Review of selected methods of increasing the life of forging tools in hot die forging processes

• Autorzy: Hawryluk M.

Identyfikatory

DOI

10.1016/j.acme.2016.06.001

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The work concerns the possibilities of applying various methods with the purpose to increase the life of forging tools, which, based on the experience and research of the author, realized in cooperation with the forging industry, exhibit the highest effectiveness in improving the life of forging tools. Durability of forging device is determined by the presence of destructive mechanisms under the extreme work conditions of forging tools - a high cyclic mechanical loads (up to 1000 MPa) and thermal (from 800 °C to 800 °C on the surface). The tool life is also an element which affects the quality of the forgings, as too high and intensive wear/damage of the dies and stamps causes a change in the geometry of the manufactured product, and any surface faults (cracks, defects) are represented on the forged product. The presented investigation results refer to: selection of the tool material for a particular process, its adequate thermal and thermo-chemical treatment, use of surface engineering techniques: hybrid with the use of coatings applied physically from the gaseous phase, use preventive pad welding, as well as optimization of the die shape and construction of the instrumentation set. The work also presents the use of control and measurement systems, allowing for full monitoring of the forging process, and the application of innovative solutions (use of acoustic emission signal) allowing for an effective improvement of the life of the forging tools and instrumentation. At present, by way of applying a range of methods, which the most popular shows in this article, as well as many other computer-aided tools, it is possible to solve many problems related to a short tool life.

Słowa kluczowe

EN

forging process; tool life; increasing durability methods

PL

proces kucia; trwałość narzędzia; obróbka cieplna

• Wydawca: Springer ; Wrocław University of Science and Technology
• Czasopismo: Archives of Civil and Mechanical Engineering
• Rocznik: 2016
• Tom: Vol. 16, no. 4
• Strony: 845--866
• Opis fizyczny: Bibliogr. 64 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Hawryluk M.

• Wrocław University of Technology, Wybrzeże Wyspiańskiego 25, 50-370 Wrocław, Poland

