Analysis of the impact of forging and trimming tools wear on the dimension-shape precision of forgings obtained in the process of manufacturing components for the automotive industry

• Autorzy: Hawryluk Marek , Kondracki Piotr , Krawczyk Jakub , Rychlik Marcin , Ziemba Jacek

Identyfikatory

DOI

10.17531/ein.2019.3.14

Warianty tytułu

PL

Analiza wpływu zużycia narzędzi do kucia i okrawania na dokładność wymiarowo-kształtową odkuwek uzyskiwanych w procesie wytwarzania elementów dla przemysłu motoryzacyjnego

• Języki publikacji: EN PL

Abstrakty

EN

The study presents the results of an analysis of the manufacturing process of a yoke-type forging for automotive industry with the use of numerical modelling and 3D scanning techniques, taking into account the gradual wear of both forging tools and trimming to determine the mutual impact of their operation on the dimensional accuracy of the forgings. The performed analysis included the 4 variants which are that have the most common place in the industrial process that is, for a combination of new and partly worn out die inserts (used during hot forging) and new and partly used cutting tools used for cold trimming. The first stage involved modelling of a hot die forging process. Next, the obtained results were implemented into second modelling stage, which involved a simulation of a cold trimming process of a flash, with the use of the normalized Cockcroft-Latham fracture criterion, with the consideration of eliminating the removed elements, for which the cracking value has been exceeded. The obtained results was verified by means of a case study under industrial conditions for the least favourable operating conditions of both types of tools and their impact on the dimension-shape precision of the forgings. These results allowed for a more complete analysis of the trimming process for a variety of operating conditions and the confirmation of the correctness of carried out numerical modelling, and thus the possibility of its use in combination with scanning technique to computer-aided manufacturing processes. The proposed solution allows the selection of optimum conditions for implementation of the processes of forging and trimming because of their use to provide the required net shape forgings.

PL

W pracy przedstawiono wyniki analizy procesu wytwarzania odkuwki typu rozwidlonego dla przemysłu motoryzacyjnego z wykorzystaniem modelowania numerycznego oraz technik skanowania 3D przy uwzględnieniu sukcesywnego zużywania się zarówno narzędzi do kucia, jak i do okrawania w celu określenia wzajemnego wpływu ich eksploatacji na dokładność wymiarową odkuwek. Przeprowadzona analiza obejmowała 4 warianty najczęściej występujące w procesie przemysłowym, czyli dla kombinacji nowych i częściowo wyeksploatowanych wkładek matrycowych (stosowanych podczas kucia na gorąco) oraz nowych i częściowo zużytych narzędzi okrojczych wykorzystywanych do okrawania na zimno. W pierwszym etapie zamodelowano proces kucia matrycowego na gorąco. Następnie uzyskane wyniki zaimplementowano do drugiego etapu modelowania, w którym zasymulowano proces okrawania na zimno wypływki przy zastosowaniu znormalizowanego kryterium pękania Cockcrofta-Lathama z uwzględnieniem eliminacji elementów, dla których została przekroczona wartość pękania. Uzyskane wyniki zostały zweryfikowane za pomocą studium przypadku w warunkach przemysłowych dla najmniej korzystnych warunków eksploatacji obu rodzajów narzędzi oraz ich wpływu na dokładność wymiarowo-kształtową odkuwki. Uzyskane wyniki pozwoliły na pełniejszą analizę procesu okrawania dla różnych warunków eksploatacyjnych oraz potwierdzenie poprawności przeprowadzonego modelowania numerycznego, a tym samym możliwości jego wykorzystania do komputerowego wspomagania procesów wytwarzania. Zaproponowane rozwiązanie pozwala na wybór optymalnych warunków realizacji procesów kucia i okrawania ze względu na ich eksploatację w celu zapewnienia wymaganej dokładności wymiarowo-kształtowej odkuwek.

Słowa kluczowe

EN

trimming process; numerical simulation; geometric quality of forgings; wear of tools

PL

process okrawania; symulacje numeryczne; jakość geometryczna odkuwek; zużycie narzędzi

• Wydawca: Polskie Naukowo-Techniczne Towarzystwo Eksploatacyjne
• Czasopismo: Eksploatacja i Niezawodność
• Rocznik: 2019
• Tom: Vol. 21, no. 3
• Strony: 476--484
• Opis fizyczny: Bibliogr. 37 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Hawryluk Marek

• Department of Mechanical Engineering Wroclaw University of Science and Technology Wybrzeże Wyspiańskiego 27, 50-370 Wroclaw, Poland

autor

Kondracki Piotr

• Kuźnia Jawor S.A. ul. Kuziennicza 4, 59-400 Jawor, Poland

autor

Krawczyk Jakub

• Department of Mechanical Engineering Wroclaw University of Science and Technology Wybrzeże Wyspiańskiego 27, 50-370 Wroclaw, Poland

autor

Rychlik Marcin

• Kuźnia Jawor S.A. ul. Kuziennicza 4, 59-400 Jawor, Poland

autor

Ziemba Jacek

• Department of Mechanical Engineering Wroclaw University of Science and Technology Wybrzeże Wyspiańskiego 27, 50-370 Wroclaw, Poland

