MOST CITED
Update: 2021-07-01
Task „Implementation of procedures ensuring the originality of scientific papers published in the quarterly „Eksploatacja i Niezawodność – Maintenance and Reliability” financed under contract 532/P-DUN/2018 from the funds of the Minister of Science and Higher Education for science dissemination activities.
Zbigniew Gronostajski
Systemy kontrolno-pomiarowe w przemysłowych procesach kucia matrycowego
W pracy przedstawiono zastosowania autorskich, przenośnych systemów pomiarowo-kontrolnych do analizy dwóch przemysłowych procesów: kucia na ciepło obudowy przegubów homokinetycznych na prasie korbowej w matrycach zamkniętych (GKN Driveline Oleśnica) oraz kucia zaczepów do przenoszenia płyt betonowych na prasie mimośrodowej w przyrządzie TR (INOP Poznań). Zbudowane przez autorów systemy pozwalają na pomiar, archiwizację i analizę przebiegów sił kucia w funkcji czasu/przemieszczenia skorelowane z pomiarem temperatury narzędzi, pomiary prędkości procesu oraz ilości wykutych odkuwek. Ostatnio wzbogacono je o rejestrację sygnału akustycznego AE w celu określenia zachodzących zamian podczas procesu a szczególnie postępującego zużycia narzędzi. Uzyskane informacje mają posłużyć również do poprawy warunków eksploatacji pras oraz do optymalizacji całego procesu kucia wykorzystując narzędzia CAD/CAM/CAE oparte o MES. Prezentowane systemy zbudowane są z komputera przemysłowego (kontrolera czasu rzeczywistego, wielokanałowej szybkiej karty pomiarowej, kości pamięci operacyjnej, dysków twardych o dużej pojemności, zestawu wzmacniaczy i przetworników) oraz odpowiednich czujników pomiarowych (siły, przemieszczenia, pirometrów, termopar, enkoderów liniowych i kątowych, akcelerometrów, czujników AE). Do każdego z systemów opracowano po 2 aplikacje (na bazie programu LabView). Pierwsza aplikacja jest zainstalowana w komputerze przemysłowym i służy do sterowania systemem oraz zapisem i przetwarzaniem sygnałów napięciowych uzyskiwanych z poszczególnych czujników. Druga przeznaczona jest do analizy zarejestrowanych sygnałów.
Measuring & control systems in industrial die forging processes
The paper presents portable measuring & control systems, designed and built by the authors, and their application to the analysis of two industrial processes: the precision hot forging of CV universal joint casings in closed dies in the crank press (GKN Driveline Oleśnica) and the forging of concrete slab carrying handles in a TR device in the eccentric press (INOP Poznań). The systems enable the measurement, archiving and analysis of forging force-time/displacement traces correlated with tool temperature, as well as the measurement of production speed and the quantity of produced forgings. Recently an acoustic emission (AE) signal registration capacity has been incorporated into the system to investigate the changes occurring during the forging process, especially progressive tool wear. The information obtained in this way is to be used to improve the operating conditions of the forging presses and to optimize the whole forging process by means of CAD/CAM/CAE software based on FEM. The measuring & control systems consist of an industrial computer (comprising a real-time controller, a multi-speed measurement card, RAM memory, large capacity hard disks and a set of amplifiers and transducers) and sensors ( force, displacement, pyrometers, thermocouples, linear and angular encoders, accelerometers and AE). Two applications (based on LabView) have been developed for each of the systems. One of the applications is installed on the industrial computer and is used to control the system as well as to record and process the voltage signals received from the individual sensors. The other application enables the analysis of the processed signals.
Modelowanie numeryczne zmęczenia cieplnego stali WCLV stosowanej na matryce w procesie kucia na gorąco
W pracy przedstawiono analizę symulacji numerycznej niskocyklowego zmęczenia cieplnego stali WCLV stosowanej podczas kucia na gorąco. W ramach badań doświadczalnych zostało zbudowane specjalne stanowisko bazujące na metodzie "wirującego krążka" [13], przeprowadzone zostały próby, które potwierdziły możliwość stosowania tej metody do odwzorowania warunków zmęczenia cieplnego panujących w przemysłowym procesie kucia. Dla danych warunków eksperymentu określono moment pojawienia się pęknięć zmęczeniowych. Następnie zbudowano model numeryczny, po czym porównano uzyskane wyniki z MES i prób laboratoryjnych w celu określenia amplitudy odkształceń plastycznych, przy których pojawia się pęknięcie. Dalsze prace pozwolą w przyszłości na weryfikację niskocyklowego modelu zmęczenia Coffina-Mansona dla innych warunków oraz pozwolą stworzyć krzywą niskocyklowego zmęczenia stali WClV.
