Mam przyjemność przedstawić wybrane wyniki badań dotyczących opracowania i uruchomienia nowego procesu kształtowania wkrętów szynowych. Wkręty te stosowane są do łączenia stalowych elementów nawierzchni kolejowej z podkładami drewnianymi lub betonowymi, co schematycznie przedstawiono na rys.2. W warunkach krajowych wykonuje się je głównie ze stali St4S i St5.Proces wytwarzania wkrętów szynowych obejmuje: kształtowanie łba wkręta w operacji kucia z wypływką pręta okrągłego przy zastosowaniu dwóch ruchów suwaka prasy (kucie wstępne i końcowe), okrawanie wypływki oraz kształtowanie gwintu na walcarkach trójwalcowych. Przytoczona technologia cechuje się dużą wydajnością. Posiada jednak pewne ograniczenia. Przede wszystkim powierzchniowy charakter płynięcia materiału przy walcowaniu powoduje formowanie leja na końcu części gwintowej wkręta, co widać na kolejnym rys. 5. Jest to efekt niekorzystny, gdyż niektórzy odbiorcy wymagają zakończenia o kształcie stożkowym. W takich przypadkach stosowana jest dodatkowa operacja wykonania takiego zakończenia metodą obróbki skrawaniem. Poza tym kształtowanie łba odbywa się metodą kucia z wypływką, co powoduje straty materiałowe. Masowa produkcja tych wyrobów sprawia, że nawet niewielkie oszczędności na pojedynczym wyrobie przynoszą ogromne efekty globalne.
W związku z tym podjęto działania zmierzające do opracowania nowej bardziej efektywnej technologii kształtowania. Nowa technologia winna zapewnić stożkowe zakończenie części gwintowej wkręta oraz lepszy uzysk materiałowy poprzez zastosowanie bezodpadowych metod kształtowania. Jednocześnie powinna cechować się wysoką wydajnością produkcji.
Założono więc, że nowa technologia składać się będzie z bezwypływkowego kucia na gorąco łbów w układzie podwójnym, z materiału wsadowego w postaci pręta o przekroju kołowym oraz walcowania poprzeczno-klinowego gwintu z jednoczesnym rozdzieleniem dwóch wyrobów w końcowej fazie.
Proces projektowania nowej technologii można podzielić na kilka głównych etapów:
- wielowariantowe symulacje numeryczne i badania modelowe na ołowiu przyjętych koncepcji kucia łbów i walcowania gwintu, (założono na tym etapie badań określony zostanie sposób realizacji analizowanych procesów, zweryfikowana zostanie prawidłowość konstrukcji narzędzi i określone zostaną parametry procesów, w szczególności siłowe w aspekcie projektowania maszyn do prowadzenia nowej technologii)
- konstrukcja i wykonanie maszyn oraz narzędzi do realizacji procesu bezwypływkowego kucia łbów i walcowania gwintu metodą poprzeczno-klinową,
- próby przemysłowe i wdrożenie technologii.
Symulacje numeryczne prowadzono przy zastosowaniu oprogramowania MSC.SuperForm 2002 opartego na MES oraz programu MSC.SuperForge 2000 opartego na MOS. Warto dodać, że MOS stosunkowo niedawno zaczęto wykorzystywać w programach komercyjnych przeznaczonych do analizy procesów kształtowania.
W procesie symulacji przyjętej koncepcji walcowania poprzeczno-klinowego gwintu analizę ograniczono do zamodelowania kilku zwoi gwintu. Wykonane symulacje pozwoliły na analizę kinematyki płynięcia materiału, składowych siły walcowania oraz rozkładu parametrów kształtowania w odkuwce.
Na rys. 8 podano model geometryczny procesu kształtowania gwintu przy obliczeniach MOS, natomiast na kolejnym rys. progresję kształtu walcowanej odkuwki. W wyniku oddziaływania klinów odkuwka ulega obrotowi z jednoczesnym redukowaniem jej średnicy (na wymaganej szerokości). W trakcie procesu walcowania przekrój poprzeczny odkuwki ulega silnej owalizacji, która powinna być usunięta w wyniku oddziaływania powierzchni kalibrujących narzędzi. Jednakże w odróżnieniu od rzeczywistych procesów walcowania poprzecznego owalizacja ta nie została usunięta. Fakt ten należy uznać za poważne ograniczenie użytego programu w modelowaniu analizowanego procesu. W wyniku nadmiernej owalizacji przekroju poprzecznego, gwint uformowany przez rowek jednego z narzędzi doznaje przesunięcia (rys. 10) i nie trafia dokładnie w odpowiedni rowek drugiego narzędzia. Gwint jest zawalcowywany i rowki narzędzi nie są całkowicie wypełnione materiałem.
Na podstawie uzyskanych wyników stwierdzono, że nie można z dostateczną pewnością wnioskować, czy opracowana metoda walcowania gwintu umożliwi kształtowanie wkrętów spełniających stawiane wymagania jakościowe.
W związku z tym wykonano również obliczenia MES, w których (jak wynikało z poprzednich doświadczeń) prognozowana owalizacja odkuwki jest zbliżona do rzeczywistej.
Zastosowany w obliczeniach model geometryczny procesu walcowania podano na rys. 11, na którym wyszczególniono również ważniejsze parametry geometryczne. W trakcie obliczeń korzystano z opcji aktualizacji siatki elementów, czyli z tzw. remeshingu. Na rys. 12 przedstawiono obliczone zmiany kształtu walcowanego wyrobu. Analizę kształtowania ograniczono do kształtowania dwóch pełnych zwojów gwintu. Pomimo takiego ograniczenia informacje uzyskane z obliczeń pozwoliły stwierdzić, że owalizacja przekroju poprzecznego jest usuwana w wyniku oddziaływania powierzchni kalibrujących narzędzia. Natomiast pojawił się inny problem. Mianowicie z danych zamieszczonych na rys. 12 można zaobserwować zaokrąglone krawędzie gwintu. Jest to efektem częstych remeshingów, w trakcie których występuje tendencja do łagodzenia ostrych krawędzi. Uwzględniając powyższe stwierdzono, że uzyskanie jednoznacznej odpowiedzi na pytanie, czy nowa metoda walcowania pozwala uzyskać gwint, o założonych parametrach, nie było możliwe w również oparciu o wyniki obliczeń MES i wymaga wykonania badań eksperymentalnych.
Przeprowadzono więc badania na ołowiu, w wyniku których uzyskano wyrób z gwintem o satysfakcjonujących parametrach geometrycznych (rys. 13). Badania doświadczalne potwierdziły zatem możliwość kształtowania gwintu typowego dla wkrętów szynowych metodą WPK, co pozwoliło rozpocząć etap projektowania procesu w warunkach przemysłowych.
Przy symulacji numerycznej procesu kształtowania łbów w układzie podwójnym, ze względu na symetrię zagadnienie uproszczono do analizy kucia jednego łba.
Badaniom poddano kilka wariantów procesu kucia. Zasadniczym wariantem było kucie w typowych matrycach zamkniętych, których konstrukcję przedstawiono na rys. Na kolejnych slajdach przedstawiono porównanie kolejnych faz wypełnienia wykroju uzyskanych w wyniku obliczeń MES, MOS i badań modelowych na ołowiu. Stwierdzono, że zachodzi dobra zgodność geometrii kształtowanego materiału uzyskanej w wyniku badań doświadczalnych i obliczeń MES. W fazie zaawansowania procesu wynoszącej 94% i 98% w obu przypadkach widoczne są wyraźne niewypełnienia noroży i górnych krawędzi łba. Natomiast w wyniku symulacji MOS już dla 94 % zaawansowania procesu widoczne jest prawie całkowite wypełnienie tych części wykroju, co wyraźnie różni się od stanu rzeczywistego.
Z analizy wynika również, że materiał zaczyna płynąć w szczelinę zamka dopiero w końcowej fazie, tj. przy 98 % zaawansowania procesu. Oznacza to, że teoretycznie wystarczyłoby stosowanie zamka o wysokości ok. 2 mm powiększonej o promienie zaokrągleń. Jednak w procesie rzeczywistym należy uwzględnić również przypadki kucia wsadu o większej objętości od nominalnej oraz możliwość niesymetrycznego płnięcia materiału np. na skutek skośnej powierzchni czołowej wsadu w postaci pręta.
Należy również dodać, że uzyskano większą zgodność wyników obliczeń MOS i badań doświadczalnych jeżeli chodzi o siłę kształtowania.
Analiza teoretyczna i weryfikacja doświadczalna kinematyki płynięcia potwierdziły możliwość kucia łba wkręta metodą bezwypływkową. Wadą tego procesu jest jednak konieczność stosowania dokładnej objętości materiału wsadowego. W warunkach przemysłowych niejednokrotnie stwarza to duże problemy, które wynikają np. z wahań średnic prętów, z trudności zapewnienia dokładnej długości cięcia wsadu (obecnie materiał cięty jest za pomocą nożyc). Dodatkowo pojawia się technologiczny problem żywotności narzędzi; w szczególności chodzi o małą grubość ścianki w zamku i możliwość szybkiego zużycia cieplnego. W związku z powyższym poddano analizie jeszcze inny wariant kucia łba bez wypływki w tzw. matrycy „półswobodnej” (rys. 20), w której powyższe utrudnienia procesu nie występują. Kształt i wymiary wykroju, w którym kształtowany jest łeb wkręta są analogiczne do wymiarów odkuwki w stanie gorącym. Różnica występuje w części kołnierzowej łba, gdzie sferyczna część kołnierza przechodzi promieniem w lustro matrycy (rys. 20, szczegół B), a nie jak w dotychczas stosowanej technologii powierzchnią walcową.
Założono, że materiał po wypełnieniu górnej części wykroju (górne naroża łba) będzie półswobodnie spęczany w części kołnierzowej. Stąd nazwa matrycy „półswobodnej”. Oczywiście konsekwencją takiej kinematyki płynięcia będzie niedokładny kształt zewnętrznej części kołnierza. Kołnierz może być jednak kalibrowany równocześnie z procesem walcowania gwintu. Na rys. 21 przedstawiono przebieg takiego procesu obliczony metodą objętości skończonych. Jak widać górne naroża i krawędzie w odkuwce nie są dokładnie wypełnione. Odkuwka nie spełnia zatem wymagań jakościowych. Założono więc, że jeżeli materiał wsadowy będzie wstępnie spłaszczony, to wykrój będzie wypełniany przez spęczanie i istnieje szansa uzyskania prawidłowej odkuwki. Wstępne ukształtowanie materiału wsadowego można by realizować jednocześnie z cieciem na nożycach w odpowiednim przyrządzie. Symulacja takiego przebiegu procesu wykazała, że górne naroża i krawędzie łba wypełnione są już w fazie zaawansowania procesu wynoszącej ok. 92% (rys. 23). W końcowym etapie procesu zachodzi półswobodne spęczanie części kołnierzowej.
Obiecujące wyniki symulacji tego procesu skłoniły do wykonania weryfikacji doświadczalnej dla ołowiu. Przeprowadzona weryfikacja doświadczalna wykazała jednak znaczące różnice w stosunku do wyników teoretycznych. W próbach stanowiskowych uzyskano wyroby wadliwe posiadające niewypełnienia naroży w górnej części łba (rys. 24b). Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że dalsze prace nad wdrożeniem tego wariantu procesu do produkcji nie będą prowadzone.
Kolejnym wariantem poddanym analizie jest kucie odkuwki łba z walcowanej przedkuwki tak jak to pokazano na slajdzie. Aby nie wprowadzać dodatkowych operacji założono, że przedkuwka zostanie wykonana w procesie walcowania jednocześnie z kształtowaniem gwintu. Takie założenie narzuciło zastosowanie osiowosymetrycznego kształtu łba przedkuwki. Symulacja miała na celu sprawdzenie, czy istnieje możliwość kucia łba wkręta z przedkuwki w taki sposób, aby nie zniekształcić odwalcowanego wcześniej gwintu.
Na rys. 26 przedstawiono przebieg analizowanego procesu dla przedkuwki ze stali St4S nagrzanej do temperatury 1100 ºC. Jak widać, występują duże niewypełnienia górnych krawędzi i naroży łba. Stwierdzono również, że część gwintowana odkuwki uległa odkształceniu. Skok pomiędzy pierwszymi zwojami od strony łba po odkształceniu wynosi 11,64 mm. Wymagania techniczne narzucają wymiar skoku gwintu równy 12,5±0,5 mm. Odkuwka nie spełnia więc wymogów wymiarowych, w związku z czym koncepcja kucia z walcowanej przedkuwki z ukształtowanym gwintem została uznana jako nieefektywna i nie została dalej rozważana.
Na podstawie przedstawionej analizy stwierdzono, że badaniom przemysłowym zostanie poddana metoda kucia bezwypływkowego w matrycach zamkniętych.
Po wykonaniu badań teoretyczno-eksperymentalnych przystąpiono do projektowania maszyn służących do realizacji procesu bezwypływkowego kucia łbów w układzie podwójnym i walcowania poprzecznego gwintu. Skonstruowano walcarkę poprzeczno-klinową, której rysunek złożeniowy przedstawiono na rys. 29.