Bibliografia

• [1] T. Altan, Cold and Hot Forging Fundamentals and Application, ASM International, Ohio, 2005.
• [2] ASM Handbook, Heat Treating 4, Metals Handbook, 8th ed., ASM International, 1991.
• [3] R.F. Barron, How Cryogenic Treatment Controls Wear, 21st Inter-Plant Tool and Gage Conference. Shreveport, LA, USA, 1982 (wg ASM Handbook 4, 205).
• [4] S.M. Byon, S.M. Hwang, Die shape optimal design in cold and hot extrusion, Journal of Materials Processing Technology 138 (2003) 316–324.
• [5] Z. Chval, M. Cechura, Monitoring extremely stressed points on stands of forging presses, Procedia Engineering 100 (2015) 841–846.
• [6] A. Ciski, A. Nakonieczny, T. Babul, Badanie możliwości połączenia technologii długookresowego wymrażania i kulowania stali narzędziowej do pracy na gorąco w300, Inżynieria Powierzchni 2 (2009) 3–9.
• [7] D.N. Collins, J. Dormer, Deep cryogenic treatment of a D2 cold-work tool steel, Heat Treatment of Metals 3 (1997) 71–74.
• [8] L. Dobrzański, K. Labisz, A. Klimpel, Effect of laser alloying on thermal fatigue and mechanical properties of the 32CrMoV12-20 steel, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering 19 (1) (2006) 83–90.
• [9] L.A. Dobrzański, Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo. WNT, Gliwice – Warszawa, 2002.
• [10] A. Dzierwa, M. Korzyński, Badania możliwości poprawy przez kulowanie właściwości zmęczeniowych elementów chromowanych, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 27 (1) (2007) 121–130.
• [11] P. Garbacz, T. Giesko, A. Mazurkiewicz, Inspection method of aluminium extrusion process, Archives of Civil and Mechanical Engineering 15 (3) (2015) 631–638.
• [12] M. Gierzyńska-Dolna, P. Lacki, A. Plewiński, R. Szyndler, Nowoczesne sposoby podnoszenia trwałości narzędzi do pracy na gorąco wysokoefektywnymi metodami inżynierii powierzchni, Rudy i Metale Nieżelazne 46 (11) (2001) 583–586.
• [13] M. Gierzyńska-Dolna, R. Szyndler, A. Plewiński, B. Pachutko, S. Ziółkiewicz, Z. Garczyński, Badania eksploatacyjne narzędzi kuźniczych do pracy na gorąco poddanych laserowej obróbce cieplnej, Problemy Eksploatacji 4 (2005) 139–149.
• [14] M. Gierzyńska-Dolna, Metodyka badań i kryteria oceny materiałów stosowanych na matryce kuźnicze, Obróbka Plastyczna Metali 11 (3) (2000) 13–18.
• [15] Z. Gronostajski, M. Hawryluk, M. Kaszuba, J. Ziemba, Application of a measuring arm with an integrated laser scanner in the analysis of the shape changes of forging instrumentation during production, Eksploatacja i Niezawodnosc (Maintenance and Reliability), 18 (2) (2016) 194–200. , http://dx.doi.org/10.17531/ein.2016.2.6.
• [16] Z. Gronostajski, M. Hawryluk, M. Kaszuba, Metody poprawy trwałości narzędzi w procesach kucia matrycowego, Stal Metale & Nowe Technologie 3/4 (2015) 24–26.
• [17] Z. Gronostajski, M. Hawryluk1, M. Kaszuba, M. Marciniak, A. Niechajowicz, S. Polak, M. Zwierzchwoski, A. Adrian, B. Mrzygłód, J. Durak, The expert system supporting the assessment of the durability of forging tools, International Journal of Advanced Manufacturing Technology 82 (2016) 1973–1991.
• [18] Z. Gronostajski, M. Hawryluk, The main aspects of precision forging, Archives of Civil and Mechanical Engineering 8 (2) (2008) 39–57.
• [19] Z. Gronostajski, M. Hawryluk, J. Jakubik, M. Kaszuba, G. Misun, P. Sadowski, Solution examples of selected issues related to die forging, Archives of Metallurgy and Materials 60 (4) (2016) 2767–2775.
• [20] Z. Gronostajski, M. Hawryluk, K. Jaśkiewicz, A. Niechajowicz, S. Polak, S. Walczak, A. Woźniak, Application of physical and mathematical modelling to analysis of different forging processes of constant velocity joint body, Computer Methods in Materials Sciences 7 (2) (2007) 231–236.
• [21] Z. Gronostajski, M. Hawryluk, M. Kaszuba, P. Sadowski, Measuring & control systems in industrial die forging processes, Eksploatacja i Niezawodnosc (Maintenance and Reliability), 3 (2011) 62–69.
• [22] Z. Gronostajski, M. Hawryluk, J. Krawczyk, M. Marciniak, Modelowanie numeryczne zmęczenia cieplnego stali WCLV stosowanej na matryce w procesie kucia na gorąco, Eksploatacja i Niezawodnosc (Maintenance and Reliability), 15 (2) (2013) 129–133.
• [23] Z. Gronostajski, M. Hawryluk, A. Niechajowicz, S. Polak, M. Zwierzchowski, M. Kaszuba, S. Walczak, D. Jabłoński, Wpływ kształtu rowka wpustowego na wytężenie pierścienia kompensacyjnego w procesie kucia na ciepło obudowy przegubu homokinetycznego, Hutnik-Wiadomości Hutnicze 76 (8) (2009) 573–580.
• [24] Z. Gronostajski, M. Hawryluk, A. Niechajowicz, S. Polak, S. Walczak, A. Woźniak, Wpływ wielkości wcisku w matrycach dzielonych stosowanych w wielooperacyjnym procesie kucia przegubów homokinetycznych na ich wytężenia, Informatyka w Technologii Metali: KomPlasTech 2008: materiały XV konferencji, Korbielów, 6–9 stycznia 2008/ed. Franciszek Grosman, Monika Hyrcza-Michalska. Kraków: ‘‘Akapit’’, 2008, 35–44.
• [25] Z. Gronostajski, M. Hawryluk, A. Niechajowicz, S. Polak, S. Walczak, A. Woźniak, Wpływ tolerancji wykonawczych matryc sprężanych do wyciskania na ich wytężenie/Zbigniew Gronostajski [i in.]. W: Forming 2007. Plasticita materialov. 14. medzinarodna vedecka konferencia, Podbanske-Vysoke Tatry, 12–15 septembra 2007/[Red. Karol Polak, Ivo Schindler, Eugeniusz Hadasik]. Bratislava, 2007, 87–92.
• [26] Z. Gronostajski, M. Hawryluk, M. Zwierzchowski, M. Kaszuba, Zjawiska występujące w warstwie wierzchniej matryc stosowanych w procesie kucia koła czołowego, Inżynieria Powierzchni 3 (2014) 38–48.
• [27] Z. Gronostajski, M. Kaszuba, M. Hawryluk, M. Zwierzchowski, A. Niechajowicz, S. Polak, Die profile optimization for forging constant velocity joint casings, Archives of Metallurgy and Materials 56 (2) (2011) 551–558.
• [28] Z. Gronostajski, M. Kaszuba, M. Hawryluk, M. Zwierzchowski, Improving durability of hot forging tools by applying hybrid layers, Metalurgija 54 (4) (2014) 687–690.
• [29] Z. Gronostajski, M. Kaszuba, M. Hawryluk, M. Zwierzchowski, A review of the degradation mechanisms of the hot forging tools, Archives of Civil and Mechanical Engineering 14 (4) (2014) 528–539.
• [30] Z. Gronostajski, M. Kaszuba, S. Polak, M. Zwierzchowski, A. Niechajowicz, M. Hawryluk, The failure mechanisms of hot forging dies, Materials Science and Engineering. A, Structural Materials: Properties, Microstructure and Processing 657 (2016) 147–160.
• [31] C.U. Grosse, M. Ohtsu, Acoustic Emission Testing – Basics for Research – Applications in Civil Engineering, Springer, 2008.
• [32] M. Hawryluk, J. Jakubik, Analysis of forging defects for selected industrial die forging processes, Engineering Failure Analysis 59 (2016) 396–409. , http://dx.doi.org/ 10.1016/j.engfailanal.2015.11.008.
• [33] M. Hawryluk, M. Kaszuba, Z. Gronostajski, P. Sadowski, Systems of supervision and analysis of industrial forging processes, Eksploatacja i Niezawodnosc (Maintenance and Reliability), 3 (1) (2016) 315–324.
• [34] M. Hawryluk, M. Marciniak, G. Misun, Possibilities of investigating abrasive wear in conditions close to those prevailing in industrial forging processes, Eksploatacja i Niezawdonosc (Maintenance and Reliability), 16 (4) (2015) 600–607.
• [35] M. Hawryluk, M. Zwierzchowski, Analiza strukturalna matryc stosowanych do kucia na ciepło w aspekcie ich trwałości, Eksploatacja i Niezawdonosc (Maintenance and Reliability), 2 (2009) 31–41.
• [36] M. Hawryluk, Modelowanie fizyczne procesu kucia obudowy korpusu przegubu homokinetycznego przy zastosowaniu matryc łukowych oraz stożkowych, FiMM (2005) 133–138.
• [37] D. Heinemeyer, Gensekschäden und Einflussgrössen der Standmenge, Industrieanzeiger 100 (73) (1978).
• [38] I. El-galy, B. Bernd-Arno, Online monitoring of hot die forging processes using acoustic emission (part i), Journal Acoustic Emission 26 (2008) 208–218.
• [39] A. Klimpel, Napawanie i natryskiwanie cieplne. Technologie, WNT, Warszawa, 2009.
• [40] A. Kocańda, Określenie trwałości narzędzia w obróbce plastycznej metali, rozdział w monografii pt. Informatyka w Technologii Metali, red. A. Piela, F. Grosman, J. Kusiak i M. Pietrzyk, Gliwice, 2003, 213–256.
• [41] J. Kusiak, A. Danielewska-Tułecka, P. Oprocha, Optymalizacja. Wybrane metody z przykładami zastosowań, PWN, Warszawa, 2009.
• [42] K. Lange, L. Cser, M. Geiger, J.A.G. Kals, Tool life and tool quality in bulk metal forming, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture 2007 (1993) 223–239.
