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.
Marek Hawryluk
Analiza strukturalna matryc stosowanych do kucia na ciepło w aspekcie ich trwałości
Na trwałość narzędzi stosowanych w procesach kucia wpływa wiele czynników mających niekiedy przeciwstawny charakter. Żywotność matryc zależy od poprawnego ich zaprojektowania i wykonania, z uwzględnieniem odpowiedniej obróbki cieplno-chemicznej oraz mechanicznej adekwatnej do wybranego materiału, kolejności przeprowadzania kolejnych zabiegów obróbki cieplnej, a także od warunków, w jakich przebiega sam proces kucia (temperatura narzędzi i wstępniaka, geometria materiału wsadowego, prędkość procesu, rodzaj i ilość środka smarnego zapewniającego optymalne warunki trybologiczne. Innym istotnym parametrem jest rodzaj zastosowanego materiału na narzędzia. Należy wziąć pod uwagę, że producenci stali stosują swoje procedury, a skład chemiczny dla tego samego materiału może się znacznie różnić. To wszystko ma istotny wpływ na końcową jakość produktu. Przykładem wyrobu, dla którego wymagana jest wysoka trwałość narzędzi, jest odkuwka obudowy przegubu homokinetycznego. Obecnie w produkcji wielkoseryjnej takiej odkuwki stosuje się metodę wielooperacyjnego kucia na ciepło i zimno w matrycach zamkniętych ze złożonym schematem odkształcania - wyciskanie współbieżne z przeciwbieżnym. Ze względu na bardzo wysokie naciski jednostkowe, wytężenie materiału matryc jest często tak wysokie, że prowadzi to do ich przedwczesnego zużywania i niszczenia (trwałość poniżej 2000 sztuk).
Structural analysis of hot forging dies with regard to their life
Many (sometimes antagonistic) factors affect the durability of tools used in forging. The life of dies depends on how well they were designed and made, including the thermochemical treatment and mechanical working, the sequence of steps in the thermal treatment and the forging process conditions (the tool and preform temperature, the charge material geometry, the process rate, the kind and amount of lubricant ensuring optimum tribological conditions). Another critical parameter is the kind of tool material. One should note that steel producers use their own procedures whereby the composition of the same steel may differ considerably between them. All this signifi cantly affects the fi nal quality of the product. An example of a product for which highly durable tools are required is a forging of the constant-velocity universal joint casing. Currently in large-lot production the casing is manufactured through cold and hot multioperation forging in closed dies with a complex deformation confi guration (forward and backward extrusion). Because of the very high unit pressures the effort of the die material is often so high that it results in the premature wear out and failure of the dies (life below 2000 units).
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.
Possibilities of investigating abrasive wear in conditions close to those prevailing in industrial forging processes
This paper presents aTriboForge – a prototype test stand for investigating abrasive wear, which unlike conventional tribometers, makes it possible to study wear under high pressures (500 MPa), i.e. in conditions close to those prevailing in industrial forging processes. The idea behind the designed and constructed prototype test stand was to most accurately reproduce the phenomena and processes acting on the surface layer of forging tools during their contact with the material being deformed. Preliminary tests were carried out on a tool material/selected forged material combination. A rotating disc made of tool steel (WCL) and a rectangular counter-sample made of the forged material (QS19-20), pressed against the disc constituted the friction pair. Thanks to a special control-measuring system integrated with the test stand it is possible to measure in real time several major parameters, such as: temperature distribution, the rotational speed of the sample, the pressure exerted by the counter-sample, the amount of wear, the sliding distance and changes in the friction coefficient value. The friction pairs would work for a fixed time of 4 hours at a constant counter-sample pressure of 10 kN (which for an average contact area amounted to about 220 MPa) at an average speed of 5 rpm (1 full rotation took about 12 s). Assuming that the key parameters describing abrasive wear are sliding distance and pressure per unit area, it has been shown that the magnitude of wear (material loss) depending on the cycle length is close to that in the actual industrial forging process. This proves the suitability of the test stand for the comprehensive analysis of the abrasive wear of forging dies.
Możliwości badania zużycia ściernego w warunkach odpowiadających przemysłowym procesom kucia
W pracy autorzy przedstawili prototypowe stanowisko do badania zużycia ściernego – TriboForge, które w odróżnieniu od klasycznych tribometrów pozwala na analizę zużycia w warunkachwysokich nacisków (500 MPa), czyli w warunkach zbliżonych do panujących w przemysłowych procesach kucia. Koncepcją zaprojektowanego i zbudowanego prototypowego stanowiska jest jak najdokładniejsze odwzorowanie zjawisk i procesów oddziałujących na warstwę wierzchnią narzędzi kuźniczych w kontakcie z odkształcanym materiałem odkuwki. Autorzy przeprowadzili wstępne badania dla skojarzenia: materiał narzędziowy i wybrany materiał odkuwki. Parę trącą stanowiły: obracający się krążek wykonany ze stali narzędziowej (WCL) oraz dociskana do niego próbka prostokątna z materiału odkuwki (QS19-20). Dzięki specjalnemu systemowi sterująco-pomiarowemu zintegrowanemu ze stanowiskiem możliwy jestpomiar on-line wielu istotnychparametrów(rozkładu temperatury, prędkości obrotowej próbki, siłydocisku przeciwpróbki, wielkości zużycia, drogi tarcia oraz zmianywartości współczynnika tarcia). Skojarzone próbki pracowały przez ustalony wcześniej czas 4 h przy docisku (stałą siłą około 10 kN, co przy średniej wielkości pola kontaktu wynosiło około 220 MPa), ze średnią prędkością obrotową 5obr/min (1 pełny obrót wynosił około 12 s). Przy założeniu, że najważniejszymi parametrami opisującymi zużycie ścierne są droga tarcia oraz nacisk jednostkowy wykazano, że wielkość zużycia (ubytku materiału) w zależności od długość cyklu jest zbliżonado procesu przemysłowego. Potwierdzato przydatność opracowanego stanowiska badawczego do kompleksowej analizy zużycia ściernego matryc kuźniczych.
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.