20. numericko modeliranje procesa kovanja tela zgloba numerical ...

NUMERIKO MODELIRANJE PROCESA KOVANJA TELA ZGLOBA*NUMERICAL MODELING OF THE FORMING JOINTS BODIESMarija Jeremi 1)Rezime: Savremena industrija ima praktinu potrebu da se razvojne i istraživake aktivnostiodvijaju van tekue proizvodnje. Rezultat ovih aktivnosti su numerike simulacije na osnovu kojihse vrše projektne izmene (ukoliko je potrebno) uz minimalne troškove. Jedan od softvera koji sedanas primenjuje u ove svrhe je Simufact.forming. On omoguava pregled velikog broja izlaznihrezultata, na osnovu kojih se može oceniti kvalitet obrade, kao i mogunost predvianja pojedinihproblema koji se mogu pojaviti u toku procesa.Kljune rei: numerika simulacija, Simufact.forming, kovanjeAbstract: Modern industry has a practical need for research and development activities whichtake place outside the current production. The result of these activities are numerical simulationswhich are making project changes (if necessary) at minimum cost. One software for this purpose isSimufact.forming. The software allows large number of outputs, from which can be evaluatedquality of workmanship and the ability of predicting some problems that may occur during theprocess.Key words: Numerical simulation, Simufact.forming, Forming1. UVODU današnje vreme sreemo se sa velikomponudom razliitih industrijskih proizvoda kao štosu alati, mašine, mašinski sistemi. Svi onipredstavljaju materijalizovani proizvod ljudskoguma i služe izvršavanju neke funkcije. Procesnjihove proizvodnje poinje od ideje i izradeprojektne dokumentacije do izrade u pogonima.Savremena industrija ima praktinu potrebu dase razvojne i istraživake aktivnosti odvijaju vantekue proizvodnje, u razvojnim laboratorijama prifabrikama ili u laboratorijama pri univerzitetima iinstitutima. Aktivnosti na istaživanju i razvojuprocesa van proizvodnog okruženja, mogu seklasifikovati kao modeliranje i simulacija. Uodnosu na tradicionalno projektovanje procesa,koje je bazirano na iskustvenom radu inženjera,donosi znaajno smanjenje vremena i troškova urazvoju novih proizvoda.Prednost ovakvog naina projektovanja jemogunost projektnih izmena, kako geometrijeproizvoda, tako i parametara procesa, a sve to uzminimalne troškove. U ovakvim uslovima moguaje optimizacija projektovanja proizvoda i procesa,predvianje otkaza i pojave defekata u proizvodu,optimalno korišenje proizvodne opreme i alata,poveavajui njihov vek trajanja smanjenjemhabanja i prevencijom loma.Smanjenje vremena projektovanja i izradeproizvoda postiže se primenom numerikihsimulacija, u ranoj fazi projektovanja (pre sameizrade alata za proizvodnju i probne proizvodnje)jer se svi eventualni problemi mogu uoiti i izbei.Numerikom metodom mogu se odreditideformacione sile, teenje materijala, naponi,temperatura, naprezanja na alatima, osobine imikrostruktura proizvoda, procena elastinogispravljanja i zaostalih napona, praenjepopunjavanja gravure u alatu, otkrivanje nastankadefekta u materijalu i otkaz alata itd. Ovakvimnainom projektovanja može se uštedeti vreme imogu se izbei nepotrebni troškovi. [1]Jedan od programskih paketa koji omoguavaanalizu i optimizaciju proizvodnih procesa obrademetala deformisanjem je Simufact.forming. Ovajsoftver omoguava virtuelni prikaz sofisticiranefizike složenih proizvodnih procesa na kompjuteru,tako da korisnik može videti i prepoznati realnesituacije iz proizvodnje.Simufact.forming je razvijen za analizu isimulaciju gotovo svih aplikacija oblikovanjamaterijala, nezavisno od temperature procesa,korišene mašine, materijala obradka, vrsteprocesa, tipa procesa, i sl. Takoe, nudiobjedinjena rešenja za simultanu analizu teenjamaterijala i ponašanja alata, naprezanja, habanja iprocene loma.1) Marija Jeremi, Mašinski fakultet Kragujevac, mail: mjeremic88@yahoo.com