• [43] L. Lavtar, et al., Analysis of the main types of damage on a pair of industrial dies for hot forging car steering mechanisms, Engineering Failure Analysis (2011), http://dx. doi.org/10.1016/j.engfailanal.2010.11.002.
• [44] S.K. Lee, D.C. Ko, B.M. Kim, Optimal die profile design for uniform microstructure in hot extrusion product, The International Journal of Machine Tools and Manufacture 40 (2000) 1457–1478.
• [45] S.Y. Lin, F.C. Lin, Influences of the geometrical conditions of die and workpiece on the barreling formation during forging– extrusion process, Journal of Materials Processing Technology 140 (2003) 54–58.
• [46] B. Lu, H. Ou, H. Long, Die shape optimization for net-shape accuracy in metal forming using direct search and localised response surface methods, Structural and Multidisciplinary Optimization 44 (2011) 529–545.
• [47] K. Łukasik, J. Świć, Zwiększenie trwałości narzędzi do obróbki plastycznej na gorąco metodą regeneracji, Polska metalurgia w latach 1998–2002, Wydawnictwo Naukowe ,,AKAPIT’’, Kraków, 2002, pp. 387–392 Tom 1.
• [48] M. Marciniak, Wpływ obróbki cieplnej na zmęczenie cieplne stali 1.2344, Raport wewnętrzny SPR 84 (2014).
• [49] A. Mazurkiewicz, J.A. Smolik, The innovative directions in development and implementations of hybrid technologies in surface engineering, Archives of Metallurgy and Materials 60 (3) (2015) 2161–2172.
• [50] A. Meller, S. Legutko, J. Smolik, Badanie wpływu warstw hybrydowych na trwałość matryc do kucia na gorąco, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 30 (4) (2010) 199–211.
• [51] W. Mizak, A. Mazurkiewicz, J. Smolik, et al., Problems with abrasive dosing in erosive wear process modeling, Eksploatacja i Niezawdonosc (Maintenance and Reliability), 16 (4) (2014) 559–564.
• [52] R. Neugebauer, H. Bräunlich, S. Scheffler, Process monitoring and closed loop controlled process, Archives of Civil and Mechanical Engineering 2 (9) (2009) 105–111.
• [53] T.J. Nye, A.M. Elbadan, G.M. Bone, Real-time process characterization of open die forging for adaptive control, Journal of Engineering Material Technology 123 (4) (2000) 511– 516.
• [54] W.J. Panczenko, W. Wasilcow, W.S. Golubew, I.N. Iliczew, W.A. Sawenkow, I.N. Sziganow, A.I. Misurow, E.A. Safonowa, A. Plewiński, S. Ziółkiewicz, M. Gierzyńska- Dolna, R. Szyndler, Podwyższanie trwałości matryc kuźniczych obróbką laserową, Obróbka Plastyczna Metali 14 (1) (2003) 57–64.
• [55] M. Pellizzari, A. Molinari, G. Straffelini, Thermal fatigue resistance of plasma duplex-treated tool steel, Surface and Coatings Technology 142–144 (2001) 1109–1115.
• [56] M.W. Richert, A. Mazurkiewicz, J.A. Smolik, The deposition of WC-Co coatings by EBPVD technique, Archives of Metallurgy and Materials 57 (2) (2012) 511–516.
• [57] J. Sjöström, J. Bergström, Thermal fatigue testing of chromium martensitic hot-work tool steel after different austenitizing treatments, Journal of Materials Processing Technology 153–154 (2004) 1089–1096.
• [58] J. Smolik, Rola warstw hybrydowych typu warstwa azotowana/powłoka PVD w procesie zwiększania trwałości matryc kuźniczych, WITE, Radom, 2007.
• [59] J.A. Smolik, A. Mazurkiewicz, J. Kacprzynska-Golacka, et al., Composite layers ‘‘mgal intermetalic layer/pvd coating’’ obtained on the az91d magnesium alloy by different hybrid surface treatment methods, Archives of Metallurgy and Materials 60 (2) (2015) 1031–1035.
• [60] R. Szyndler, Aktualny stan i trendy w kuźnictwie światowym i europejskim, Obróbka Plastyczna Metali 17 (3) (2006) 3–8.
• [61] J. Turek, Trwałość matryc kuźniczych z wykrojami napawanymi. Praca doktorska. Politechnika Krakowska, Kraków, 2010.
• [62] E. Virtanen, C.J. Van Tyne, B.S. Levy, G. Brada, The tempering parameter for evaluating softening of hot and warm forging die steels, Journal of Materials Processing Technology 213 (8) (2013) 1364–1369.
• [63] U. Walkenhorst, Tool Materials Used for Forging Instrumentation, Multimedia Lecture, Technical University of Wroclaw, 2013.
• [64] I. Wierszyłłowski, L. Szcześniak, Wpływ obróbki kriogenicznej po hartowaniu na przemiany zachodzące podczas odpuszczania wybranych stali narzędziowych, Badania dylatometryczne i DTA, Obróbka Plastyczna Metali 1 (2005) 31–36.

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę