Artykuł prezentuje wyniki modelowania numerycznego wieloetapowego procesu kucia haka holowniczego prowadzonego w matrycach otwartych na gorąco na linii kuźniczej wykorzystującej młoty parowo-powietrzne. Celem prowadzonych badań jest analiza przemysłowego procesu wytwarzania pozwalająca przede wszystkim na określenie parametrów/wielkości, które trudno wyznaczyć bezpośrednio w procesie lub w sposób doświadczalny, a dla których wyznaczone i następnie wprowadzone w modelowaniu ich zmiany mogą wpłynąć na poprawę aktualnie realizowanej technologii.

W ostatnich latach nastąpił zauważalny wzrost produkcji elementów dla przemysłu automotive, co powoduje, że wciąż poszukuje się nowych energooszczędnych i przyjaznych środowisku technologii wytwarzania podzespołów samochodowych, m.in.: korbowodów, kół zębatych, przekładni ślimakowych, turbin, przegubów homokinetycznych, a także dodatkowych komponentów samochodowych, jak np. haki holownicze. Te ostatnie są często dodatkowym i niezastąpionym elementem wyposażenia pojazdu, dzięki któremu możliwe są transport ładunku na przyczepie lub holowanie innego pojazdu [6, 10]. Obecnie w produkcji wielkoseryjnej stosuje się metodę wielozabiegowego kucia na gorąco pod młotami poprzez operacje kucia matrycowego. Jako elementy bezpieczeństwa od haków otrzymywanych z odkuwek wymaga się dobrych właściwości wytrzymałościowych, dokładności wymiarowych, odpowiedniej wielkości ziarna, nieodwęglania i przebiegu włókien [5, 9, 11].

Duża liczba czynników wpływających na poprawność przemysłowych procesów kucia, w szczególności wieloetapowych, złożonych i często bardzo dynamicznych technologii wytwarzania (odkształcenie podczas jednej operacji kucia trwa około 0,2 s), a także ich wzajemne oddziaływanie powodują, że tego typu procesy są trudne do analizy [1, 2, 8, 12], zwłaszcza że wiele z głównych parametrów technologicznych procesu jest trudnych lub niemożliwych do określenia, a dodatkowo procesy kucia są nadal często realizowane przez człowieka, co powoduje, że czynnik ludzki odgrywa niebagatelną rolę. Z tego też powodu w celu projektowania, analizy i optymalizacji całego procesu kucia wykorzystuje się szereg narzędzi CAD/CAM/CAE oraz opartych najczęściej na metodach numerycznych bazujących na MES [3, 4, 7].

Celem pracy jest opracowanie poprawnego modelu numerycznego wielozabiegowego procesu kucia haka holowniczego, który posłuży do analizy i ewentualnej poprawy obecnego procesu wytwarzania, a także zoptymalizowania zbliżonych procesów wytwarzania tego typu odkuwek pod młotami.

Przedmiot i metodyka badań

W pracy analizie poddano hak holowniczy przedstawiony na rys. 1a oraz gotową odkuwkę haka po okrawaniu (rys. 1b). Najważniejsze dane specyfikacji technicznej wybranego do analizy haka to jego masa, która nie powinna przekroczyć 3 kg, oraz wytrzymałość na działanie siły pionowej na głowę zamontowanego haka w zakresie do 150 kg, a także wytrzymałość na wyginanie/pęknięcie haka w przypadku przyłożenia poziomej siły pociągowej w zakresie do 3500 kg. Wszystko to sprawia, że jedyną technologią, która predysponuje takie właściwości, jest obróbka plastyczna poprzez kucie matrycowe.

Proces wytwarzania wybranego haka holowniczego przebiega w kilkunastu zabiegach i operacjach kuźniczych. Materiałem wsadowym jest pręt ze stali stopowej o podwyższonej wytrzymałości (z grupy stali S355) o profilu φ 80 i długości 140 mm. Po cięciu materiału wsadowego następuje jego nagrzewanie, a po nim kucie na młocie parowo-powietrznym. Matryce są wstępnie podgrzewane na palnikach gazowych do 200°C.     

Proces matrycowania odbywa się w 25 uderzeniach agregatu, na które składają się: kucie swobodne obejmujące spęczanie (2x), spłaszczanie (1x), wydłużanie końca (16x), przeginanie (1x), a następnie kucie matrycowe na młocie parowo-powietrznym – wstępne (3x)
i kucie wykańczające (2x). Następnie wykonuje się operacje zamykające, czyli: okrawanie, prostowanie, śrutowanie, badania defektoskopowe, pakowanie itp.