U Simufact.forming-u se koriste metodekonanih elemenata i konanih zapremina, amogue je prikazivanje rezultata u bilo komtrenutku procesa.Rad je podeljen po poglavljima na sledeinain:GLAVA 1. – Uvod u numeriku simulacijukovanja,GLAVA 2. – Definisanje procesa kovanja,podela, komponente alata,GLAVA 3. – Ilustrativni prikaz numerikesimulacije prethodnog i završnog kovanja telazgloba, iZAKLJUAK – Prednosti primenenumerike simulacije kovanja i doprinosrada.2. PROCES KOVANJA IKOMPONENTE ALATA ZA KOVANJEKovanje je proces kod koga metal, poddejstvom udara malja kovakog ekia,pritiskivaa prese ili neke druge mašine za kovanjeispunjava profilisani prostor u kovakom alatu.[2]U tehnološkom smislu razlikujemo dva tipakovanja (ilustrativno prikazana slikom 1.): slobodno kovanje, i kovanje u kalupima.Slika 1 – Slobodno kovanje i kovanje u kalupimaToplo kovanje kompleksnih delova uzatvorenom alatu obino obuhvata višeslojnoteenje materijala i male deformacije, odnosnoradnim pritiskom se postiže željeni oblik. [2]Na osnovu dokumentacije, sprovedena jeanaliza popunjavanja gravura alata materijalomradnog komada. Drugim reima, utvreni suparametri procesa koji utiu na njegovunestabilnost i koji mogu dovesti do dimenzionenetanosti otkovka.Modeliranje 3D modela alata izvršeno je uprogramskom paketu Catia V5. U fazipredprocesiranja, gotovi modeli alata uvezeni su uSimufact.Tehnološki proces tela zgloba sastoji se odprethodnog (sabijanja) i završnog kovanja.Numeriko modeliranje procesa kovanja može sepredstaviti šemom na slici 2.Slika 2 – Šema modeliranja procesa kovanja telazglobaNa današnjem tržištu CAM alata, vrhunskiproizvodi iz ove oblasti raspolažu sledeimkarakteristikama:podrškom za etvrtu osu, ili podrškom zapunu petoosnu obradu, optimizacijom visoko-brzinske obrade(konstantno optereenje alata), posebnim ciklusima za realizacijuprilaznih i odmiih kretanja alata,širokim izborom strategija obrade (npr.paralelno, spiralno i radijalno praenjeobradne površine), prepoznavanjem ravnih površi, obradom sa izmeštanjem, automatskim poravnavanjem “skoro”vertikalnih površi, i automatskom detekcijom i uklanjanjemišenjem) zaostalog materijala. [3]Alat za operaciju završnog kovanja sastoji seiz gornjeg i donjeg kalupa, ije su gravureprofilisane tako da otkovak nakon kovanja dobiježeljeni oblik, prikazano na slikama 3 i 4.Slika 3 – Gornji kalupA-61

Slika 4 – Donji kalupDonji i gornji izbaciva omoguavaju vaenjeoktkovka iz kalupa. Trn spreava prodor materijalau donji kalup, a njegovim profilom u otkovkudobija se ušteda materijala i mala naknadna obradarezanjem u cilju dobijanja otvora u telu zgloba.Ploom se spreava prednaprezanje donjeg delaalata.Toplo kovanje se promenjuje kod izradeosnosimetrinih delova, jednostavnih procesa ialata.[4]Kako se proces kovanja izvodi na presi,spoljasnji nagibi gravure iznose = 3-6°, aunutrasnji 1= 6°.Kovaka zaobljenja poboljšavaju usloveteenja metala, popunjavanje udubljenja gravure,smanjuju habanje ivica gravure, i spreavajukoncentraciju napona i pojavu naprslina nakritinim mestima. Veliina spoljašnjih radijusabira se tablino i zavisi od mase otkovka, klasetanosti i dimenzija. Unutrašnji radijusi seproraunavaju kao: r = (2,5-3,5) R + 0,5 mm.Bazne površine u otkovku biraju se tako dasvoju poziciju ne menjaju usled habanja alata. Tepovršine treba da budu sa što manjim nagibima i uzonama malih naprezanja, gde nema habanja alata.Ako otkovak nema pogodnu površinu zaoslanjanje, tada se mogu konstruisati specijalnidodaci za centriranje, koji se naknadno moguukloniti. Ove površine se moraju oznaiti na crtežuotkovka i obino se nakon kovanja kalibrišu, papredstavljaju baze za naknadnu obradu rezanjem.Kod kovanja u zatvorenim alatima nemaviška materijala, ve je zapremina pripremkajednaka zapremini gotovog otkovka. Pod dejstvomudara malja kovakog ekia, pritiskivaa prese(krivajne, frikcione, hidrauline) ili neke drugemašine za kovanje ispunjava se profilisani prostoru kovakom alatu.Na osnovu definisanih podataka izvedena jeFE numerika simulacija procesa sabijanja.Rezultati koji se naješe analiziraju su raspodelaefektivne deformacije i efektivnog napona, kao itemperatura.Softver Simufact.forming omoguava pregledvelikog broja izlaznih rezultata, na osnovu kojih semože oceniti kvalitet obrade, kao i mogunostpredvianja nekih problema koji se mogu pojavitiu toku procesa.Nakon završene simulacije, prikazomrezultata, uoena je nepravilnost prilikompopunjavanja alata materijalom. Greška jeprouzrokovana neravnomernim teenjemmaterijala u kalupu, što je prikazano na slici 5.Mesto na kome ne dolazi do kontakta alata samaterijalom oznaeno je plavom bojom.Slika 5 - Kontakt alata sa materijalomZa mogue rešenje, predloženo je uvoenjekanala u vidu konice u donji deo kalupa, sa ciljemda materijal prilikom teenja stvara zid kako biono bilo ravnomerno. Meutim, ponovnomnumerikom simulacijom, ni ovo rešenje se nijepokazalo kao adekvatno - rezultati su gotovoidentini sa prethodnim rezultatima analize, što jeprikazano slikom 6.Slika 6 – Popunjavanje alata sa konicomDobijanje zadovoljavajuih rezultata,obezbeeno je zaokretanjem radnog komada,prikazano slikom 7.3. REZULTATI NUMERIKESIMULACIJE PRETHODNOG IZAVRŠNOG KOVANJA –ILUSTRATIVNI PRIMERModeliranje sa FEM analizom i procesomsimulacije obrade obezbeuje se velikafleksibilnost u radu.[5]Slika 7 – Zaokrenut radni komadA-62

