně několika tvarovými kovadly. V popředí zájmu po celou dobu modelování procesu stojí vždy požadavek na přesnost výsledků a je proto nezbytné provádět neustálou kontrolu shody výsledků výpočtů se skutečností. Výroba mnohotunové celokované hřídele nepatří k nejlacinějším, a proto je nutné volit uvážené kontrolní kroky, které začínají u jednoduchých malých modelů. Další úrovní bylo modelové kování klikové hřídele v měřítku 1:5, kde se výpočet od reálných hodnot lišil v osové délce o necelých 1,6%. 5. Závěr. 3D simulace pěchování, prodlužování a kování zdvihů celokovaného klikového hřídele dovoluje zjistit a analyzovat chování materiálu v danných podmínkách jednotlivých technologických kroků a s pomocí zjištěných skutečností racionalizovat a optimalizovat výrobu. Správný návrh technologie a přechod mezi jednotlivými operacemi během výpočtu je velice komplikovaný problém. Je prováděno veliké množství přenosu dat a každý následný krok je závislý na kroku předcházejícím. Je proto důležité systematicky provádět kontrolu výsledků po každém kroku s cílem minimalizovat velikost rozptylu výsledků simulace od následné realné produkce. Literatura. Mašek, B - Kešner, D.: Simulace vlivu geometrie pěchovací matrice na deformaci sedimentačního kužele v patní části ingotu při pěchování, Kovárenství 12/1998, CZ Mašek, B. - Kešner, D.: Analýza materiálového toku v patní části ingotu při pěchovacích operacích pomocí metody konečných prvků, Mezinárodní symposium Metal 98, Ostrava 1998, CZ - 6 -
Mašek, B. - Kešner, D.: Využití počítačové simulace pro návrh vhodné geometrie matrice k pěchování ingotu o hmotnosti 45 tun, 6. mezinárodná konferencia CO-MA-TECH 98, Trnava 1998, SK Mašek, B.; Kešner, D.; Nový, Z.: Forge3 Moglichkeiten am Beispiel eines Gesenkeschmiedestuckes. In: International Conference MEFORM 99, Freiberg 1999, D Mašek, B.; Meyer, L.-W.; Nový, Z.; Kešner, D.: Possibilities of FEM simulation by large crankshaft production. In: 6. International Conference of Technology of Plasticity, Nurnberg 1999, D Kešner,D.; Skopeček, T.; Svoboda, J.; Mašek, B.; Nový, Z.: 3D Simulace pěchování a prodlužování ingotu 45 tun, Projekt "250" - Simulace heterogenních funkčně strukturovaných systémů, Roční zpráva ZČU Plzeň 1999-2000, Plzeň 1999, CZ Nový, Z.; Kešner, D.; Mašek, B.: Simulace kování zdvihu klikových hřídelů, Projekt "250" - Simulace heterogenních funkčně strukturovaných systémů, Roční zpráva ZČU Plzeň 1999-2000, Plzeň 1999, CZ Mašek, B.; Nový, Z.; Kešner,D.: 3D Simulation des Stauchens und Reckens des I 45 Ingotes: in 8th International Metallurgical Conference Metal 2000, Ostrava 2000, CZ Mašek, B.; Nový, Z.; Kešner,D.: Computer Simulation of Technological Chain by Free Forging: in 14th International Forgemasters Meeting IFM 2000, Wiesbaden 2000, D - 7 -