Siły w procesie walcowania klinowo-rolkowego.pdf

Obróbka Plastyczna Metali t. XVII nr 2 (2006)

Dr hab. inŜ. Zbigniew PATER, prof. PL

Politechnika Lubelska, Lublin

Siły w procesie walcowania klinowo-rolkowego

Loads in wedge-rolls rolling processes

Streszczenie

W artykule przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych i numerycznych w zakresie określania sił

w procesach walcowania klinowo-rolkowego (WKR). Omówiono wpływ głównych parametrów procesu: kąta

rozwarcia klina b i gniotu na wartość składowej stycznej F x i promieniowej F z siły walcowania. Przedstawiono

równieŜ zmierzone przebiegi sił w procesach WKR odkuwek pełnych i drąŜonych.

Abstract

Results of experimental and numerical investigation of loads in wedge-rolls rolling (WRR) are presented

in this paper. Influence of main WRR process parameters (forming angle a , and relative reduction) on radial

and tangential component of rolling load is discussed. Measured courses of loads during WRR process of full

and hollowed parts are presented, too.

Słowa kluczowe: walcowanie klinowo-rolkowe, siły, metoda elementów skończonych, eksperyment

Key words : wedge-rolls rolling, loads, finite element method, experiment

1. WPROWADZENIE

• zmniejszenie prawdopodobieństwa wystę-

powania pęknięć wewnętrznych w wyrobie

kształtowanym;

• łatwość usuwania zgorzeliny.

Na podstawie wcześniejszych prac autora

[1-4], moŜna stwierdzić, Ŝe WKR moŜna za-

stosować zarówno do wytwarzania przedkuwek

kutych następnie na prasach jak i do kształ-

towania

Walcowanie klinowo-rolkowe (WKR) jest

nową technologią walcowania poprzeczno-

klinowego (WPK). W metodzie tej w odróŜ-

nieniu od pozostałych technologii WPK wyko-

rzystuje się tylko jeden płaski klin oraz dwie

rolki kształtowe. W trakcie walcowania poru-

szający się ruchem posuwistym klin wciska się

w materiał nadając mu poŜądany kształt. Od-

kuwka w trakcie walcowania jest przemiesz-

czana w kierunku pionowym, co jest następ-

stwem wciskania się w metal występów rolek

kształtowych. Rolki te są napędzane

i poruszają się w czasie ruchu roboczego klina.

Schemat procesu WKR na rolkach kształto-

wych, wraz z waŜniejszymi parametrami poka-

zano na rys. 1.

Porównanie procesu WKR do typowych

technologii WPK wykazuje szereg zalet, z któ-

rych jako najwaŜniejsze uznaje się [1]:

•

gotowo

odkuwek

osiowo-

symetrycznych.

Bardzo waŜnym zadaniem podczas projek-

towania procesów walcowania poprzecznego

jest określenie sił działających na narzędzia.

Znajomość sił pozwala bowiem nie tylko na

odpowiedni dobór urządzenia walcującego

wraz z oprzyrządowaniem, ale równieŜ moŜe

być podstawą automatyzacji procesu kształto-

wania (obejmującej równieŜ selekcję odkuwek

na wyroby dobre i wybrakowane). Zagadnie-

niom siłowym dotyczącym typowych procesów

WPK poświęcono szereg prac, np. pozycje

[5-6]. Uzupełnieniem tych opracowań jest ni-

niejszy artykuł dotyczący sił w nowym proce-

sie WPK, w którym wykorzystuje się tylko

jeden klin kształtujący. Siły te obliczono stosu-

jąc nowoczesne metody modelowania nume-

niŜsze koszty wdroŜenia, w efekcie stoso-

wania tylko jednego narzędzia klinowego;

•

moŜliwość walcowania w jednym przejściu

kilku, a nawet więcej odkuwek;

Z. Pater

L w

L s

D r

h K

d d 0

d R

h R

Odkuwka

Klin

Rolka 1

Rolka 2

Rys. 1. Schemat walcowania klinowo-rolkowego (WKR) na rolkach profilowych

Fig. 1. Schema of wedge rolls rolling (WRR) on profiled rolls

1508

710

F x

F z

150

Rys. 2. Stanowisko laboratoryjne do WKR, bez układu hydraulicznego: 1 – płyta górna korpusu, 2 – płyta dolna

korpusu, 3 – łącznik, 4 – prowadnice z wałkami, 5 – suwak górny, 6 – przekładnia rolkowa, 7 – przekładnia

łańcuchowa, 8 - motoreduktor , F x i F z – składowe styczna i promieniowa (rozporowa) siły walcowania

Fig. 2. Laboratory rolling mill without hydraulic system: 1 – top plate of frame, 2 – bottom plate of frame,

3 – connector, 4 – guides with shafts, 5 – top slide, 6 – forming rolls box, 7 – chain transmission,

8 – motoreducer, F x and F z – tangential and radial force

Siły w procesie walcowania k linowo-rolkowego

rycznego oraz badania doświadczalne, wyko-

nane w warunkach laboratoryjnych Politechni-

ki Lubelskiej.