Modelowanie numeryczne

W oparciu o skanowanie 3D gotowego haka oraz dostępną dokumentację techniczną zbudowano modele CAD gotowego elementu oraz matryc, przy użyciu programu Catia V5R20 firmy Dassault. Symulacje numeryczne wielozabiegowego procesu przeprowadzono przy wykorzystaniu pakietu obliczeniowego Qform 7 firmy Quantorform. Wszystkie symulacje zostały wykonane na modelach numerycznych 3D z uwzględnieniem najbardziej złożonego modelu termomechanicznego z odkształcalnymi narzędziami.

Narzędzia do kucia haka – analiza matryc
Głównym elementem roboczym młota kuźniczego są matryce dopasowane do danego wyrobu (rys. 2b). Na powierzchni matrycy można wyróżnić kilka stref do kolejnych operacji zaplanowanych w technologii. Powierzchnię na dolnej matrycy do spęczania, spłaszczania i wydłużania zaznaczono literą „a”, do przeginania – literą „b”, wykrój wstępny – literą „c”, a wykańczający – literą „d”. Orientacyjna masa każdej z matryc wykonanych z metalu to około 600 kg.

Dobór materiałów i parametrów
W celu prawidłowego przeprowadzenia symulacji kluczowe jest poprawne zdefiniowanie wszystkich warunków brzegowych danego procesu. Materiał wykorzystany na wsad (S355J2)
dobrano z bazy materiałowej programu, a na matryce zastosowano stal do pracy udarowej na gorąco 55NiCrMoV7 wg normy DIN 1.1713 (WNL), o module Younga około
210 000 MPa. Temperaturę matryc przyjęto jako 200°C, a temperaturę wsadu – 1200°C. Przyjęto model tarcia Levanova o współczynniku 0,4 (w procesie przemysłowym stosuje się grafit z wodą). Jako agregat kuźniczy do kucia wybrano młot parowo-powietrzny MPM 6300 o energii uderzenia 70 kJ i charakterystyce przyjętej zgodnie z bazą programu razem z pozostałymi parametrami.

Kucie wstępne oraz wykańczające
Głównym zadaniem postawionym matrycowaniu wstępnemu jest odciążenie wykroju wykańczającego. Jeżeli większa część przedkuwki zostanie uformowana w poprzedzającej operacji, to trwałość wykroju głównego wzrasta. Wykrój wstępny powinien ułatwić przemieszczanie się i poprawne wypełnianie wykroju, szczególnie w miejscach gwałtownych zmian przekroju lub ostrych promieni.
W analizowanym przypadku zastosowano wykrój pomniejszony na szerokości
i długości. Wyjątkiem jest miejsce najtrudniejsze do wypełnienia – stopka haka, którą podwyższono. Przy tej operacji zastosowano duże promienie wyjścia na powierzchnię podziałową matrycy bez mostków i magazynków na wypływkę. Bardzo ważne są wykonanie poprawnej przedkuwki oraz jej dobre spozycjonowanie na matrycy, ponieważ niespełnienie któregoś z tych warunków może powodować niewypełnienia lub zakucia. Wyniki z symulacji poprawnego wypełnienia wykroju w operacji kucia przedstawiono na rys. 3a-c.

Aby kontrolować wypływanie materiału z wykroju, stosuje się hamulce wypływki lub mostki. Na narzędziach zastosowano jednostronny mostek w górnej matrycy połączony z magazynkiem powiększonym miejscowo. Przełożenie z wykroju wstępnego do wykańczającego następuje z obrotem. W celu wyhamowania płynięcia materiału na zewnątrz wykrój wstępny nie ma rowka na wypływkę. Operacja kucia wstępnego składa się z 3 uderzeń (rys. 3d), a wykańczającego (rys. 3e) – z dwóch uderzeń. W dolnej matrycy obniżono powierzchnię podziałową, ponieważ ślad po okrojonej wypływce musi być symetryczny do podziału, szczególnie na główce haka, która zostanie poddana obróbce wiórowej – toczeniu. Promień wyjścia z hamulca na wykrój wykonano możliwie mały w celu dobrej bazy do operacji okrawania na matrycy dziurującej. Na rys. 4 przedstawiono wyniki linii płynięcia materiału, co jest bardzo ważne w aspekcie nieprawidłowości mogących doprowadzić do zakuć lub niewystarczająco dobrych właściwości eksploatacyjnych wskutek anizotropii.

