Master Thesis Kovacs Mihaly

8/3/2019 Master Thesis Kovacs Mihaly

1/53

MINISTERUL EDUCAIEI, CERCETRII I TINERETULUI Universitatea Transilvania din Braov

Facultatea de Inginerie Mecanic Programul de studii: Inginerie Mecatronic- master

LUCRARE DE DISERTAIE Analiza durabilitii cuitelor de tiere pentrudispozitivele de tanare la rece

Masterand:Ing. Mihaly KOVACS

Conductor tiinific:Prof. dr. ing. Simona LACHE

2010


2/53

Universitatea Transilvania din Braov Fac. Inginerie Mecanic- Catedra MFMLUCRARE DE DISERTAIE

Mihaly KOVACS,Analiza durabilitii cuitelor de tierepentru dispozitivelede tanare la rece

2

Majoritatea elementelor componente ale dispozitivelor de tanare i matriare la r

sunt supuse unui proces continuu de uzur i la solicitri dinamice de compresiune. n cazultanelor de debavurat cuitele de tiere sunt componentelecel mai mult supuse la uzur . Fiindvorba despre un proces simplu din punct de vedere fizic, procesul de debavurare este relsimplu de modelat ntr-un mediu virtual. n primele faze ale proiectrii este esenialrealizareaunei analize de durabilitate acuitelor de tiere, n vederea optimizriidesignului acestora, pentru o funcionare performant.

n lucrare este prezentat o metod relativ simpl pentru determinarea vieii la oboseacuitelor de tiere. Modelul CAD al unui cuit de tiere este analizataplicnd metoda elementelorfinite, folosind pachetul comercial ANSYS Workbench 12.0, pentru determinareadeformaiilor maxime ia tensiunilor maxime ce aparn timpul ncrcrii cuitului cu o forF. Rezultateleobinute suntapoi folosite pentru determinarea durabilitii cuitului de tiere.Pe bazarezultatelor se deducenumrul de cicluri de funcionare i cantitatea de material ce trebuienlturat pentru reascuirea cuitului.

Rezumat


3/53



3

Abstract

Most components of cold forming dies are subject to continuous wear and dynam

compression. In the case of the cutting dies, the components that most subject to wear are cutting tools. Since this is a simple process from a physical point of view, the cutting processrelatively simple to model in a virtual environment. In the early design stages it is essentiadurability analysis of the cutting tools to optimize their design for efficient operation.

The paper presents a relatively simple method for determining the fatigue life of tcutting tools. CAD model of a cutting tool is analyzed with finite element method using tcommercial package of ANSYS Workbench 12.0, to determine the maximum deformation amaximum stress occurring during an applied load of a forceF . The results are then used todetermine the durability of the cutting tool. The analysis gives the end number of cycles and amount of material that needs to be removed while resharpening the cutting tool.


4/53



4

Cuprins

Rezumat .......................................................................................................................................Abstract .......................................................................................................................................Cuprins ........................................................................................................................................1. Introducere .............................................................................................................................

1.1 Scopul lucrrii .................................................................................................................1.2 Obiectivele lucrrii: ..........................................................................................................

2. Noiuni generale privind tanarea i matriarea la rece .......................................................... 62.1 Generaliti ......................................................................................................................2.2 Clasificarea operaiilor de tanare i matriare la rece .................................................... 92.3 Clasificarea dispozitivelor de presare la rece ................................................................. 11

3. tana de debavurat ................................................................................................................

3.1

Procesul de proiectare

.................................................................................................... 13.2 tana de debavurat ........................................................................................................ 13.3 Semifabricatul ................................................................................................................ 3.4 Modelul CAD a unei tanei dedebavurat ..................................................................... 203.5 Tipuri de cuite folosite la tanele de debavurat ............................................................ 233.6 Tierea cu foarfece cu cuite paralele ............................................................................. 26

4. Modelul CAD a unui cuit de tiere ...................................................................................... 295. Analiza cu elemente finite a unui cuit de tiere ................................................................... 31

5.1 Faza de pre-proceasre ..................................................................................................... 35.1.1 Definirea materialului cuitului de tiere ....................................................................... 32

5.1.2 Modelul cu elementefinite al cuitului de tiere ............................................................ 335.1.3 Condiiile la limit aplicate pe cuitul de tiere .............................................................. 365.1.4 Aplicarea ncrcrilor pe cuitul de tiere ...................................................................... 385.2 Procesare ........................................................................................................................ 5.3 Post-procesare ................................................................................................................

6. Analiza durabilitii a unui cuit de tiere ............................................................................. 436.1 Elemente generale .......................................................................................................... 46.2 Procesul de simulare ....................................................................................................... 46.3 Tipuri de analize de durabilitate ..................................................................................... 476.4 Analiza de durabilitate a cuitului de tiere .................................................................... 47

7. Concluzii ................................................................................................................................8. Bibliografie ............................................................................................................................


5/53



5

1. Introducere

Procedeul de prelucrare mecanic prin presare la rece dobndete, pe zi ce trece, o tot

larg aplicabilitate, ca urmare a avantajelor pe care le prezint: productivitate ridicat, premare a pieselor i cost sczut. Aadar, stadiul de dezvoltare a presrii la rece, extinderea ace procedeu de prelucrare mecanic n toate ramurile industriei constructoare de maini, repreun indiciu al progresului tehnic ce caracterizeaz epoca noastr. Dar aici nc nu se oprevoluia industriei presrii la rece. Economia i nevoile populaiei sunt n continu cretereaceste dou tendine determin dezvoltarea domeniului presrii la rece. Pentru mbuntindustriei presrii la rece se introduc zi de zi noi metode de optimizarea:

- procesului de presrare- procesului de proiectare- procesului de fabricarea sculelor, etc.Pentru optimizarea procesului de proiectare, la ora actual se utilizeaz pe scar larg

instrumentele asistate de calculator (CAD/CAE), ce contribuie la scurtarea ciclului de proieca produselor.