Walcarka LUW-2 składa się z korpusu, napę-

dzanego suwaka górnego, przekładni rolkowej

oraz układu napędowego. Konstrukcja walcarki

umoŜliwia realizacją procesów WKR przy si-

łach maksymalnych dochodzących do 200 kN.

Suwak walcarki napędzany jest hydraulicznie,

zaś przekładnia rolkowa napędzana jest me-

chanicznie przez przekładnie ślimakową i łań-

cuchową. Walcarka LUW-2 wyposaŜona zosta-

ła w specjalny cyfrowy układ pomiarowy po-

zwalający na rejestrację podstawowych pa-

rametrów kinematycznych i dynamicznych.

Cechą charakterystyczną zastosowanego ukła-

du pomiarowego jest, Ŝe pomiary wszystkich

parametrów odbywają się co 1 mm przesunię-

cia suwaka walcarki.

2. STANOWISKO LABORATORYJNE

DO BADANIA WKR

Badania doświadczalne WKR prowadzono

w specjalnie do tego celu zaprojektowanej wal-

carce laboratoryjnej LUW-2. Rysunek walcar-

ki (bez układu hydraulicznego) pokazano na

rys. 2, na którym naniesiono równieŜ wymiary

gabarytowe. Natomiast na rys. 3 pokazano

zdjęcie walcarki LUW-2.

korpus

suwak

prowadnice

siłownik

hydrauliczny

zasilacz

hydrauliczny

przekładnia

rolkowa

falownik z

motoreduktorem

Rys. 3. Stanowisko laboratoryjne LUW-2 do walcowania klinowo-rolkowego

Fig. 3. Laboratory stand LUW-2 for wedge rolls rolling

Z. Pater

Na potrzeby badań zaprojektowano szereg

rolek kształtowych oraz klinów, z których nie-

które pokazano na rys. 4. W trakcie badań wal-

cowano odkuwki ze stali C45, które nagrze-

wano do temperatury 1150 °C (rys. 5). We

wszystkich próbach na odkuwkach kształtowa-

no pojedyncze przewęŜenie o długości l = 25

mm. W badaniach stosowano zarówno próbki

wykonane z materiału pełnego jak i drąŜonego.

Przykłady odkuwek odwalcowanych metodą

WPK pokazano na rys. 6. Na uwagę zasługuje

dobra jakość wykonania odkuwek, które prak-

tycznie wolne są od wad powierzchniowych.

Wykonane badania niszczące wykazały, Ŝe

w przypadku walcowania z wsadów pełnych

nie występuje naruszenie spójności wewnętrz-

nej metalu. Ponadto, podczas walcowania

z wsadów drąŜonych występuje korzystny

schemat płynięcia materiału, w efekcie którego

w obszarze ukształtowanego przewęŜenia od-

kuwka

Rys. 5. Odkuwka ze stali C45 po walcowaniu na gorąco

Fig. 5. Hot rolled sample from C45 steel grade

posiada

względnie

stałą

grubość

ścianki.

Fig. 6. Przykłady odkuwek otrzymanych metodą WKR:

a) widok; b) przekroje wzdłuŜne i poprzeczne

Fig. 6. Examples of parts obtained by WRR method:

a) view, b) longitudinal and cross sections

3. MODELOWANIE

NUMERYCZNE

Rys. 4. Niektóre z klinów stosowanych w badaniach

eksperymentalnych procesów WKR na rolkach

profilowych

Fig. 4. Some of wedges used in experimental research

of WRR processes on profiled rolls

PROCESU WKR

Do analizy procesu WKR rolkami profilo-

wymi wykorzystano komercyjny pakiet opro-

gramowania MSC.SuperForm 2004, bazujący

na przemieszczeniowej reprezentacji MES.