Odkształcenia plastyczne i naprężenia zastępcze
Rozkład odkształceń plastycznych przedstawiono dla przeginania oraz kucia wstępnego
i wykańczającego. Jak widać na rys. 5, materiał płynie równomiernie wzdłuż zarysu odkuwki, pomijając główkę i stopkę, gdzie odkształcenie jest dużo mniejsze. Powodem takiego rozkładu jest większa wysokość odkuwki w wymienionych miejscach – na stopce płynie najwolniej, ponieważ tam jest najgłębszy wykrój.  

Natomiast naprężenia zastępcze w „gorącej” odkuwce, tuż po kuciu, są na zbliżonym poziomie w całej objętości wyrobu i nie przekraczają 200 MPa, jedynie w okolicach mostka naprężenia są nieznacznie większe, w szczególności w stopie haka, i wynoszą około 230 MPa. Dodatkowo, w celu określenia właściwości eksploatacyjnych gotowego wyrobu oraz potencjalnych miejsc wystąpienia pękania, przeprowadzono modelowanie, obciążając głowę haka siłą poziomą wynoszącą 1500 N (zgodnie z przyjętymi zaleceniami), czyli taką, która nie powinna spowodować wystąpienia pęknięcia podczas ciągnienia przyczepy (rys. 6).

Jak można zauważyć, najbardziej niekorzystnym obszarem koncentracji naprężeń i wystąpienia pęknięcia są okolice pod głową haka, na obrabianej mechanicznie (po kuciu) powierzchni w miejscu redukcji przekroju. W tych krytycznych obszarach naprężenia zastępcze wynoszą około 300 MPa, co dla tego materiału jest w okolicach wytrzymałości na rozciąganie (Rm = 345 MPa). Dlatego podczas procesu kucia należy zadbać o poprawność płynięcia materiału oraz o prawidłowy rozkład włókien (rys. 4), a dodatkowo podczas obróbki mechanicznej zapewnić wysoką jakość powierzchni, bowiem może to być przyczyną przedwczesnego pękania gotowego wyrobu.

Defekty kuziennicze
Jednym z największych zagrożeń podczas procesu kucia takich elementów jak hak (odkuwka o zakrzywionej osi) są defekty kuziennicze, z których najgroźniejsze są przede wszystkim zakucia (podłamy) i zawinięcia materiałowe (rys. 7). Wykorzystanie specjalnych funkcji (m.in. laps, folds itp.) w programie pozwala na zasymulowanie różnych wariantów ułożenia i wykrycie najbardziej narażonych na wady obszarów formowanego materiału. Podczas płynięcia część materiału pozostaje pomiędzy matrycami, tworząc zawinięcie (rys. 7a), które w kolejnych uderzeniach jest wprasowywane w wypływkę. W trakcie kucia wykańczającego utrzymuje się tendencja wypływania poza detal, przez co defekty nie wpływają na parametry produktu. W analizowanym procesie niewielkie wady mogą powstawać na narożach w procesie wydłużania na kowadle, ponieważ jest to proces zakuciogenny (rys. 7b).

Podobne wady były obserwowane w przemysłowym procesie kucia, zwłaszcza w przypadku nieprzestrzegania technologii, np. niewłaściwym ułożeniu przedkuwki lub złej długości wadu.

Weryfikacja wyników

W celu weryfikacji wyników oraz przy uwzględnieniu dodatkowych informacji z modelowania numerycznego wykonano odkuwki, a następnie w oparciu o normę ISO 6892-1 i 2 (zgodnie z wymaganiami klienta) przeprowadzono badania wytrzymałościowe w temperaturze 100oC (tab. 1).

Uzyskane wyniki potwierdziły zakładane wartości parametrów: Re = 326 MPa oraz Rm = 458 MPa, z uwzględnieniem temperatury otoczenia.

Wnioski

Przeprowadzone modelowanie numeryczne procesu kucia haka holowniczego dostarczyło wielu cennych informacji trudnych do uzyskania podczas typowej analizy procesu przemysłowego, które dotyczyły m.in.: rozkładu odkształceń plastycznych, pól temperatur oraz naprężeń w odkuwce, a także obszarów, w których mogą powstać zakucia. Dzięki uwzględnieniu wyników z MES i wprowadzeniu korekt w procesie uzyskano dużą dokładność wymiarową gotowej odkuwki (na podstawie skanowania), a także zakładane własności mechaniczne. Tym samym potwierdzono słuszność przyjętych założeń modelowania numerycznego.

Przedstawione wyniki mogą posłużyć do optymalizacji wybranych parametrów podobnych procesów kucia oraz kształtu narzędzi ze względu na jakość odkuwki oraz trwałość narzędzi.