1.1 Scopul lucrrii

Scopul acestei lucrri de diserta ie l constituie optimizarea formei i dimensiuniicu itelor de tiere pentru tan ele de debavurat. n acest sens se utilizeaz metodele asistate decalculator pentru modelarea, analiza i simularea comportrii cu itului de debavurat(CAD/CAE), respectiv pentru analiza durabilit ii.

1.2 Obi ectivele lucrrii :

Pentru realizarea scopului lucrrii, formulat mai sus, s-au stabilit urmtoarele obiective: a) Studiul principiilor stanrii la rece b) Realizarea modelului CAD al unei tanei de debavuratc) Studiul cuitelor folosite la o tan de debavurat d) Modelarea CAD a unui cuit de tiere e) Analiza cu elemente finite a cuitului de tiere f) Analiza durabilitii a cuitului de tiere


6/53



6

2. Noiuni generale privind tanarea i matriarea la rece

2.1 Generaliti

tanarea i matriarea la rece [6] cuprind operaii de prelucrare mecanica pieselor prin presiune, fr achii. Pe scurt, operaiile de tanare i matriare la rece se denumesc operaii depresare la rece.

Presarea la rece este un procedeude prelucrare mecanic modern n continu dezvoltare. n majoritatea cazurilor, operaiile de presare la rece se execut cu ajutorul dispozitivelorspeciale acionatede prese. Forma i dimensiunile pieselor obinute corespund, suficient deexact, cu forma i dimensiunile elementelor active (poansonului i plcii active) aledispozitivului de presare respectiv.

Presarea la rece prezint o serie de avantaje tehnico-economice, fade procedeeleclasice de prelucrare a metalelor (turnare, forjare i achiere). Prin presare la rece, se pot ob piese de form complex acror confecionare prin alte procedee de prelucrare estefoartedificil, ineficient sau chiar imposibil. Piesele obinute au o precizie dimensional ridiastfel nct interschimbabilitatea acestora, la asamblare, nu constituie o problem. n majoritateacazurilor, aceste piese nu mai necesit alte prelucrri mecanice. Ca urmare a consumului speredus de material (pn la 70...75%, fa de piesele similare obinute prin alte procedee

prelucrare mecanic), piesele snt foarte uoare. n acelaitimp, rigiditatea pieselor este mare,datoritformei lor stabilite la proiectare.

Productivitatea utilajelor de presare este ridicat, iar deservirea acestora este simpnecesitnd muncitori cu calificare inferioar. n consecin, manopera aferent prelucrr pieselor prin presare la rece este sczut. Timpul pe operaie, la piesele mari, este de ordsecundelor, iar la piesele mici, de ordinul fraciunilor de secund.Pentru ca prelucrarea pieselorprin presare la rece s decurg n bune condiii, este necesar s se acorde o mare atenie

soluionrii problemelor tehnice complexe referitoare la pregtirea fabricaiei. n acest scop, seva urmri ca piesele proiectate s aib o form raional i tehnologic, pentru a se putea ren condiii ct mai economice. Materialul prevzut pentru executarea unor piese date trebuie saib proprieti tehnologice i mecanice corespunztoare realizrii procesului de deformare i aasigurrii durabilitii necesare pieselor obinute. Procesul tehnologic de prelucrare meca


7/53



7

prin presare la rece trebuie s fie elaborat corect din punct de vedere tehnic i judicios din pde vedere economic. Dispozitivele de presare trebuie s fie proiectate corect, iar execuia lose fac ngrijit. Se va alege presa corespunztoare ca tip, iar puterea acesteia trebuie s

foloseasc raional. Locurile de munc trebuie bine organizate, n deplin concordanspecificul produselor i cu volumul de producie dat.

Elaborarea proceselor tehnologice de prelucrare mecanic prin presare la rece a pieselor i proiectarea dispozitivelor speciale aferente sunt strns legate ntre ele, dei pot f i executate depersoane diferite. De aceea, tehnologul trebuie s cunoasc bine construcia stanelor imatrielor, iar constructorul trebuie s aib temeinice cunotinetehnologice referitoare lapresarea la rece.

Presarea la rece este specific produciei de serie mare i de mas. Numai un asemevolum de producie justific, din punct devedere economic, utilizarea dispozitivelor speciale de presare. De obicei, piesele obinute prin presare la rece, n special obiectele de larg consumfabric n zeci i chiar sute de milioane de buci anual.

Fiind un domeniu eficient al industriei constructoare de maini, presarea la recedezvolt continuu. Pentru aceastasunt necesare urmtoarele preocupri permanente:

a) mbuntirea proceselor tehnologice existente; b) aplicarea presrii la rece i la prelucrarea pieselor n serie mic prin utilizar

dispozitivelor simple i universale; c) reducerea consumului specific de material prin aplicarea unei croiri raionale, a utiliz

deeurilor i a mririi preciziei de calcul la stabilirea dimensiunilor semifabricatelor; d) mrirea preciziei dimensionale a pieselor obinute prin presare la rece; e) mrirea durabilitii dispozitivelor de presare la rece; f) mrirea capacitii de fabricaie prin mecanizarea i automatizarea utilajelor; g) utilizarea pe scar larg a procedeelor de presare la anumite operaii de asamblare.

Domeniul deaplicare a prelucrrii mecanice prin presare la rece s-a extins i lapiesele cugabarit mare. Sa execut piesedin material feros din ce in ce mai gros, se decupeazpiese dintabl cu grosimea pn la 20...25 mm, se fac perforri n materiale cu grosimea pn la 30


8/53


9/53



9

2.2 Clasificarea operaiilor de tanare i matriare la rece

tanarea i matriarea la rece [6],[7]cuprind un numr mare de operaii diverse a cror

clasificare, dup caracterul general al deformaiilor, este dat n schema ce urmeaz(Figura 1 ).tanarea cuprinde mai multe tipuri de operaii caracterizate prin separarea, parial sau

total, a unei pri a semifabricatului de cealalt, prin forfecare. Operaiile de tanare sunt defaptoperaii de tiere care se execut cu ajutorul dispozitivelor, pe prese.