Do realizacji procesu zakuwania łbów w układzie podwójnym zaprojektowano trójsuwakową prasę kuźniczą. W oparciu o obliczone w symulacji parametry siłowe procesu kucia dla stali przyjęto, że prasa winna zapewnić nacisk każdego suwaka równy 1MN. Wstępną fazę projektu stanowiło wykonanie modelu wirtualnego (3D) części mechanicznej agregatu (widoczna na rys.32). Kształtowanie na tej maszynie polega na ułożeniu wsadu na dolnej matrycy, zaciśnięciu go przez górne narzędzie i kształtowanie jednoczesne łbów narzędziami bocznymi. Sekwencję ruchu narzędzi dobrze widać na kolejnym slajdzie przedstawiającym wyniki wykonanej analizy kinematycznej urządzenia.
Analizę tą jak również analizę dynamiczną i wytrzymałościową metodą elementów skończonych wykonano w środowisku programu MSC.Visual Nastran Desktop 4D. Analiza kinematyczna potwierdziła prawidłowość konstrukcji urządzenia; nie występowały konflikty części podczas jego pracy.
W analizie dynamicznej obliczono obciążenia poszczególnych elementów składowych prasy, na podstawie zadanych parametrów siłowych oraz prędkościowych narzędzi. Obciążenia te stanowiły dane wejściowe do analizy wytrzymałościowej metodą elementów skończonych.
Przykładowo, na kolejnym slajdzie przedstawiono rozkłady naprężeń zredukowanych (według hipotezy Hubera-Mises’a) oraz rozkłady współczynnika bezpieczeństwa odniesione do granicy plastyczności Re w korpusie agregatu w chwili największego obciążenia.
W przypadku korpusu, analiza rozkładu naprężeń wykazała, że pod względem wytrzymałościowym, w nieznacznym stopniu wykorzystane są boczne płyty dolnej części korpusu umieszczone pod płytami mocującymi siłowniki, jak również dwa wewnętrzne żebra. Występuje natomiast znaczne obciążenie żebra środkowego dolnej części korpusu, które przenosi dużą część obciążenia pionowego. W oparciu o uzyskane wyniki dokonano korekty konstrukcji żeber w dolnej części korpusu, polegającej na zmniejszeniu gabarytów żeber mało obciążonych i wprowadzeniu dodatkowych żeber poprzecznych odciążających żebro środkowe. W górnej części korpusu także zmniejszono gabaryty żeber, jednak w dużo mniejszym stopniu niż w części dolnej.
Na podstawie opracowanego projektu zbudowano trójsuwakową prasę kuźniczą, którą widzimy na kolejnym slajdzie 35. Można było przystąpić więc do badań przemysłowych nowego procesu kształtowania wkrętów szynowych, który obejmował następujące operacje:
q cięcie na nożycach na odpowiedni wymiar materiału wsadowego w postaci pręta o przekroju okrągłym,
q indukcyjne nagrzewanie obu końców wsadu do temperatury 1100ºC,
q zakuwanie obustronne łbów metodą bezwypływkową (odkuwki przedstawiono na rys. 36),
q indukcyjne nagrzewanie środkowej części odkuwki do temperatury 1100ºC,
q walcowanie poprzeczno-klinowe gwintu z rozdzieleniem odkuwki na dwa wyroby (proces przedstawiono na rys. 37),
q kontrola techniczna wyrobów.
Na kolejnym rys. 38 przedstawiono gotowe wyroby wyprodukowane wg nowej technologii.
Uzyskane główne efekty ekonomiczne są następujące:
q Poprawione zostały własności użytkowe, dzięki stożkowemu zakończeniu części gwintowej wkrętów.
q Uzyskano dużą wydajność procesu wynoszącą 500 szt./godz., przy możliwości zwiększenia jej do 720 szt./godz.. Wydajność starej technologii wynosi 250 szt./godz.
q Wydajność operacji cięcia w porównaniu z technologią starą jest dwukrotnie wyższa, gdyż z jednego wsadu wykonywane są dwa wyroby.
q W operacji kucia przy jednym cyklu pracy agregatu kuźniczego kształtowane są dwa łby metodą bezwypływkową, podczas gdy w starym procesie technologicznym do kształtowania jednego łba konieczne są trzy operacje: spęczanie, kucie łba z wypływką oraz obcięcie wypływki.
q Zbędna jest operacja okrawania wypływki. Brak wypływki poprawia również wskaźnik zużycia materiału oraz własności wyrobu.