Piśmiennictwo
  1. Altan T.: Cold and hot forging fundamentals and application. ASM Internation, Ohio 2005.
  2. Gronostajski Z., Hawryluk M.: The main aspects of precision forging. „Archives of Civil and Mechanical Engineering”, 2008, s.  39-57.
  3. Hawryluk M., Ziemba J.: Application of the 3D reverse scanning method in the analysis of tool wear and forging defects. Measurement (London). 2018, vol. 128, s. 204-213.
  4. Hawryluk M.: Review of selected methods of increasing the life of forging tools in hot die forging processes. „Archives of Civil and Mechanical Engineering”, nr 16/2016, s. 845-866.
  5. Hawryluk M.: Methods of analysis and increasing durability of forging tools used in hot die forging processes, Monographic publishing series. Problems of Operation and Machine Construction. ITE – PIB, Radom 2016.
  6. https://www.westfalia-automotive.com/pl/produkty/haki-holownicze/.
  7. Kocańda A.: Określenie trwałości narzędzia w obróbce plastycznej metali. [W:] Informatyka w Technologii Metali, pod red. A. Piela, F. Grosman, J. Kusiak i M. Pietrzyk, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2003, s. 213-256.
  8. Lange K., Cser L., Geiger M., Kals J.A.G.: Tool Life and Tool Quality in Bulk Metal Forming. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture November 1993, s. 223-239.
  9. Lee S.K., Ko D.C., Kim B.M.: Optimal die profile design for uniform microstructure in hot extrusion product. Int. J. Mach. Tool Manuf. 2000, s. 1457-1478.
  10. Przedsiębiorstwo HAK Sp. z o.o. z siedzibą we Wrocławiu, Centrum Badawczo-Rozwojowe: Opis prac innowacyjnych (badawczych i rozwojowych) zrealizowanych przez HAK Sp.  z o. o. w 2012 roku, część 1.
  11. Sińczak J.: Podstawy procesów przeróbki plastycznej. Wydawnictwo Naukowe Akapit, Kraków 2010.
  12. Vazquez V., Altan T.: New concepts in die design – physical and computer modeling applications. „Journal of Material Processing Technology”, nr 98/2000, s. 212-223.

 

Rys. 1. Zdjęcia: a) gotowego haka, b) odkuwka haka po okrawaniu

 



Rys. 2. Modele CAD zaimportowane do MES: a) złożenie obu matryc, b) dolna matryca z oznaczonymi strefami, c) zdjęcie matrycy z góry, d) zdjęcie dolnej matrycy po kuciu. Modele CAD narzędzi i materiału wsadowego zostały zdyskretyzowane

 


Rys. 3.  Operacja kucia wstępnego: a) poprawne ułożenie materiału, b) gięcie, c) ułożenie w wykroju wstępnie matrycującym, d) po trzecim uderzeniu w kuciu wstępnym, e) po drugim uderzeniu w kuciu wykańczającym

 



Rys. 4.  Wyniki: a) linie płynięcia materiału z wybranych operacji uzyskane z modelowania numerycznego, b) rozkłady włókien uzyskane w teście Jacewicza

 

Rys. 5a

 

Rys. 5b

 

Rys. 5c
Rys. 5.  Rozkłady: a) odkształceń plastycznych po kuciu wstępnym, b) po kuciu wykańczającym, c) naprężeń zastępczych po kuciu wykańczającym

 



Rys. 6.  Widok rozkładu naprężeń zredukowanych przy obciążeniu 1500 N

 



Rys. 7.   Detekcja wad odkuwek przy wykorzystaniu oprogramowania QForm:
a) zawinięcie na odkuwce podczas kształtowania wstępnego,
b) defekty na odkuwce po kształtowaniu wykańczającym wykonanej ze zbyt długiej przedkuwki

 



Tab. 1. Wybrane własności wyrobu ze stali S355 przy temperaturze otoczenia


W związku z wejściem w dniu 25 maja 2018 roku nowych przepisów w zakresie ochrony danych osobowych (RODO), chcemy poinformować Cię o kilku ważnych kwestiach dotyczących bezpieczeństwa przetwarzania Twoich danych osobowych. Prosimy abyś zapoznał się z informacją na temat Administratora danych osobowych, celu i zakresu przetwarzania danych oraz poznał swoje uprawnienia. W tym celu przygotowaliśmy dla Ciebie szczegółową informację dotyczącą przetwarzania danych osobowych.
Wszelkie informacje znajdziesz tutaj.
Zachęcamy również do zapoznania się z naszą nową Polityką Prywatności.
W przypadku pytań zapraszamy do kontaktu z naszym Inspektorem Ochrony Danych Osobowych pod adresem iodo@elamed.pl

Zamknij