Figura 1, Operaii de presare la rece Cnd operaiile de prelucrare mecanic prin forfecare se execut la foarfece, f

dispozitiv, elementele active fiind fixatedirect de berbecul i suportul fix al mainii, acestea se

numesc numai operaii de tiere. Operaii de acest fel se ntlnesc, de obicei, n seciile depregtire a semifabricatelor i sunt cunoscute, n practic, sub denumirea de operaii de debit

Matriarea se caracterizeaz prin aceea c operaiile se execut numai prin deformare plastic fr s aib loc odivizare a semifabricatului, ci numai modificarea formei idimensiunilor acestuia.

Operaii de presare la rece

Tiere Matriare

La foarfeci Cu dispozitive pe prese Cu modificarea formeisemifabcatului, frredistribuirea voit a

materialului

Cu modificarea formeisemifabcatului, cu

redistribuirea voit amaterialului

retezare

crestare

decupare

perforare

ndoire

Ambutisare

Fasonare

Lire

Refulare

Calibrare

Stampare

Extrudare

ndoire

Rsucire

Roluire

Ambutisare propriu zis

Tragere pe calapod

Reliefare

Rsfrngerea marginilor

Bordurare

Gtuire

Lrgire


10/53


11/53



11

Operaia de presare combinat simultan-succesiv rezult prin asocierea celor douoperaii (simultan i succesiv). Aceasta este asemntoare cu operaia succesiv cu deosebirea c la cel puin unul din posturile de lucru ale dispozitivului trebuie s existe opresare sintultan.

Figura 3, a-decupare perforare,b- perforare i decupare,c- perforare i decupare,d -ambutisre-reliefare,e-decupare-ambutisare, f - perforare i retezare-ndoire

Dintre operaiile combinate de presare, mai frecvent ntlnite n practic sunt operaiile combinsimultane de tanare(Figura 3 , a- decupare perforare), operaiile combinate succesive de tanare(Figura 3 , b- perforare i decupare) operaiile combinate simultan-succesive de tanare (Figura 3 , c- perforare i decupare), operaiile combinate simultane de tanare i matriare (Figura 3 ig. 3, e-decupare-ambutisare) i operaiile combinate simultan-succesive detanare i matriare (Figura 3 , f- perforare iretezare-ndoire). Operaiile combinate succesive de tanare i matriare se execut pe prese autommultipoziionale, sau pe prese simple, folosind dispozitive combinate. Operaiile combinate de matriarese ntlnesc foarte rar n practic i, de obicei, sunt numai simultane (Figura 3 , d-ambutisre-reliefare).

2.3 Clasificarea dispozitivelor de presare la rece

Dispozitivele de prelucrare mecanic[6],[7] prin presare la rece seaseamn,principial,cu cele de prelucrare prin presare la cald, ns acestea sunt mai complicate; n afar de poanson plac activ, dispozitivele de presare la rece conin un numr relativ mare de elemente dintre careunele particip nemijlocit la realizarea procesului de deformare plastic. Pe de alt parte,


12/53



12

operaiile de presare la rece sunt mai numeroase idiverse, din punct de vedere al complexitiiprocesului de deformare a materialului semifabricatului, com parativ cu operaiile de presare lacald. De aceea,denumirea i clasificarea dispozitivelor de prelucrare mecanic prin presare

rece necesit o mai atare diversificare, fa de dispozitivele de prelucrare la cald. Denumirea dispozitivelor de presare la rece utilizat n prezent n uzinele constructoare

de maini din ara noastr, ct i n uzinele din majoritatea rilor industriale avansate, ntoate, cazurile corespunde rolului funcional al acestora. De asemenea, neconcordana dintredenumirea dispozitivelor de presare la rece i r olul lor funcional se reliezeaz n egal msur in unele standarde de stat n vigoare. Neconcordana maievident exist n cazul dispozitivelorde matriare la rece cnd i acestora li se spune stane.

Atribuind dispozitivelor de presare la rece o denumire n deplin concordan caracteruldeformaiilor specifice operaiei ce o realizeaz, clasificarea acestora se prezint conformschemei urmtoare:

Figura 4, Dizpozitivele de presare la rece

Dispozitivele de tanare(Figura 4 ) crora li se spune, pe scurt, stane, se folosesc nexclusivitate, pentru executarea diverselor operaii de tanare; tana simpl este destinatexecutrii unei singure operaii de tanare cum ar fi: decuparea, perforarea, retezarea, cresetc. Cu ajutorul unei tane combinate seexecut simultan, succesiv sau simultan-succesiv ooperaie combinat de acest gen dup cum urmeaz: decupare i perforare la acelai pos

Dispozitivele depresare la rece

Dispozitivele detanare

Dizpozitivele dematriare

Dispozitivelecombinate de tanare

i matrire

simple combinate

Cu aciune simultan

Cu aciune succesiv

Cu aciune simultansuccesiv

simple combinate

Cu aciune simultan

Cu aciune succesiv


Cu aciune simultan

Cu aciune succesiv



13/53



13

lucru; perforare la primul post da lucru i apoi decupare la urmtorul post de lucru; decupa perforare la primul post de lucru i apoi retezare la urmtorul post de lucru.

Dispozitivele de matriare(Figura 4 ), pe scurt, matriele, se folosesc pentru executarea

unor operaii simple sau combinate de matriare; matriele simple se folosesc pentru executunor operaii simple, iar matriele combinate se folosesc pentru executarea unor opercombinate simultane, succesive sau simultan-succesive.

Dispozitivele combinate de tanare i matriare la rece(Figura 4 ) servesc pentruexecutarea unor operaii combinate de tanare i matriare. Acestea pot fi: cu aciune simultde exemplu, pentrudecupare i ambutisare; cu aciune succesiv, de exemplu, decupare i apambutisare; cu aciune simultan-succesiv, de exemplu, perforare i apoi retezare i ndoire. Dat

fiind natura diferit a deformaiilor la operaiile de tanare i matriare ce se combidispozitivele aferente nu se vor denumi niciodat stane sau matrie, ci numai dispozicombinate de tanare i matriare.