Numerical modelling of the thermal fatigue of steel WCLV used for hot forging dies
The paper presents an analysis of a numerical simulation of the low-cycle thermal fatigue of steel WCLV (X40CrMoV511) used in hot forging. As part of experimental studies a special test rig based on the rotating disc method was built and tests were carried out. Their results showed that the method can be used to reproduce the thermal fatigue conditions prevailing in the industrial forging process. For the given experimental conditions the instant when fatigue cracks appear was determined. A numerical model was built and the obtained finite element analysis results were compared with the laboratory test results in order to determine the amplitude of plastic strains at which a crack appears. As part of further research in the future the Coffin-Manson low-cycle fatigue model will be verified for other conditions and a low-cycle fatigue curve for steel WCLV will be determined.
Zastosowanie ramienia pomiarowego ze zintegrowanym skanerem laserowym do analizy zmian kształtu oprzyrządowania kuźniczego w trakcie produkcji
W artykule autorzy przedstawili innowacyjne podejście polegające na analizie zużywania się (zmian kształtu) jednego z narzędzi kuźniczych bezpośrednio w trakcie produkcji przy wykorzystaniu skanera laserowego, bez konieczności ich demontażu z agregatu kuźniczego. Badania polegały na bezpośrednich pomiarach zmian kształtu cyklicznie pobieranych odkuwek podczas procesu kucia (co 1000szt), a następnie na podstawie postępującego zużywania dokonywana była w sposób pośrednia analiza zmian kształtu wykroju wybranego narzędzia - wypełniacza. Natomiast w momencie krótkich przerw technologicznych w procesie przeprowadzano bezpośrednie pomiary samego (analizowanego) narzędzia w celu weryfikacji wyników pomiaru odkuwek w stosunku do rzeczywistych zmian narzędzia. Przeprowadzone analizy wykazały dużą zgodność cech geometrycznych powierzchni (wybieranych odkuwek odzwierciedlających zużywanie się narzędzia), a ubytkiem geometrycznym wykroju roboczego narzędzia na podstawie bezpośrednich pomiarów podczas produkcji. Uzyskane rezultaty pozwoliły na dokonanie szybkiej analizy trwałości narzędzia kuźniczego pod względem jakościowym i ilościowym (ubytku materiału), co w konsekwencji prowadzi do znacznych oszczędności. Zaproponowana przez autorów metoda pozwala na podejmowanie decyzji o czasie eksploatowania narzędzi na podstawie ich rzeczywistego zużycia, a nie, jak to ma miejsce obecnie w kuźniach, po określonej maksymalnej ilości wykonanych odkuwek lub zaobserwowanego w tym okresie przedwczesnego uszkodzenia narzędzia.
Application of a measuring arm with an integrated laser scanner in the analysis of the shape changes of forging instrumentation during production
In the article, the authors present an innovative approach consisting in an analysis of the wear (shape changes) of one of the forging tools directly during production, with the use of a laser scanner, without the necessity of their disassembly from the forging unit. The tests consisted in direct measurements of the shape changes of cyclically sampled forgings during the forging process (every 1000 item), and next, based on the proceeding wear, an indirect analysis was performed of the shape change of the impression of the selected tool, i.e. a filler. At the time of the short technological intervals in the process, direct measurements were performed of the tool itself, with the purpose of verifying the results of the forgings’ measurement in relation to the actual changes in the tool. The performed analyses showed a good agreement of the geometrical properties of the surfaces (of the selected forgings representing the proceeding wear of the tool) and the geometrical defect of the working impression of the tool, based on the direct measurements during the production process. The obtained results allow for a fast analysis of the forging tool life with respect to the quality and the quantity (of material defect), which, in consequence, leads to significant economical savings. The proposed method makes it possible to make decisions on the time period of the tool operation based on the tools’ actual wear, instead of – as has been the case in forging plants up till now – after the given maximal number of forgings has been made or a premature tool damage has been observed.
Systemy nadzoru i analizy przemysłowych procesów kucia
W pracy przedstawiono koncepcję wielofunkcyjnego, zrobotyzowanego stanowiska kuźniczego wraz z systemem nadzoru procesu i zarządzania produkcją, z możliwością jego aplikacji przede wszystkim dla kuźni (z nie najnowszym parkiem maszynowym) wyposażonych w starsze urządzenia i agregaty kuźnicze. Koncepcja takiego stanowiska, wykorzystująca częściowo wdrożone już autorskie rozwiązania konstrukcyjno-technologiczne, jest wynikiem szerokiej analizy aktualnych potrzeb zakładów kuźniczych oraz poparta została zdobytą wiedzą i doświadczeniem autorów zajmujących się budową systemów pomiarowych i innych urządzeń dla przemysłu kuźniczego. Budowane przez autorów systemy pozwalają na pomiar i archiwizację oraz pełny monitoring najważniejszych parametrów technologicznych procesu, m.in.: przebiegów sił kucia w funkcji czasu/przemieszczenia, skorelowanych z pomiarem temperatury wstępniaków i matryc oraz ilości wyprodukowanych odkuwek. Opracowane systemy, dzięki ich włączeniu w nadrzędny system zarządzania produkcją (pełniący funkcję nadzoru nad całym procesem), pozwalają również na analizę zachodzących zmian podczas procesu, w tym postępującego zużycia narzędzi kuźniczych oraz analizę rejestrowanych parametrów w długim okresie czasu, zarządzania parkiem maszynowym i zasobami sprzętowymi (pracą maszyn, ich awariami, naprawami, itp.), zasobami ludzkimi oraz dostosowaniem organizacji produkcji do rosnących wymagań rynkowych. Przedstawiona przez autorów koncepcja kompleksowego podejścia do zagadnienia robotyzacji linii kuźniczej jest odpowiedzią na nieustanny rozwój technologii kucia, spowodowany konkurencyjnością rynku, wymuszający na kuźniach zautomatyzowanie swojej produkcji, w celu wytwarzania odkuwek o lepszej jakości przy jednoczesnym obniżeniu jej kosztów.