Raspodela efektivnog napona, prikazanogslikom 8, na gornjoj i donjoj ploi kree se od 0 do143.5, MPa.Slika 8 – Raspodela efektivnog napona 100%forming (kalup gornjeg donjeg alata)Analizom novih rezultata, utvreno je da jeefektivna deformacija simetrina, prikazana je naslici 9. Dijapazon deformacije se kree od 0 do3.27.Slika 10 - Raspodela temperature 100% formingIzvršenom numerikom simulacijom strunoosoblje iz fabrike ima uvid u ceo tok procesa, kao iu problem koji se javljao. Proizvodnja otkovkatela zgloba, trenutno, zavisi iskljuivo od ljudskogfaktora (postavljanje radnog komada). Rešavanjeproblema pozicioniranja radnog komada nadonjem delu alata, mogue je izvršiti korekcijomdonjeg dela alata, uvoenjem gravure koja eobezbediti optimalno pozicioniranje radnogkomada.4. ZAKLJUAKSlika 9 - Raspodela efektivne deformacije 100%formingNa slici 10. prikazana je raspodelatemperature pri odreenim fazama procesa koja sekree u granicama od 0 do 1202ºC. Najvišutemperaturu radni komad trpi na poetku procesa,a za 100°C manju temperaturu ima na krajuprocesa.Nain na koji se u savremenoj industriji dolazido rešavanja problema je znatno lakši i brži odtradicionalnog naina. Potražnja na tržištu je takvada je neophodno svakodnevno usavršavanjetehnike i tehnologije. Savremena proizvodnja morabiti dovoljno prilagoena i sposobna da odgovorina sve zahteve današnje industrije.Veliki doprinos napretku doneo je virtuelniinženjering. On predstavlja naprednu tehnologijukoja omoguava inženjerima donošenjekvalitetnijih odluka i uspostavljanje kontrole uprocesu razvoja proizvoda i njegove izrade.Numerikim simulacijama postiže sesmanjenje vremena potrebnog za razvoj proizvoda,jer se mogu sagledati mogue greške i nedostaci,koji se mogu uz male troškove otkloniti. Sve ovodovodi do optimizacije izrade proizvoda i alata, dopoboljšanja kvaliteta i poveanja konkurentnostina tržištu.Osnovni doprinos rada je u definisanju procsakovanja, komponenati alata i ilustrativnimprikazima primene numerike simulacije procesakovanja tela zgloba.A-63

LITERATURA[1] Osakada K., Wang X., Hanami S.: „Precisionforging process with axially drivencontainer“, Journal of Materials ProcessingTechnology, 1997.[2] NX 6 Help Library, Siemens ProductLifecucle Menagement Software Ins., (2008).[3] Douglas R., Kuhlamnn B.: “Guidelines forprecision hot forging with applications”,Journal of Mat. Proces Technology, 2000.[4] Sheljakov S.: „Warmforming- a technologyfor manufacturing of precision components“,5th International Conference on Technologyof Plasticity, Japan, 1996.[5] Qui M., Zhong-qin L., Zhong-gin L.Y.Q.M.:“Prediction of deformation behavior andmicristructure evolution in heavy by FEM”,Int. J. Adv. Manufact. Technol., 2009.[6] Mandi V.: „Modeliranje i simulacija u obradimetala deformisanjem“, Mašinski fakultet uKragujevcu, Kragujevac, 2005.[7] Musafija B.: „Obrada metala plastinimdeformisanjem“, Svijetlost, Sarajevo,1972.A-64