Elementele principale ale unui dispozitiv de presare la rece sunt sculele, adic poansonuli placa activ. n scopul punerii n eviden a tipului dispozitivului respectiv din care fac paceste scule se vor denumi, mai sugestiv, n funcie de natura operaiei ce o execut, de exempoanson de decupare, poanson de perforare, poanson de ndoire, poanson de ambutisare etc. i,respectiv, plac de decupare, deperforare, de ndoire, de ambutisare etc.

n concluzie, ansamblurile auxiliare utilizate pentru realizarea operaiilor de tanare matriare, simple sau combinate, se numescdispozitive de presare la rece.

3. tana de debavura t

3.1 Procesul de proiectare

Procesul deproiectare este un proces in general iterativ, ce const n mai multe fazeUnele din aceste faze pot fi mai accentuate sau diminuate n funcie de tipul de proiect, i anume:

- analiza de nevoi: de exemplu -deficicene la produsele deja proiectate sau necesitateadezvoltrii unui nou produs; activitatea este efectuat de un inginer;

- definirea problemei: este cuprins ntr -o specificaie a produsului ce trebuie proiectat;specifica ia include caracteristicile fizice i funcionale, cost, cantitate i performanelede func ionare.


14/53



14

- Analiza i sinteza: sunt relativ legate i cuprinse ntr -un proces iterativ. O anumitcomponen sau un anumit subsistem al unui sistem cuprinztor este conceptualizat proiectant, supus analizei, mbuntit prin procedura de analiz i reproiect

Acest proces este repetat pn ce proiectul a fost optimizat n cadrul constrngerilorimpuse de proiectant. Componentele i subsistemele sunt sintetizate n cadrul sistemului global ntr-un mod similar.

- Evaluarea: este considerat prin determinarea gradului de satisfacere a condiiiimpuse ncadrul specificaiilor stabilite n faza de definire a problemei. Etapa necesitdeseori fabricareai testarea unui model prototip pentru a se obine date privind performanele, calitatea, rentabilitatea sau privind alte criterii.

-Prezentarea: este faza final a proiectului i include documentaia necesar n vederealizrii produsului- desene de execuie, specificaii de materiale, liste de piese etc.

Procesul deproiectare asistat de calculator are, n principiu, aceleai etape ca iproiectarea tradi ional, dar acestea pot fi redefinite astfel:

a. analiza de nevoi;b. definirea problemei;c. generarea modelului;d. analiza;e. revizuirea proiectului i reevaluarea acestuia;f. elaborarea automat a documenta iei de execu ie.

Optimizarea procesului de proiectare nu reprezint un proces facil, fiecare proiect di n fun ie de produs. Modelarea CAD a produsului i a sculei care prelucreaz aceasta, a ajutatfoarte mult ingineriilor prin scurirea timpului de proiectare, crescnd aa productibilitate prin cretea precizie a proiectelor finale. Cercetarea, inovarea si concepia; aceste einformatizate au generat domeniul Computed Aided Engineering-CAE si care se refer nu

numai la simularea asistat de calculator a sistemelor continui sau discrete (caracterizatesisteme de ecuaii difereniale ordinare sau cu diferene finite) ci i la modelarea corpurilocmpurilor (prin tehnici de tip finite element method/finite element analysis sau altele similautilizate n rezolvarea ecuaiilor cu derivate pariale, ntlnite n mecanic, rezisten, mecafluidelor termotehnica etc.


15/53


16/53



16

a) elemente active;b) elemente auxiliare.

Elementele active sunt acelea care acioneaz nemijlocit, asupra semifabricatului de

prelucrat, iar elementele auxiliare servesc la asamblarea i conducerea acestora precum ghidarea semifabricatului n dispozitiv.

n mod obinuit, elementele active ale unui dispozitiv de tanarela rece sunt poansonuli placa activ sau cuitele.

Din grupa elementelor auxiliare fac parte plcile de baz i de cap, plcile de sprijin, plcile portscul pentru pansoane i plci active, coloanele i bucele de ghidare, boluririglele de ghidare a benzii, opritoarele etc.

Materialele utilizate n construcia elementelor componente ale tanelor i matrielorstabilesc n funcie de scopul n care a fost constr uit dispozitivul detanare respectiv i desolicitrile la care vor fi supuse elementele componente ale acestuia.

Materialele destinate confecionrii elementelor active ale dispozitivelor de tan trebuie s aib tenacitate ridicat, rezilien ct mai mare, stabilitate termic i rezisten mauzur.

O condiie deosebit ce trebuie s-o ndeplineasc materialele sculelor tanelor imatrielor de presare la rece este ca dimensiunile acestora s aib variaii minime la tratamtermic.

Poansoanele tanelor de dimensiuni mijlocii, supuse unor solicitri uoare, sconfecioneaz din oel de scule, 1.1730 sau OLC25, cnd forma acestora este simpl i din oelslab aliat OL52, cnd forma lor este complex.

Poansoanele stanelor de dimensiuni mai mari, care necesit o clire n adncime,confecioneaz din oel aliat 1.2379. Plcile active de form simpl ale stanelor se vconfeciona din oel de scule carbon de calitate mai bun,1.1730.Peansoanele i plile active

ale tanelor se trateaztermic la o duritate de 60 ... 62 HRC.Oelurile aliate de scule, comparativ cu oelurile carbon, prezint avantajul unor

proprieti mecanice superioare. Elementele de aliere ale oelului confer sculelor o mai mdurabilitate. Cromul contribuie la mrirea rezistenei materialului la coroziune i a capacitii detiere. Nichelul favorizeaz clirea n adncime a sculei, iar wolframul contribuie la menin


17/53



17

rezistenei sculei, a duritii i capacitii de tiere la temperaturi nalte. Molibdenul mrrezistena la oboseal i duritatea, iar vanadiul mrete rezistena la oc a sculei.

Dup clire, duritatea suprafeelor active ale sculelor confecionare din oel aliat e

similar cu cea a sculelor construite din oel carbon. Ins, sculele confecionate din oel aliaavantajul c deformaiile lor, dup clire, sunt minime i rezistena la uzur este mai mare. Palt parte, tensiunile ce apar n materialul sculelor construite din oel carbon, n timtratamentului termic, sunt mari, putnd provoca deformarea sculei i chiar apariia fisurilor. Dinaceast cauz, oelurile de scule carbon se fclosesc numai pentru confecionarea sculeloform simpl.