W obliczeniach załoŜono, Ŝe odkuwki walco-

wane są ze stali w gatunku C45, której model

materiałowy przyjęto z biblioteki zastosowane-

go oprogramowania. Uwzględniając zmiany

kierunku działania sił tarcia na powierzchni

styku metal-narzędzie w obliczeniach korzy-

Siły w procesie walcowania k linowo-rolkowego

stano z modelu tarcia stałego, uzaleŜnionego od

prędkości poślizgu metalu względem narzę-

dzia. Równocześnie przyjęto, Ŝe czynnik tarcia

osiąga wartość graniczną m = 1,0, co jest zgod-

ne z rezultatami prac [6, 7].

Mając na uwadze skrócenie czasu obliczeń

w analizie numerycznej przyjęto następujące

uproszczenia:

• narzędzia zachowują się jak ciała sztywne,

• temperatura materiału jest stała podczas

kształtowania i wynosi T = 1100°C,

• zaokrąglenia krawędzi narzędzi nie wywie-

rają istotnego wpływu na przebieg kształ-

towania i moŜna je pominąć.

Uwzględniając powyŜsze załoŜenia na po-

trzeby analizy opracowano szereg modeli pro-

cesów WKR, z których jeden pokazano na rys.

7. W skład kaŜdego z modeli wchodzą: cylin-

dryczny wsad, klin przemieszczający się ru-

chem posuwistym z prędkością 0,12 m/s oraz

dwie rolki, o średnicy maksymalnej wynoszą-

cej 50 mm, obracające się w tym samym kie-

runku z prędkością kątową ω = 4,8 rad/s. Pozo-

stałe parametry procesu WKR zaznaczono na

rys. 1. Podczas obliczeń zmieniono: kąt roz-

warcia klina β (przyjmowano β = 3°, 5°, 7°, 9°,

11°), kąt kształtujący α (α = 20°, 25°, 30°, 35°,

40°) oraz gniot bezwzględny r ( r = 2, 3, 4,

5 mm) . Ogółem przeanalizowano 100 przy-

padków procesów WKR.

Zatwierdzenie opracowanego modelu nume-

rycznego nastąpiło po porównaniu rozkładu

obliczonej siły stycznej F x (odpowiadającej za

wciskanie klina) z rozkładem zmierzonym.

Schematyczne umiejscowienie sił stycznej F x

i promieniowej F z w walcarce LUW-2 pokaza-

no na rys. 2. Wykonane porównanie dotyczyło

sił występujących w procesach WKR, które

zrealizowano w warunkach laboratoryjnych

Politechniki Lubelskiej. W procesach tych

wsad nagrzewano do temperatury T = 1150°C,

klin poruszał się z prędkością v = 0,12 m/s, zaś

rolki obracały się z prędkością obrotową n = 36

obr./min. Dla podwyŜszenia dokładności symu-

lacji zatwierdzających przyjęto termomecha-

niczny model obliczeń, w którym uwzględnio-

no zjawiska cieplne występujące w materiale

podczas kształtowania.

Bazując na obliczeniach MES oraz wyko-

nanych eksperymentach wyznaczono rozkłady

siły stycznej F x (wciskającej klin), w funkcji

przemieszczenia klina, które pokazano na rys.

8. Analiza danych zamieszczonych na tym ry-

sunku pokazuje doskonałą zgodność jako-

ściową i ilościową pomiędzy przebiegami sił

obliczonymi i zmierzonymi. Fakt ten stanowi

potwierdzenie trafności załoŜeń, przyjętych

podczas opracowywania modelu numeryczne-

go procesu WKR oraz jednoznacznie potwier-

dza przydatność MES w modelowaniu złoŜo-

nych

procesów

kształtowania

plastycznego

metali.

D r

4. WYBRANE

REZULTATY

PRAC

BADAWCZYCH

Wykonane analizy numeryczne dały pełną

informację na temat sił występujących w pro-

cesach WKR. Stwierdzono, Ŝe w tym procesie

kształtowania mogą wystąpić dwie typowe

charakterystyki rozkładów sił, które pokazano

na rys. 9. W pierwszej z nich siły osiągają war-

tości maksymalne wówczas, gdy klin wcina się

w metal na wymaganą głębokość r – co ma

miejsce na początku fazy kształtowania proce-

su WKR. Następnie siły stopniowo zmniejszają

się i osiągają wartości minimalne w czasie ka-

librowania.

Klin

Æ 25

Rolka 2

Rolka 1

Rys. 7. Jeden z opracowanych modeli geometrycznych

procesu WKR, wykorzystany w obliczeniach MES

Fig. 7. One of geometrical model of WRR process

applied in FEM analysis

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: