L.évfolyam 2012/3. szám - Dunaferr

Frei Zoltán, Gonda Viktor *
A könyöksajtolás végeselemes modellezése
A könyöksajtolás (ECAP) olyan intenzív képlékenyalakító
művelet, mely során egymással szöget bezáró, állandó
keresztmetszetű csatornákon sajtoljuk át a munkadarabot.
Az egyenértékű alakváltozás értéke 100% körüli
egyszeri átsajtolás esetén. Az intenzív képlékeny alakítás
során nagymértékű nyírási alakváltozás jön létre a munkadarabban,
ennek hatására szemcsefinomodás és szilárdságnövekedés
következik be. Az analitikus modellezéshez
képest a végeselemes módszerrel pontosabban
modellezhető, az alakváltozás mértéke, sebessége, valamint
ezen paraméterek eloszlása is számítható, továbbá
a súrlódás is modellezhető. Jelen dolgozatban egy
lekerekített 90°-os, és egy lekerekítetlen 110°-os szerszámmal
végzett könyöksajtolás végeselemes modellezést
mutatom be. Ismertetem a modell felépítésének
menetét, kiértékelem a számított alakváltozás mértékét
valamint az alakváltozási sebesség eloszlását súrlódásos,
ill. súrlódásmentes csatorna esetére.
In Equal Channel Angular Pressing (ECAP) a workpiece
is extruded through two intersecting channels which
have identical cross sections. After one single extrusion
the equivalent strain is about 100%. During these
plastic deformations large and shear strains develop
in the workpiece, which results in grain refinement
and the strengthening of the material. Compared to
the analytical modeling the extent and the speed of the
strain can be modellised more accurately by means of
the finite element method. Moreover the distribution
of these of those parameters can also be calculated
and the friction can be modellized as well. In this work
finite element modelling performed with a curved 90o
and a sharp 110o ECAP tool is presented. I will review
the structure of the modell, evaluate the extent of the
strain and the distribution of the strain speed for both
including and neglecting the effect of friction.
1. Bevezetés
A könyöksajtolás olyan intenzív képlékenyalakító művelet,
mely során egymással szöget bezáró, állandó keresztmetszetű
csatornákon sajtoljuk át a munkadarabot. Az egyenértékű
alakváltozás értéke 100% körüli egyszeri átsajtolás
esetén. Az intenzív képlékenyalakítás során nagymértékű
nyírási alakváltozás jön létre a munkadarabban, ennek
hatására szemcsefinomodás és szilárdságnövekedés következik
be [1]. A könyöksajtolás során létrejövő alakváltozás
becslésére Iwahashi [2] vezetett le egyszerű feltételezésekkel
egy összefüggést, melyet széleskörűen alkalmaznak
lekerekített és lekerekítetlen csatornageometriákra. Az
analitikus modellezéshez képest a végeselemes módszerrel
pontosabban modellezhető [3, 4] az alakváltozás mértéke,
sebessége, valamint ezen paraméterek eloszlása is számítható,
továbbá a súrlódás is modellezhető.
Jelen dolgozatban egy lekerekített 90°-os és egy lekerekítetlen
110°-os szerszámmal végzett könyöksajtolás
végeselemes modellezést mutatom be. Ismertetem a
modell felépítésének menetét, kiértékelem a számított
alakváltozás mértékét, valamint az alakváltozási sebesség
eloszlását súrlódásos, ill. súrlódásmentes csatorna esetére.
2. Kutatási módszerek
A Dunaújvárosi Főiskolán végzett könyöksajtolásos kísérletekben
10 mm-es átmérőjű, 80 mm-es hosszúságú próbatestet
sajtoltunk át minimum 40 mm hosszan, szobahőmérsékleten,
2 mm/perc sebességgel egy lekerekített
90°-os és egy lekerekítetlen 110°-os könyöksajtoló szerszámon.
Ezekkel a szerszámokkal történő könyöksajtolás
végeselemes modellezését végeztük el. A modellt az MSC
Marc végeselem programban készítettük el. Az eredeti
* Frei Zoltán főiskolai hallgató • Gonda Viktor főiskolai docens, Dunaújvárosi Főiskola
próbatest az említett 10 mm átmérőjű, 80 mm hosszúságú
hengeres darab, mi viszont síkban dolgoztunk, mert
a gyorsabb síkbeli alakváltozási feltételt használtuk. A
hosszmetszetet választottuk, alakváltozás is ebben a síkban
van, erre merőlegesen nincs. A testre megfelelő mértékű
hálós felosztást kell alkalmaznunk, mely láthatóvá teszi a
deformációt, a csomópontokról pedig leolvashatjuk a szükséges
értékeket. Kezdetben 10 x 80 elemre (kvadratikus,
négy csomópontos) osztottuk fel, amit később két lépésben
finomítottunk.
Az alakítás szempontjából lényegtelen részeket durvább,
míg a lényeges részeket finomabb hálózással láttuk
el, a sűrűbb felosztás pontosabb eredményhez vezet. A
próbatest anyagát ideálisan rugalmas, lineárisan keményedő
anyagmodellel írtuk le. A kísérletek során vörösréz
próbatestet használtunk, tehát a rézre vonatkozó anyagi
paramétereket adtuk meg a programnak:
• rugalmassági modulusz: 110 GPa,
• Poisson-tényező: 0,33,
• folyáshatár: R p
: 100 MPa,
• a keményedés pedig Δε p
= 10 értékéhez 10%-os.
A sajtolócsatornát merev testként modelleztük, tehát a
csatorna maga nem deformálódhat, síkbeli metszetét a
külső és belső oldalon egy-egy görbével rajzoltuk meg.
A 110°-os csatornánál 1 mm-es lekerekítést alkalmaztunk
a szimuláció stabil futása érdekében. Peremfeltételként
egyedül az előtolást alkalmaztuk, ennek mértéke 2 mm/
perc, ugyanúgy, ahogyan a valós kísérleteknél is. Ezt
az előtolást a próbatest bemenő csatorna felőli végének
felületén elhelyezkedő csomópontokra időben változó
eltolódásként alkalmaztuk. A szimulációban összesen
maximum 40 mm-nyi átsajtolást futtatunk, az ehhez tartozó
időtartam maximum 1200 másodperc. A csatorna és
a próbadarab közti súrlódást µ = 0,1-es értékkel vettük
figyelembe, vagy pedig µ = 0 értékkel súrlódásmentes
esetet vettünk.
156 ISD DUNAFERR Mûszaki Gazdasági Közlemények 2012/3.