Plcile de baz (inferioare) i cele de cap (superioare) ale dispozitivelor de presar e la rece

se confecioneaz din1.1730.Coloanele de ghidare se execut din OLC25 i se trateaz termic (cemen- tare, clire irevenire) la duritatea de 56 ... 60 HRC. Bucele de ghidare a coloanelor se confecioneazOLC15 sau OLC25 i se trateaz termic la duritatea de 52 ... 56 HRC. Plcile de sprijin pescule se confecioneaz din OLC45 i se trateaz termic la duritatea:

3.3 Semifabricatul

de 46 ... 50 HRC. Plcile defixare a, sculelor pe placa de baz sau pe placa de cap se construiesc din OLC45 i se tratetermic la duritatea de 42 ... 45 HRC. Plcile de ghidare a poansoanelor se construiesc din OLsau din OLC45 i se trateaz termic la duritatea 52 ... 55 HRC. Elementele de ghidare a benzdispozitiv (riglele, bolurile i opritoarele) se execut din OLC45 i se trateaz termic la duride 42 ... 45 HRC. Plcile i tijele de eliminare a pieselor sau deeurilor din dispozitivul presare la rece se construiesc din OLC45 i se trateaz termic la duritatea de 45 ... 48 HCepurile de fixare adispozitivelor de: presare la rece de berbecul presei se confecioneaz dOLC45. La nevoie, materialele elementelor dispozitivelor de presare la rece se pot nlocuialtele, echivalente ca proprieti mecanice.

Primul pas din procesul de realizare al unui produs nou este proiectarea i avizarea lui dinpunct de vedere al domeniului de utilizare.A doua etap const n elaborarea procesuluitehnologic de realizare. Urmeaz apoiproces tehnologic. ntimpul elaborriiprocesului


18/53



18

tehnologic design-ul iniial propus poate suferi mici modificri. Faza tehnologic depinde dematerialul piesei. n aceast lucrare se vorbete numai despre piese turnate din aliaje de alum

n fazatehnologic se stabilete reeaua de alimentare, aerisitoare,nclinaiile pe prile

laterale a piesei, etc. Din punct de vedere alturnrii pieselor aceasta faz este esenial pentruumplerea piesei n timpul turnrii. Piesa turnat va avea un plus de material n forma aerisitoare ia unorreele de alimentare, care trebuie ndeprtate (Tabel 1 ). Pentru ndeprtareaacestor plusuri inutile, se folosete tane de debavurat.

1 Datorit faptului c matria de turnarenu se nchide perfect, apar nite bavuri pe piesa turnat.

2 Matria conine nite aerisitaore pentru ca, n timpulprocesului de turnare piesa s poat fiumplut100%.

3 Alimentarea, reeaua cu ajutorul creiamaterialulajunge n prile active ale matriei.

Tabel 1, Prile piesei care trebuie ndeprtate cu presare la rece


19/53


20/53



20

3.4 Modelul CAD a unei tanei de debav urat

Figura 7 prezint modelul 3D al tanei de debavurat, ale crui cuite vor fianalizate.tana a fost proiectatutiliznd pachetul comercial Catia V5R17. Modelul 3D este comple parametrizat n funcie de modelul CAD al piesei; astfel,dac se modific modelul 3D a piesei se poate modifica cu uurin toate tana.

Figura 7, Model CAD a tanei de debavurat

n Figura 8 este ilustratdesenul 2D a tanei n discuie, iar Figura 9 i Figura 10re prezintdesenele 2D, n detaliu, pentru prile de sus i de jos a tanei.

Parteasuperioar

Parteainferioar

Pri pentru prinderea tanein res

Jgheaburi, careasigur c nurmn piesetiate n tan

Elementede ghidare

Suport pies

Cuite

Placa portcuite


21/53



21

Figura 8, Desenul 2D a tanei de debavurat


22/53



22

Figura 9, Desenul 2D a priisuperioarea tanei

Figura 10, Desenul 2D a priiinferioarea tanei


23/53



23

3.5 Tipuri de cuite folosite la tanele de debavurat

Tierea materialul nedorit a pieselor turnate, de diverse dimensiuni, este o operaie

pregtitoare caracterizat prin separarea total a unei pri a semifabricatului de cealalt, forfecare, dup un contur nchis. Operaia de tiere a pieselor turnatesunt executate n diferitefeluri:

a) Tiere cu suport b) Foarfecele cu cuite paralele c) Tiere cu poansoane de tiere Utilizarea unui anumit tip, dintre acestea,se face n funcie de tipul, de forma ide

dimensiunile ce trebuie obinute. Tierea la foarfece, sau cu ajutorul stanelor pe prese[7], se face introducnd piesa

turnat n stan dup care, la coborrea berbecului mainii, acestea acioneaz transversal asuprasemifabricatului respectiv cu o presiune care crete pn la o anumit valoare egal cu rezisala forfecare a materialului. n acel moment, are loc separarea unei pri a semifabricatului decealalt (Figura 11 ).Procesul tierii pieselor cu prinde trei faze succesive dup cum urmeaz:

a) faza elastic n care semifabricatul este comprimat i puin deformat ntre cuiTensiunile i deformaiile din material nu depesc limitele de elasticitate;

b) faza plastic n care deformaiile materialului devin remanente, iar tensiuniledepesc limita de curgere i cresc continuu pn la valoarea maxim corespunztoarerezistenei la forfecarea metalului. n timpul acestei faze, cuitele ptrund n material pe o anumit adncimeh f

c) faza de forfecare n care se formeaz microfisuri, apoi macrofisuri, dup care se produce detaarea unei pri a semifabricatului de cealalt. Fisurile de forfec pornesc de la muchiile tietoare ale cuitelor i se propag n metal pe direcplanelor de alunecare formnd, dac jocul dintre cuite este normal, o suprafacomun de forfecare

(Figura 12 );


24/53



24

Figura 11, Procesul de tiere

Figura 12, Suprafaa piesei obinute

Pe suprafaa piesei obinute prin forfecare (Figura 12 ) se observ dou zone distincte: ofie ngust lucioas, zona a, corespunztoare fazei plastice i o fie mai lat dect primmat, zonab, corespunztoare fazei de forfecare. Limea relativ a fiei lucioase este specifduritii materialului semifabricatului folosit i are valoarea

gh f = 5,0...2,0 (1.1)

Cnd materialul este mai dur, limea relativ a fiei lucioase este mai mic, iar cndmaterialul este mai plastic, limea relativ a fiei lucioase este mai mare.

