Zastosowanie wyników symulacji numerycznej do analizy i poprawy przemysłowego procesu wytwarzania odkuwki zaworu

• Autorzy: Hawryluk Marek , Krawczyk Jakub , Zwierzchowski Maciej , Janik Marta , Jaruzel Jerzy

Warianty tytułu

EN

Application of numerical modelling results to analyze and improve the industrial process of valve forging production

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Artykuł dotyczy wykorzystania wyników modelowania numerycznego do wielowariantowej symulacji procesu wytwarzania odkuwki zaworu ze stali chromowo-niklowej przeznaczonej dla silników samochodów ciężarowych. Odkuwka tego typu wytwarza-na jest w dwóch operacjach: wyciskania współbieżnego długiego trzonka, a następnie kucia wykańczającego głowy zaworu. Głównym problemem w tym procesie jest stosunkowo niska trwałość narzędzi; w pierwszej operacji wyciskania obserwowane jest przedwczesne zużycie matrycy, a w drugiej operacji niska trwałość stempla, co związane jest z intensywnym zużyciem ściernym oraz adhezją materiału odkuwki do narzędzi. Modelowanie numeryczne przeprowadzono przy użyciu pakietu obliczeniowego Forge 2.0, w celu analizy wpływu zmian warunków temperaturowych oraz tarcia. Szczegółowej analizie poddano drugą operację kształtowania – kucie na gorąco głowy zaworu, gdyż w przemysłowym procesie, ze względu na niewystarczającą kontrolę kluczowych parametrów technologicznych, mogą wystąpić niewielkie zmiany warunków tribologicznych, co wpływa na poprawność całego procesu. Przeprowadzona wielowariantowa analiza procesu kucia z wykorzystaniem modelowania numerycznego do-starczyła wielu cennych informacji dotyczących zmian kluczowych parametrów trudnych do uzyskania podczas analizy procesu przemysłowego oraz ich wzajemnego wpływu na siebie, takich jak: rozkłady pól temperatury, nacisków oraz parametrów określających zużycie, a także przebiegów sił kucia. Na tej podstawie możliwe jest wprowadzenie bez większych obaw istotnych zmian w procesie przemysłowym, w celu uzyskania jego stabilności i powtarzalności oraz zwiększeniu trwałości oprzyrządowania kuźniczego.

EN

The article discusses the application of the results of numerical modelling for a multi-variant simulation of the process of producing a chromium-nickel steel valve forging designed for truck engines. A forging of this type is manufactured in two operations: coextrusion of a long shaft, followed by finishing forging of the valve head. The main problem in this process is a relatively low tool durability; in the first extrusion operation, we observe premature wear of the die, whereas in the second operation, a low durability of the punch can be noticed, which is connected with the intense abrasive wear as well as adhesion of the material of the forging to the tools. The numerical modelling was carried out with the use of the Forge 2.0 calculation packet in order to analyze the effect of the temperature conditions and friction. A detailed analysis was performed on the second forming operation – hot forging of a head valve, as, in the industrial process, due to insufficient control of the key technological parameters, slight changes of the tribological conditions might occur, which affect the properness of the whole process. The multi-variant analysis of the forging process with the use of numerical modeling provided a lot of valuable information regarding changes in key parameters difficult to obtain during the analysis of the industrial process and their mutual influence on each other, such as: distribution of tem-perature fields, pressures and parameters determining wear, as well as forging force courses. On this basis, it is possible to introduce without major worry significant changes in the in-dustrial process in order to obtain its stability and repeatability, and increase the durability of forging equipment.

Słowa kluczowe

PL

modelowanie numeryczne; kucie matrycowe na gorąco; odkuwka zaworu

EN

numerical modelling; hot die forging; valve forging

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Obróbki Plastycznej
• Czasopismo: Obróbka Plastyczna Metali
• Rocznik: 2019
• Tom: T. 30, nr 4
• Strony: 291--306
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Hawryluk Marek

• Politechnika Wrocławska, Katedra Obróbki Plastycznej i Metrologii, ul. Łukasiewicza 5, 50-371 Wrocław, Poland

autor

Krawczyk Jakub

• Politechnika Wrocławska, Katedra Obróbki Plastycznej i Metrologii, ul. Łukasiewicza 5, 50-371 Wrocław, Poland

autor

Zwierzchowski Maciej

• Politechnika Wrocławska, Katedra Obróbki Plastycznej i Metrologii, ul. Łukasiewicza 5, 50-371 Wrocław, Poland

autor

Janik Marta

• MAHLE Polska Sp. z o.o., ul. Mahle 6, 63-700 Krotoszyn, Poland

autor

Jaruzel Jerzy

• MAHLE Polska Sp. z o.o., ul. Mahle 6, 63-700 Krotoszyn, Poland

Bibliografia

• [1] Forsberg Peter, Patrik Hollman, Staffan Jacobson. 2001. “Wear mechanism study of exhaust valve system in modern heavy duty combustion engines”. Wear 271 (9–10): 2477–2484.
• [2] Elo Robin, Jannica Heinrichs, Staffan Jacobson. 2017. “Wear protective capacity of tribofilms formed on combustion engine valves with different surface textures”. Wear 376–377 (Part B): 1429–1436.
• [3] Priest Martin, Christopher Mark Taylor. 2000. “Automobile engine tribology — approaching the Surface”. Wear 241 (2): 193–203.
• [4] Jeong Ho-Seung, Jongrae Choa, Ho-Ceou Park. 2005. “Microstructure prediction of Nimonic 80A for large exhaust valve during hot closed die forging”. Journal of Materials Processing Technology 162–163: 504–511.
• [5] Wang Youta Sei, Srinivasa Narasimhan et al. 1998. “Wear and Wear Mechanism Simulation of Heavy-Duty Engine Intake Valve and Seat Inserts”. Journal of Materials Engineering and Performance 7 (1): 53–65.
• [6] Yuanzhia Zhu, Yin Zhimin, Xu Jiangpin. 2011. “Microstructural mapping in closed die forging process of superalloy Nimonic 80a valve head”. Journal of Alloys and Compounds 509 (20): 6106–6112.
• [7] Morii Hirokazu, Hyoji Yoshimura. 2012. “Method for producing hollow engine valve”. US Patent No.8881391 B2.
• [8] Hongchao Ji, Liu Jinping, Wang Baoyu, Fu Xiaobin, Xiao Wenchao, Hu Zhenghuan. 2017. “A new method for manufacturing hollow valves via cross wedge rolling and forging: Numerical analysis and experiment validation”. Journal of Materials Processing Technology 240: 1–11.
• [9] Mahle Polska. 2018. Raport wewnętrzny. Porównanie zaworów wyciskanych i spęczanych, Krotoszyn.
• [10] ASM Metals Handbook Vol. 14, Forming and Forging. 9th Edition. 1988.
• [11] Hawryluk Marek, Zbigniew Gronostajski et al. 2018. „Wear mechanisms analysis of dies used in the process of hot forging a valve made of high nickel steel”. Archives of Metallurgy and Materials 63 (4): 1963–1974.
• [12] Hawryluk Marek. 2016. “Review of selected methods of increasing the life of forging tools in hot die forging processes”. Archives of Civil and Mechanical Engineering 16: 845–866.
• [13] Kocańda Andrzej. 2003. Określenie trwałości narzędzia w obróbce plastycznej metali. W Informatyka w Technologii Metali, 213–256. Gliwice: Wydawnictwo Politechniki Śląskiej.
• [14] Vazquez Victor,Talyan Altan. 2000. “Die design for fashless forging of complex parts”. Journal of Materials Processing Technology 98: 81–89.
• [15] Hawryluk Marek, Joanna Jakubik. 2016. “Analysis of forging defects for selected industrial die forging processes”. Engineering Failure Analysis 59: 396–409.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).