Synergetic approach to die wear modelling in hot forging process

• Autorzy: Wilkus M. , Szeliga D. , Rauch Ł. , Pietrzyk M.

Warianty tytułu

PL

Synergetyczne podejście do modelowania zużycia narzędzi w procesie kucia na gorąco

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

A proposition of the hybrid model of the tool wear in hot forging is described in the paper. The idea of the model was based on distinguishing various mechanisms of the tool wear and evaluation of the mutual influence of these mechanisms. The analysis of factors, cumulative wear of which is mutually dependent, confirmed that all mechanisms influence each other in some way. To cover this, the hybrid die wear model was proposed which includes significance of each mechanism and the mutual relation between them. Additionally, to include change of material parameters, modification of these parameters was account for by a feedback, passing modified die geometry and optionally material parameters into the next iteration of die wear modelling. Developed model consists of the FE simulation to which the following process parameters are supplied by the user: wear mechanisms blocks containing adequate models, significance models and extrapolation routines for results or input parameters, component to apply computed wear value as a die geometry and control the computation of multi-iteration wear prediction. Some mechanisms blocks contain additional components for computing correction of surface parameters altered by thermomechanical fatigue, cracks or increased porosity. Numerical tests of the model were performed for the second operation in the forging of clutch wheel. Comparison of predictions and measurements confirmed improvement of the model predictive capability when synergy of the three mechanisms was accounted for.

PL

W pracy opisano hybrydowy model zużycia narzędzi w procesie kucia na gorąco. Idea modelu bazuje na rozróżnieniu mechanizmów degradacji narzędzi i ocenie ich wpływu na siebie. Analiza czynników, których sumaryczne zużycie jest wzajemnie zależne, wykazała, że wszystkie mechanizmy wpływają na siebie. Aby to wziąć pod uwagę, opracowano hybrydowy model uwzględniający istotność każdego z mechanizmów oraz ich synergię. Dodatkowo uwzględniono zmianę własności materiału narzędzia w czasie kucia kolejnych odkuwek. Zrealizowano to poprzez sprzężenie zwrotne przekazujące nowy kształt narzędzia i własności materiału do następnej iteracji. Opracowany model obejmuje symulację metodą elementów skończonych z następującymi parametrami wprowadzanymi przez użytkownika: blok mechanizmów zużycia zawierający odpowiednie modele, procedury ekstrapolacji dla parametrów wejściowych i wyjściowych, modele istotności, komponenty' przeliczające zużycie na kształt narzędzia oraz blok sterowania iteracyjnymi obliczeniami zużycia. Niektóre bloki dla mechanizmów zużycia zawierają dodatkowe składniki pozwalające korygować parametrów powierzchni uwzględniając wpływ termomechanicznego zmęczenia, mikro- pęknięć i wzrostu porowatości. Numeryczne testy modelu zostały przeprowadzone dla drugiej operacji kucia kola czołowego sprzęgła. Porównanie wyników obliczeń i pomiarów potwierdziło poprawę dokładności kiedy zastosowano model uwzględniający synergię trzech mechanizmów.

Słowa kluczowe

EN

hot forging; finite element modelling; die wear; wear mechanisms; synergetic model

• Wydawca: Wydawnictwa AGH
• Czasopismo: Computer Methods in Materials Science
• Rocznik: 2017
• Tom: Vol. 17, No. 4
• Strony: 193--204
• Opis fizyczny: Bibliogr. 29 poz., rys.

Twórcy

autor

Wilkus M.

• AGH University of Science and Technology, at. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Szeliga D.

• AGH University of Science and Technology, at. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Rauch Ł.

• AGH University of Science and Technology, at. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Pietrzyk M.

• AGH University of Science and Technology, at. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

Bibliografia

• Abachi, S., Akkok. M„ Gokler, M.I.. 2010, Wear analysis of hot forging dies, Tribology International, 43, 467-73. Andrictti. S., Chenot, J.-L., Bernacki. M., Bouchard, P.-O., Fourment, L., Hachem, E.. Perchat. E., 2015, Recent and future developments in finite element metal forming simulation. Computer Methods in Materials Science, 15, 265-293.
• Altan. T., Ngaile, G., Shen, G„ (eds), 2004, Cold and hot forging: Fundamentals and applications, ASM International, Metals Park.
• Archard. J.F.. 1953, Contact and rubbing of flat surfaces, Journal of.Applied Physics, 24. 981 -988.
• Behrens, B.A., Schaefer. F., 2005, Prediction of wear in hot forging tools by means of finitc-element analysis, Journal of Materials Processing Technology, 167, 309-315. Chen, C., Wang, Y.. Ou, H.. He, Y„ Tang. X., 2014, A review on remanufacture of dies and moulds, Journal of Cleaner Production, 64. 13-23.
• Chenot, J.-L., Fourment, L., Ducloux, R.. Wey, E., 2010. Finite element modelling of forging and other metal forming processes, Proc. 13th ESA FORM Conf on Material Forming, Supplement 1, (eds), Ceretti, E., Giardini, C., Brescia, 359-362.
• Choi, C., Groseclose, A., Altan, T., 2012, Estimation of plastic deformation and abrasive wear in warm forging dies. Journal of Materials Processing Technology, 212, 1742 1752.
• Danzl, R., Helmli, F., Scherer. S., 2011, Focus variation a robust technology for high resolution optical 3D surface metrology. Strojniski vestnik - Journal of Mechanical engineering, 57, 245-256 Diko, F., 1992, Metal flow simulation and design of dies for closed die forging, PhD thesis. Dublin City University.
• Gronostajski, Z., Hawryluk. M.. Niechajowicz, A. . Zwierzchowski, M„ Kaszuba. M.. Beds;. Application of the scanning laser system for the mation of forging tools. Computer Method in Materials Science. 11,425-431.
• Gronostajski, Z., Kaszuba. M.. Hawryluk, M., Zwierzchowsk M., 2014a, A review of the degradation mechanisms the hot forging tools. Archives of Civil and Mechanic Engineering. 14, 528-539.
• Gronostajski, Z„ Bedza, T., Kaszuba, M., Marciniak. M„ Polak. S., 2014b, Modelling the mechanisms of wear in forging tools, Obróbka Plastyczna, 25, 301 -315.
• Gronostajski. Z., Hawryluk, M., Kaszuba, M„ Marciniak. M Niechajowicz, A.,Polak, S., Zwierzchwoski, M.. Adrian. A., Mrzygłód, B., Durak, J., 2016, The expert system supporting the assessment of the durability of forging tools, International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 82,1973 1991.
• Groseclose, A.R., 2010, Estimation of forging die wear and cost. MSc thesis. The Ohio State University.
• Kang, J.H.. Park, I.W.. Jae. J.S., Kang, S.S., 1998, A study on die wear model of warm and hot forgings. Metals and Materials, 4. 477-483.
• Kaur, J., Pabla, B.S., Dliami. S.S., 2016, A review on field areas of research in forging process using FEA, International Journal of Engineering Research and Technology, 5, 383-393.
• Lavtar, L., Muhic, T.. Kuglcr, G., Tercelj, M., 2011. Analysis of the main types of damage on a pair of industrial dies for hot forging car steering mechanisms. Engineering Failure Analysis, 18, 1143-1152.
• Lee, R.S., Jou, J.L., 2003. Application of numerical simulation for wear analysis of warm forging die. Journal of Materials Processing Technology, 140, 43-48.
• Lee, H.C., Lee. Y., Lee, S.Y., Choi. S.. Lee, D.L., Im, Y.T., 2008, Tool life prediction for the bolt forming proccss based on high-cycle fatigue and wear, Journal of Materials Processing Technology, 201, 348-353.
• Liu, C., 2007, Modeling of water and lubricant sprays in hot metal working, PhD thesis. The Ohio State University.
• Neupane, R., Farhat, Z., 2015, Wear resistance and indentation behavior of equiatomic superelastic TiNi and 60NiTi, Materials Sciences and Applications, 6, 694-706.
• Osipov, N., 2017, From calculating the forming to estimating the service life of mechanical components, presented at Transvalor International Simulation Days, Nice. 2017.
• Oyane, M.. Sato, T., Okimoto, K, Shima, S., 1980, Criteria for ductile fracture and their applications. Journal of Mechanical Working Technology, 4, 65-81.
• Rauch. L., Chmura. A., Gronostajski, Z., Zwierzchowski, M.. Pietrzyk, M., 2016, Cellular automata model for prediction of crack initiation and propagation in hot forging tools, Archives of Civil and Mechanical Engineering. 16. 437-447.
• Simionato, M., Ghiotti, A., Bruschi, S.. 2008, Billet cropping numerical modelling: an approach based on inverse analysis, International Journal of Material Forming, 1. 33-36.
• Wang. P.-Y., Jian, Y.-T., 2012, The forging dies design and wear analysis of straight bevel gear. Advanced Science Letters, 8, 7-12.
• Wilkus, M., Polak, S., Gronostajski. Z., Kaszuba. M.. Rauch. I Pietrzyk, M., 2015, Modelling of the die wear in the hot forging process using the Archard model, Computer Methods in Materials Science, 15,311-321.
• Wilkus M. . Rauch L.. Gronostajski Z„ Polak S., Pietrzyk M., 2016. Computer system for identification of tool wear model in hot forging, Proc. Conf. NUMIFORM, Troyes (e-book).

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).