POLITECHNIKA LUBELSKA
WYDZIAŁ MECHANICZNY
PROJEKT ODKUWKI
WYKONALI:
GRZEGORZ GÓRA
GRZEGORZ GROSZEK
PAWEŁ HEREĆ
Kucie matrycowe jest jedną z najstarszych metod obróbki plastycznej odkuwek – znane jest ono naszej cywilizacji już od epoki brązu. W dzisiejszych czasach kucie matrycowe jest jednym z podstawowych sposobów kształtowania części maszyn i bardzo popularną technologią spotykaną praktycznie w każdej gałęzi przemysłu maszynowego, rolniczego, motoryzacyjnego, lotniczego, zbrojeniowego, budowlanego itd. Na całym świecie tylko odkuwek stalowych rocznie produkuje się ponad 30 tys. ton. Do tego dochodzą odkuwki wykonane ze stopów nieżelaznych, takich jak stopy magnezu, tytanu i aluminium.
Rozwój technologii kucia matrycowego w dzisiejszych czasach jest ukierunkowany przede wszystkim na zwiększenie ekonomiczności produkcji, przy jednoczesnym polepszeniu jakości wyrobów. Na szczególną uwagę zasługują badania dotyczące zwiększenia możliwości i efektywności kucia odkuwek ze stopów nieżelaznych dla przemysłu lotniczego i kosmicznego.
Wykonanie projektu odbyło się w programie Solid Edge st6 oraz Deform 3D. Ten pierwszy służy do rysowania szkiców w jednej płaszczyźnie lub za pomocą tego samego narzędzia jakim jest szkicownik tworzyć modele 3D. Tak powstał model matryc górnej i dolnej, odkuwki w denkami oraz odkuwki wraz z rowkiem oraz wypływką.
Deform 3D to z kolei program do symulacji procesów obróbki plastycznej. W tym programie po ustawieniu odpowiednich parametrów i wczytaniu modeli możemy zobaczyć jak krok po kroku powstaje nasza zaprojektowana odkuwka.
Projekt zaczynamy od szkicu w programie Solid Edge. W tym przypadku będzie to dźwigienka z dwiema przelotowymi tulejami i żeberkiem. Długość całkowita naszej odkuwki wynosi 150 mm. Szerokość zaledwie 50 mm. Na jej powierzchni znajdują się dwie tulejki o średnicy zewnętrznej ø =50 mm i otworze osiowym ø=30. Żeberko ma szerokość 5 mm, a grubość samej dźwigni to 10 mm.
Przy pomocy narzędzi z menu podręcznego wyciągamy odpowiednio kształty. Ustalamy zadane wymiary i właściwości odkuwki:
a) Na odkuwce nie może być ostrych krawędzi, w tym celu zaokrąglamy je stosując promień 1 mm.
b) Wszelkie ścianki pionowe takie jak tulejki oraz żeberko wzmacniające pochylamy. Wartość pochylenia 5 stopni. Pochylenia umożliwiają późniejsze jej wyjęcie z formy po wykuciu.
c) Uwzględniamy denka, które pozwalają odkuć miejsca gdzie mają być otwory w tulejkach. Całego otworu przelotowego nie da się odkuć.
Tak przygotowaną odkuwkę zapisujemy w pliku. Będzie nam potrzebna do dalszych operacji związanych z tworzeniem projektu.
Rys.1: Szkic detalu w Solid Edge st6.
Rys.2: Gotowa odkuwka z pochyleniami i denkami.
Mając gotową odkuwkę z denkami pochyleniami i bez ostrych krawędzi można wziąć się za dorysowanie mostka oraz magazynka wypływki. Nie można jednak dobrać ich według swojego uznania. Wszystko obliczamy, a na podstawie wyników wybieramy z tabel wartości właściwe dla wypływki. Obliczenia do wglądu na następnej stronie.
Rys.3: Odkuwka wraz z rowkiem i magazynkiem.
Tab.1: Wymiary rowków i wypływek.
Aby utworzyć matrycę do odkuwania naszego wyrobu należy stworzyć dwa prostopadłościenne elementy o wymiarach 320x180x60 i zapisać je w nowych plikach. Potem składamy je w nowym oknie z naszą odkuwką z wypływką i wykonując operacje Boole’a otrzymujemy odciśnięty ślad naszego wyrobu w kostce. Wykonując potem symetryczne wyciągnięcie otrzymujemy drugą matrycę.
Rys.4: Górna matryca.
Rys.5 Dolna matryca.
Aby ją zrobić, trzeba wykonać wykres przekrojów. Dzielimy naszą odkuwkę na części (im więcej tym lepiej) i liczymy pola przekrojów w tych miejscach. W naszym przypadku podziałka to 5 mm. Otrzymujemy 30 pomiarów. Każdy o innej wartości. Obok liczymy pole przekroju odkuwki powiększone o przekrój wypływki według wzoru:
S=2*0,7*Sr+S1
Potem należy z pola przekroju wyliczyć średnicę przyrównując je do pola koła i podstawić do wzoru:
πd24=S
Gdy już obliczymy średnicę uśredniamy wymiary by stworzyć półfabrykat do kucia w postaci pręta o zmiennych średnicach lub wałka trójstopniowego. W naszym przypadku należy przyjąć półfabrykat o średnicach ᶲ40 na długości 50 mm,ᶲ25 na długości 50 mm i ᶲ40 na długości 50 mm. Taki półfabrykat można wkładać do matryc i odkuwać. Wystarczy przyjąć odpowiednie parametry obróbki.