Systems of supervision and analysis of industrial forging processes
The work presents the concept of a multifunctional automatized forging station with a supervisory system of the process and the production management, with the option of application mainly at forging shops (with somewhat outdated machines) equipped with older-generation devices and forging units. The concept of such a station, which applies the, already partially, implemented construction and technological solutions, is a result of an extensive analysis of the current needs of forging plants and it has been supported by the acquired knowledge and experience of the authors, who specialize in the construction of measurement systems and other devices for the forging industry. The systems built by the authors makes it possible to measure and archive as well as fully monitor the most important technological parameters of the process, such as: the course of the forging forces in the function of time/shift, correlated with a measurement of the temperature of the preforms and dies as well as the number of the produced forgings. The elaborated systems, owing to their inclusion in the general production management system (which plays a supervisory role over the whole process), also allow for an analysis of the occurring changes during the process, including the proceeding wear of the forging tools as well as an analysis of the parameters determined throughout a long period of time, management of the machines and equipment (the work of the machines, their breakdowns, repairs etc.), and the human resources, as well as adaptation of the production organization to the increasing market demands. The presented concept of a complex approach to the issue of automatization of the forging line is a reply to the constantly developing forging technology, caused by market competitiveness, which requires automatization of the production, with the purpose to produce forgings of a higher quality, and, at the same time, reduce the costs.
Analiza wpływu warunków smarowania na zużycie narzędzi w procesach kucia matrycowego na gorąco
Praca dotyczy problematyki smarowania w procesach kucia matrycowego na gorąco z uwzględnieniem trwałości narzędzi i oprzyrządowania kuźniczego. Przedstawiono badania literaturowe oraz własne autorów dotyczące wpływu zastosowania środków smarno-chłodzących, ilości dawki i kierunku jej podawania oraz innych czynników wpływających na warunki tribologiczne. Przeanalizowano także obecnie stosowane w przemyśle urządzenie i systemy smarowania. Na tej podstawie autorzy w oparciu o wiedzę i doświadczenie opracowali i zbudowali urządzenie smarujące. Opracowany system, zaimplementowany do przemysłowego procesu pozwala na dobór i zapewnienie optymalnych warunków tribologicznych w procesie poprzez sterowanie ilością i częstotliwością podawanej dawki środka smarnego. Może być ono alternatywą dla manualnej metody nanoszenia środka smarnego, zależnej od czynnika ludzkiego lub w pełni zautomatyzowanych, lecz drogich systemów smarowania. Uzyskane wyniki badań wskazują na potencjalne możliwości wprowadzenia na stałe do pracy zbudowanego urządzenia także do innych procesów kucia poprzez integrację z manipulatorem. Zaproponowane rozwiązanie zapewnia większą stabilność i powtarzalność warunków smarowania oraz pozytywnie wpływa na zwiększenie wydajności procesu wytwarzania, a tym samym znacząco obniża jednostkowe koszty produkcji odkuwek.
Analysis of the influence of lubrication conditions on tool wear used in hot die forging processes
The study discusses the subject of lubrication in the processes of hot die forging with the consideration of the durability of forging tools and instrumentation. It presents a literature research as well as the authors’ own investigations of the effect of the use of cooling and lubrication agents, the amount of the dosage as well as the direction of its application, and also the factors influencing the tribological conditions. The lubrication devices and systems currently applied in the industry have been analyzed as well. On this basis, making use of their knowledge and experience, the authors have developed and constructed a lubricating device. The elaborated system, implemented into the industrial process, makes it possible to select and ensure the optimal tribological conditions of the process by way of controlling the amount and frequency of the applied lubricant dosage. It can constitute an alternative for the manual method of lubricant application, which is dependent on the human factor, or the fully automated, yet expensive, lubrication systems. The obtained test results point to potential possibilities of a permanent introduction of the constructed device also into other forging processes, through its integration with a manipulator. The proposed solution ensures more stability and higher repeatability of the lubrication conditions as well as increases the efficiency of the production process, thus significantly reducing the unit costs of the production of forgings.