Bibliografia

• 1. Alimi A, Fajoui J, Kchaou M, Branchu S, Elleuch R, Jacquemin F. Multi-scale hot working tools damage (X40CrMoV5-1) analysis on relation to the forging process. Engineering Failure Analysis 2015; 62:142 -155, https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2015.11.031.
• 2. ASM Metals Handbook, Vol. 14: Forming and Forging, Asm Intl, 1989.
• 3. Avetisyan M, Meinders T, Huetink J. Improvment of springback predictability after forming and trimming operations. In: Proceedings of the seventh Esaform conference on material forming, Trondheim, Norway 2004.
• 4. Baptista A.J, Alves J.L, Rodrigues D.M, Menezes L.F. Trimming of 3D solid finite element meshes using parametric surfaces: application to sheet metal forming. Finite Elements in Analysis and Design 2006; 42: 1053–60, https://doi.org/10.1016/j.finel.2006.03.005.
• 5. Bendjoudi Y, Becker E, Bigot R, Amirat A. Contribution in the evaluation of a performance index of hot forging dies. International Journal of Advanced Manufacturing Technology 2017; 5-8: 1187-1201, https://doi.org/10.1007/s00170-016-8829-4.
• 6. Chen Z.H, Tang C.Y, Lee T.C. An investigation of tearing failure in fine-blanking process using coupled thermo-mechanical method. International Journal of Machine Tools and Manufacture 2004; 44: 155–65, https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2003.10.010.
• 7. Choi W-Y, Kwak D-Y, Son I-H, Im Y-T. Tetrahedral mesh generation based on advancing front technique and optimization scheme. International Journal for Numerical Methods in Engineering 2003; 58: 1857–72, https://doi.org/10.1002/nme.840.
• 8. Cockcroft M.G, Latham D.J. Ductility and the workability of metals. Journal of the Institute of Metals 1968; 96: 33–9.
• 9. Coupez T, Digonnet H, Ducloux R. Parallel meshing and remeshing. Applied Mathematical Modelling 2000; 25: 153–75, https://doi.org/10.1016/S0307-904X(00)00045-7.
• 10. Dhondt G. A new automatic hexahedral mesher based on cutting. International Journal for Numerical Methods in Engineering 2001; 50:2109–26, https://doi.org/10.1002/nme.114.
• 11. Goijaerts A.M, Givaert L.E, Baaijens F.P.T. Evaluation of ductile fracture models for different metals in blanking. Materials Processing Technology 2001; 110: 312–23, https://doi.org/10.1016/S0924-0136(00)00892-X.
• 12. Gronostajski Z, Hawryluk M, Jakubik J, Kaszuba M, Misun G, Sadowski P. Solution examples of selected issues related to die forging. Archives of Metallurgy and Materials 2015; 60(4): 2767-2775, https://doi.org/10.1515/amm-2015-0446.
• 13. Gronostajski Z, Hawryluk M. The main aspects of precision forging. Archives of Civil and Mechanical Engineering 2008; 8(2): 39-57, https://doi.org/10.1016/S1644-9665(12)60192-7.
• 14. Hambli R, Reszka M. Fracture criteria identification using an inverse technique method and blanking experiment. International Journal of Mechanical Sciences 2002; 44: 1349–61, https://doi.org/10.1016/S0020-7403(02)00049-8.
• 15. Hattangady N.V. Automatic remshing in 3D analysis of forming process. . International Journal for Numerical Methods in Engineering 1999; 45
• 16. Hilditch T.B, Hodgson P.D. Development of the sheared edge in the trimming of steel and light metal sheet. Part 1—experimental observations. Journal of Materials Processing Technology 2005; 169: 184–91, https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2005.02.266.
• 17. Hilditch T.B, Hodgson P.D. Development of the sheared edge in the trimming of steel and light metal sheet, part 2—Mechanisms and modelling. Journal of Materials Processing Technology 2005; 169: 192–998, https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2005.02.267.
• 18. http://www.transvalor.com/en/cmspages/forge-nxt.32.html
• 19. Kawka M, Kakita T, Makinouchi A. Simulation of multi-step sheet metal forming processes by a static explicit FEM code. Journal of Materials Processing Technology 1998; 80–81: 54–9, https://doi.org/10.1016/S0924-0136(98)00133-2.
• 20. Kiener C, Neher R, Merklein M. Influence of tribological conditions on cold forging of gears. Production Engineering. 2018;12-3: 367-375, https://doi.org/10.1007/s11740-017-0785-9.
• 21. Klingehberg W, Singh U.P. Comparison of two analytical models of blanking and proposal of a new model. International Journal of Machine Tools and Manufacture 2005; 45: 519–27, https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2004.09.002.
• 22. Kobayashi S, Oh SI, Altan T. Metal forming and the finite-element method. Oxford University Press, New York 1989.
• 23. Lemiale V, Chambert J, Picart P. Description of numerical techniques with the aim of predicting the sheet metal blanking process by FEM simulation. Journal of Materials Processing Technology 2009; 209: 2723–34, https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2008.06.019.
• 24. Li M. An experimental investigation on cut surface and burr in trimming aluminium autobody sheet. International Journal of Mechanical Sciences 2000; 42: 889–906, https://doi.org/10.1016/S0020-7403(99)00033-8.
• 25. Lin Y.C, Chen D.D, Chen M.S, Chen X.M, Li J. A precise BP neural network-based online model predictive control strategy for die forging hydraulic press machine. Neural Computing and Application 2018; 29: 585, https://doi.org/10.1007/s00521-016-2556-5.
• 26. Lu B, Ou H, Armstrong C.G. A simple method to evaluate trimming operation on hot forged blade components. In: Proceedings of the 15th UK conference of the ACME, Glasgow, UK 2006.
• 27. Lu B. 3D die shape optimisation for net shape forging of aerofoil blades. PhD thesis. Queen's University Belfast, UK 2008.
• 28. Lu. B, Ou H. An efficient approach for trimming simulation of 3D forged components. International Journal of Mechanical Sciences 2012; 55(1): 30-41, https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2011.11.013.
• 29. Michalski J, Pawlus P, Żelasko W. Surface topography of cylindrical gear wheels after smoothing in abrasive mass, honing and shot peening. Journal of Physics: Conference Series. 2011; 311-1, https://doi.org/10.1088/1742-6596/311/1/012022.
• 30. Oyane M, Sato T, Okimoto K, Shima S. Criteria for ductile fracture and their applications. Journal of Mechanical Working Technology 1980; 4: 65–81, https://doi.org/10.1016/0378-3804(80)90006-6.
• 31. Rowe G.W, Strugess C, Hartley P, Pillinger I. Finite element plasticity and metal forming analysis. Cambridge University Press, New York 1991, https://doi.org/10.1017/CBO9780511470981.
• 32. SFTC. DEFORM-3D user manual. Scientific Forming Technologies Corporation, Ohio 2007.
• 33. Son I-H, Im Y-T. Localized remesh techniques for three-dimensional metal forming simulation with linear tetrahedral elements. International Journal for Numerical Methods in Engineering 2006; 67: 672–96, https://doi.org/10.1002/nme.1643.
• 34. Šraml M, Stupan J, Potr C.I, Kramberger J. Computer-aided analysis of the forging process. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology 2004; 23:161-168, https://doi.org/10.1007/s00170-003-1578-1.
• 35. Steffens K, Wilhelm H. Next engine generation: materials, surface technology, manufacturing process. MTU Aero Engines Report 2003:1–17.
• 36. Taylan A, Gracious N, Gangshu S. Cold and hot forging fundamentals and application, ASM International, Asm Metals Handbook 2005; 14: 337-338.
• 37. Yu S, Xie X, Zhang J, Zhao Z. Ductile fracture modelling of initiation and propagation in sheet-metal blanking processes. Journal of Materials Processing Technology 2007; 187–188:167–72.