Rys.6: Model idealnej przedkuwki.
Aby zacząć symulację procesu kucia należy przyjąć jego pewne parametry. Pierwszym z nich jest czynnik tarcia wynoszący bezwymiarowe 0,4. Drugim jest z kolei czynnik przepływu ciepła, który wynosi 12 kW/m2*K. Ta wartość jest bardzo ważna. Jest zależna od rodzaju materiału oraz warunków obróbki. Odkuwanie nie odbywa się na zimnym detalu. Najpierw trzeba go podgrzać.
Z katalogu dobieramy:
a) Rodzaj materiału: Stal AISI045 (20-1050)
b) Ilość elementów siatki na jaką ma być podzielony model odkuwki (Im więcej tym bardziej dokładne obliczenia, lecz rozciąga się to w czasie).
Rysunek przedstawia rozkład temperatur w odkuwce. Jak widać najwyższa temperatura układa się na wypływce gdzie nie ma ona kontaktu ze ściankami matrycy. W wyniku tego ciepło nie ma gdzie odpłynąć. W tych miejscach wynosi ona między 900 a 1100oC. Najzimniejsze z kolei miejsca na odkuwce to miejsca gdzie uplastyczniony materiał miał najdłuższy kontakt z matrycą. Są to denka i ścianki tulejek. Temperatura wynosi tu od 500 do 650oC.
Rys.7: Rozkład temperatur na odkuwce.
Na odkuwce występują naprężenia jako efekt zgniatania materiału. Na modelu występują ich trzy poziomy: niski, średni, wysoki. Niskie naprężenia występują tam, gdzie stopień przekucia jest tak samo niski, a więc na wypływce w przedziale 0-250 MPa. Tam materiał nie był kuty, a tylko popłynął w wyniku nacisku.
Średnie odnotowujemy na tulejach i żeberku wzmacniającym. Tam metal jest przekuty w średnim stopniu, więc i naprężenia nie są bardzo wysokie i wynoszą od 300 do 470 MPa.
Z kolei na denkach naprężenia są najwyższe z powodu wysokiego stopnia zgniotu materiału. Denka matryc bardzo długo napierały na denka odkuwki i zgniotły je bardzo mocno. Świadczą o tym liczby. Na powierzchni denka naprężenia wynoszą od 480 do aż 700 MPa.
Rys.8: Naprężenia w odkuwce.
Odkuwanie to odkształcanie materiału w matrycy. Nie wszędzie stopień odkształcenia jest jednak taki sam. Na rysunku nr 9 widać dokładnie gdzie materiał odkształcił się w największym stopniu a gdzie w najmniejszym. I tak najmniej odkształciła się powierzchnia tulejek i wzmocnienie w postaci żeberka. Tutaj 0-0,9 mm/mm odzwierciedlają ich stopień. Powierzchnia samej dźwigienki także nie odkształciła się w znaczący sposób (ok. 1 mm/mm), tak samo jak magazynek wypływki. Do największych odkształceń doszło w rowku na wypływkę gdzie osiągnęły one nawet 3,5 mm/mm. Jest to uwarunkowane małą wysokością samego rowka wynoszącego tylko 2 mm.
Rys.9: Odkształcenia w odkuwce.
Z przeprowadzonych obserwacji i symulacji procesu kucia w Deform 3D wynika, że proces kucia jest dość złożony. Na jego przebieg ma wpływ szereg czynników takich jak współczynnik przewodzenia ciepła, rodzaj materiału czy nawet złożoność samych matryc. Jeśli zmienimy materiał na mniej podatny na kucie niż popularna stal C45 o innych parametrach i krzywej płynięcia całkowicie zmieni to przebieg procesu. Jeśli jednak matryce będą miały zbyt złożony kształt materiał może nie wypełnić ich w całości.
Na przebieg kucia ogromny wpływ ma prawidłowość i dokładność obliczeń. Źle dobrany rowek na wypływkę może uniemożliwić poprawne odkucie elementu, gdyż zbyt wolno odprowadzi on materiał w obszar magazynku. Natomiast jeśli źle obliczymy średnice przedkuwki nie wypełni ona po odkształceniu całej matrycy lub przeciwnie, wypełni ją przed kontaktem obu jej połówek.
Z obserwacji symulacji wynika też jak zachowuje się ciepło w odkuwce, jak rozkładają się naprężenia oraz w jakim stopniu materiał ulega odkształceniu. Tam gdzie gorący metal ma najdłuższy kontakt z matrycą szybko się wychładza, bardziej się odkształca i są tam największe naprężenia.
1. Wasiunyk Piotr, Kucie matrycowe, WNT, Warszawa 1987.
2. Pater Zbigniew, Podstawy metalurgii i odlewnictwa, BPL, Lublin 2014.
3. Samołyk Grzegorz, Pater Zbigniew, Podstawy teorii i analizy obróbki plastycznej metali, BPL, Lublin 2011.
szczurozo1902