Analizndu-sematerialul din zona seciunii obinute prin tiere, se constat c proprietile mecanice i structura acestuia s-au modificat caurmare a ecruisrii, generate n procesul de deformare. Grosimea stratului de material ecruisat i structura acestuia depineurmtorii factori:

a) grosimea piesei;b) proprietile mecanice ale materialului piesei;c) starea muchiilor tietoare ale cuitelor; d) valoarea jocului dintre cuite; e) viteza de forfecare.


25/53



25

ntre cuitele foarfecelor se prevede, ntotdeauna, un anumit joc j astfel nct procesul detiere s decurg n bune condiiuni, adic fisurile de forfecare s se propage n material d

planele de alunecare (Figura 13 ). Astfel, mrimea jocului optim dintre cuite se determin curelaia (1.2),

tghg j f = )( (1.2)

Figura 13, Jocul ntre cuitele paralele

Conform cercetrilor experimentale, valoarea unghiului , format de planul de aluneccu direcia de micare a cuitelor, are valoarea

= 6...4 (1.3)

Avnd n vedere valorileunghiului a i valorile adncimii relative de ptrundere acuitului n material, n momentul formrii fisurilor de forfecare (1.2), rezult c jocul opdintre cuite, la operaiile de tiere, are valorile urmtoare:

- pentru materiale moi, j=0,04...0,06- pentru materiale dure, j=0

g; ,06...0,08

n cazul unui joc mare, j0,1g.

g,

La ptrunderea cuitelor n material, pe o anumit adncime, fora de tiereF nu vaaciona n planul muchiei tietoare ci la o anumit distan de aceasta (Figura 11 ), dnd natereunui moment de rsturnareM=Fa, unde a2j. Sub aciunea acestui moment, piesa turnatsupus procesului de tiere are tendina s se roteasc n sensul de micare a cuitelor, s ocu

n special cnd materialul piesei este moale, deformarea plastic este nsoit de ncovoierea i intrarea materialului ntre cuite, iar separarea unei psemifabricatului de cealalt are loc prin rupere i nu prin forfecare.


26/53



26

poziie nclinat i s intre ntre cuite dnd natere, astfel, unei fore lateraleF x

3.6 Tierea cu foarfece cu cuite paralele

de distanare aacestora. De aceea, cuitele trebuie s fie rigide i precis ghidate.

Cuitele de acest tip au forme[7] constructive diverse (Figura 14 ). n mod normal sefolosesc cuite robuste cu unghiul de tiere =90 (Figura 14, a). n acest caz, cuitele au patrumuchii tietoare asigurnd mainii o funcionare ndelungat ntre dou reascuiri, pschimbarea succesiv a poziiei acestora

Figura 14, Tiere cu foarfece cu cuitele paralele,a cuite cu 4 muchii tietoare,b cuite cu o muchie detietoare,c cuite cu 2 muchii tietoare

dup uzarea unei muchii. Aceste cuite au dezavantajul c se uzeaz relativ repede pe suprade aezare. De acest neajuns sunt lipsite cuitele cu o muchie tietoare (Figura 14, b) i cuitele

cu dou muchii tietoare (Figura 14, c). Valorile unghiurilor acestor cuite depind de proprietile mecanice ale materialului semifabricatelor de debitat; cu ct materialul pieturnate va fimai moale cu att unghiul de tiere va fi mai mic i invers, cnd materialul va fi mdur (Tabel 2 ).

Nr.crt.

Materialul semifabricatelor Unghiurile cuitului

1 Oel moale 30'...1,5 5. ..10 80...85

2 Cu, Al 1,5...3 10...15 75...803 Aliaje de magneziu 2.. .3 35...45 45...55

Tabel 2, Valorile unghiilor cuitelor de tiere n raport cu materialul semifabricatelor

Valoarea jocului dintre cuite se stabilete n funcie de duritatea materialuluisemifabricatelor de tiat. n acest scop, se vor folosi relaiile (1.2) i (1.3).


27/53



27

Fora necesar pentru tierea pieselor turnatecu cuite paralele (Figura 11 ) se determinteoretic cu relaia (1.4),

0 = gbF (1.4)

Unde 0 este rezistena de forfecare convenional. Practic ns, datorit uzurii muchiitietoare ale cuitelor, variaiei jocului dintre cuite, calitii diferite a pieselor turnateneuniformitii structurii i ecruisrii materialului n procesul de deformare, condiii de tiermodific i, n consecin, rezistena real de forfecare r va fi mai mare dect rezistena deforfecare convenional. Astfel fora de tiere va fi mai mare dect fora teoretic i secalculat cu relaia

r gbF = (1.5) Unde

0 = k r (1.6)

iar acest coeficient, care ine seama de influena factorilor citai mai sus, are valoarea

3.1...2.1=k (1.7)

n timpul procesului de tiere, fora real nu rmne constant, ci variaz n funcie deadncimea de ptrundere a cuitului n material (Figura 15 ). Valoarea maxim a forei de tierecorespunde momentului apariiei macrofisurilor de forfecare, adic momentului cnd cuit ptruns n material pe adncimeah f . Existena ramurei descendente a curbei forei de tiererezid n frecarea dintre suprafaa de aezare a cuitului mobil i semifabricat.

Figura 15, Fora real n timpul procesului de tiere


28/53



28

Lucrul mecanic consumat n timpul tierii reprezint produsul dintre for i drum parcurs de cuit. Cantitativ, lucrul mecanic este egal cu aria cuprins ntre curba forei de tieabscisa sistemului de referin. Deoarece curba de variaie a forei de tiere se poate stabili nu

experimental i nu analitic, rezult c lucrul mecanic nu poate fi stabilit prin integrare. De aceealucrul mecanic se calculeaz aproximnd aria mrginit de curba forei de tiere i abscisaria unui dreptunghi de dimensiuniFme d ig unde

F F med = (1.8)

Deci, lucrul mecanic la tiereapieselorse determin cu relaia:

1000

gF L

=

(1.9)

undeF este fora maxim de tiere, n daN.Coeficientul , care reprezint raportul dintre fora medie i fora maxim de tiere,

depinde de duritatea i grosimea materialului de tiat i are valorile conformTabel ului 3.Valorile mari ale acestui coeficient corespund tierii materiarelor moi i subiri, iar valorile micicores pund tierii materialelor dure i groase.

g (mm) 4 0,75.. .0,60 0,60... 0,45 0,45...0,30

Tabel 3, Coeficientul n funcie de grosimea materialului

Materialul folosit pentru executarea pieselor prin presare la rece, trebuie s corespunu numai destinaiei i condiiilor de exploatare a pieselor ci i condiiilor tehnologiceprivindcaracterul i gradul de deformare a semifabricatului.

Proprietile tehnologice ale metalelor sunt determinate, n principal, de proprietile

mecanice, iar acestea, la rndul lor, depind compoziia chimic, structura i mrimea gruntratamentul termic aplicat i gradul de ecruisare.


29/53



29

4. Modelul CAD a unui cuit de tiere

Figura 16 reprezintpiesa turnat mpreun cu cuitle de tiere. Se observ c piesa estetiatpe tot conturul ei.Cuitele de tiere alctuiesc o bucl nchis n mprejurul piesei. ncontinuare se va analizacuitul ncercuit n Figura 16.

Figura 16, Modelul CAD a piesei turnate cu cuiele de tiere

Cuitul este proiectat n aa fel nct s fie uor montabil, demontabil precumi uor dereascuit. Cuitul este prinspe placa de port cuite cu trei uruburi i dou tifturi. Cele dou

tifturi interzic micarea cuitului n planul XOY iar uruburile strng cuitul pe placa de cuite, nepermindasfelmicarea.

Cuitul a fost modelat dup conturulmodelului piesei CAD utiliznd CATIA V5R17(Figura 17 ). Analiza cu elemente finite se va face n continuare folosind ANSYS Workben12.0. Pentru importarea geometriei n


30/53



30

Figura 17, Modelul CADa cuitului de tiere

ANSYS, modelul trebuie s fie disponibil ntr -un format universal, precum IGS, STP, etc. nacest caz,modelul cuitului a fost exportat din CATIA n format STP. Modelul 2D alcuituluieste prezentat nAnexa 1. Importarea n ANSYS s-a fcut cu parametriidefinii n Tabel ul 4;acestaconine materialul, dimensiunile, volum, masa i momentele de inerie.

DefinitionSuppressed No

Stiffness Behavior FlexibleCoordinate System Default Coordinate System

Reference Temperature By EnvironmentMaterial

Assignment 1.2379Nonlinear Effects Yes

Length X 64.506 mmLength Y 156.91 mmLength Z 125. mm

PropertiesVolume 9.6241e+005 mmMass 7.5549 kg

Moment of Inertia Ip1 22092 kgmmMoment of Inertia Ip2 11363 kgmmMoment of Inertia Ip3 15631 kgmm

Tabel 4, Caracteristicele modelului CAD importat n ANSYS

Suprafaa de tiere

6 mm adaos, lsat pentru reascuire

Gaur pentru urub

Gaur pentru tift

Conturul piesei


31/53



31

5. Analiza cu elemente finite a unui cuit de tiere

Pentru a ncepe analiza de durabilitate a cuitului de tiere trebuie efectuat mai ntio

analiz de rezisten a cuitului. Analiza se face cu metoda elementelor finite. Aceast meconst n discretizarea unui corp continuu si finit n mai multe elemente finite(FEM - Finiteelement method). Prin discretizarea unei structuri se nelege subnprirea acesteia ntr-un numr oarecare de elemente finite sau reea de puncte de integrare numeric, interconectate pnodurile lor exterioare.

Metoda are o aplicabilitate pe scar larg i se bucur de utilizarea extensiv n zonestructurale, analize termice si fluide. Metoda elementului finit,este formatdin trei fazeprincipale:

a. Pre-procesarea : realizarea modelul solid al sistemului analizat (caracterizat prinform, dimensiuni, caracteristici de material), discretizarea modelului solid elemente finite, aplicarea condi iilor la limit i a ncrcrilor;

b. Procesarea: rezolvareanumeric aecua iilor caracteristice comportrii sistemului iob inerea solu iei;

c. Post-procesarea : vizualizarea rezultatelor n vederea analizei comportrii sistemulu i identificrii zonelor cu solicitri critice.

Avantajele metodei cu elemente finite (FEM Finite Element Model) sunt numeroase iimportante. n cazul conceperii unui design nou se poatemodela i studiacomportamentulstructurii n diverse medii de sarcin, n timp real; prin urmare, n baza rezultatelor obinutesepoate modifica modelul nainte de crearea desenelor finalede execuie. Odat ce este dezvoltatmodelul CAD, aplicnd FEM se poate analiza designul sructurii n detaliu. Utiliznd FEMpoate economisi timp i bani prin reducerea numrului necesar de prototipuri. n cazul u

produs deja existent, la care apar probleme n timpul utilizarii, sau carenecesito mbuntire,acesta poate fi analizat utiliznd FEM n vederea accelerrii procesului de schimbare de desgini, de asemenea, pentru reducerea costurilor de proiectare.

n urmtoarele subcapitole vor fi prezentate fazele analizei FEM pentru cuitul de tiereprezentat n capitolul precedent.


32/53



32

5.1 Faza de pre-proceasre

Obiectivele pre-procesrii sunt: atribuirea proprietilor de material potrivit modelulu dezvoltarea modelului cu elemente finite,aplicarea ncrcrilor i condiiilor la limit.

5.1.1 Definirea materialului cuitului de tiere Dup importarea geomtriei n ANSYS, primul pas estedefinirea parametrilor de material

a cuitului de tiere. Materialul folosit la cuitul respectiv este 1.2379, un aliaj de oel. Compoziia chimic:

C Cr Mo V1.55 0.7012.0 1.00

Tabel 5, Compoziia chimic a materialului

Datorit coninutuluicrescut de Carbonmaterialul are o duritate i rezisten la uzur mrit, dar Carbonul scade soliditatea materialului, devenind casant. Cromul mrete rezistenala coroziune i rezistena la uzur. Molibdenumul mrete rezistena la uzur. Vanadimodific structura grunilor, mrete rezistena la oboseal.

Materialul este livrat cu o duritate de 55 HRC, dar cu tratare termic ajunge la 63 HRC(Figura 18, Figura 19 ).

Figura 18, Diagrama de temperare Figura 19, Temperatura de temperare n raport cuduriratea HRC

Parametri de material setai n ANSYS Workbench; densitatea, limita de curgere, limitade rupere, modulul de elasticitate Young, coeficientul Poisson, pentru materialul 1.2379 sdefinite nTabel ul 6.


33/53



33

Density 7.85e-006 kg mm^-3Compressive Yield Strength 820 MPA

Tensile Yield Strength 820 MPATensile Ultimate Strength 1995 MPA

Young's Modulus 2.e+005 MPAPoisson's Ratio 0.3

Tabel 6, Parametri materialului

Pentru un test laoboseal a piesei, folosind metoda Stress-life, este necesar definirea nANSYS a parametrilor de stress-life a materialului (Tabel 7 ). Prin acetiparametrii se definete variaia tensiuniloir din material cu numr ul de cicluri. Diagrama dinFigura 20 reprezintgraficTabel ul 7.

Alternating Stress MPa Cycles3999 102827 201896 501413 1001069 200441 2000262 10000214 20000138 1.e+005114 2.e+00586.2 1.e+006

Tabel 7, Tensiune alternanta pentru materialul 1.2379Figura 20, Tabel 8 reprezentat grafic

5.1.2 Modelul cu elemente finite al cuitului de tiere

Reeaua de elemente finite a unui model solid subdivide structura n elemen

interconectate prin noduri.n cadrul fazei de pre- procesare se aleg tipurile de elemente finite care vor fi utilizate

se stabilieste repartiia lor pe domeniul discretizat, rezultnd astfel numrul, dimensiuneiforma acestora. Discretizarea se realizeaz n funcie de tipul domeniului geometric(unidimensional, bidimensional sau tridimensional) (Tabel 8 ):


34/53



34

a. elemente finite de tip linie a domenilui unidimensionalb. elemente finite de tip triunghi a domeniilor de tip suprafata; muchiile elementel

finite pot fi linii drepte sau parabole (domeniul bidimensional)

c. elemente finite de tip tetraedru a domeniului tridimensionald. elemente speciale, ca elemente axisimetrice pentru unele situaii la care geomet

materialul i condiiile la limit sunt simetrice n jurul unei axe.Dezvoltarea reelei de elemente finite consum, de obicei, mult timp. Reeaua

elemente finite este dezvoltat direct pe modelul CAD a cuitului (Tabel 8 ):a. wireframe cu puncte i curbe reprezentnd muchiile solidului b. cu suprafee reprezentnd limitele solidului

c.

solid pentru definirea materialului

Dimensiunea Tip Forma elementului Tip de element

1D

Linear

WireframeCadratic

Cubic

2D

Linear

Suprafa Cadratic

Cubic

3D

LinearSolid

Cadratic

Tabel 8, Tipuri de elemente finite

Reeaua de elemente finite este aplicat pe modelul CAD folosind algoritmul dediscretizare liber. Discretizarea liber subdivide automatic modelul n elemente finite. Avantajulacestui proces este rapiditatei adaptarea dimensiunea elementelor finitecu uurinla modelul


35/53



35

respectiv. Dezavantajele ar fi generarea unui model prea mare(care ocup mult spaiu momoria calculatorului) din cauza cruiaprocesarea poate fi lent.

DefaultsPhysics Preference Mechanical

Relevance 0Sizing

Use Advanced SizeFunction Off

Relevance Center FineElement Size 2.0 mm

Initial Size Seed Active AssemblySmoothing MediumTransition Fast

Span Angle Center CoarseMinimum Edge

Length 0.224640 mm

InflationUse Automatic Test

Inflation None

Inflation Option Smooth TransitionTransition Ratio 0.272

Maximum Layers 5Growth Rate 1.2

Inflation Algorithm PreView Advanced

Options No

AdvancedShape Checking Standard Mechanical

Element MidsideNodes Program Controlled

Straight SidedElements No

Number of Retries Default (4)

Rigid Body Behavior DimensionallyReducedMesh Morphing Disabled

StatisticsNodes 138049

Elements 84100Mesh Metric None

Tabel 9, Principalele caracteristici ale modelului meshuit

n Tabel ul 9 sunt definite principalele caracteristici setate n ANSYS pentru calcularemodelului discretizat. Acestea sunt caracteristicifizice, mrimea i precizia elementelor, nr. denoduri i de elemente folosite la mesh.

Reeaua de elemente calculate dup setrile definite nTabel ul 9, aplicat pe modelulCAD a cuitului de tiere, este prezentat nFigura 21.


36/53



36

Figura 21, Modelul meshuit cu elemente finite

5.1.3 Condiiile la limit aplicate pe cuitul de tiere

Cuitul este prins la placa de port cuite cu dou uruburi i dou tifturi, iar cuitele fa bucl nchis n mprejurul piesei. n cazul acestasunt aplicate urmtoarele restrngeridemicare:

a. cele dou pri laterale ale cuitului de tiere, suprafeele care ating cuitele alturate b. partea de jos a cuituluipe suprafaa care este aezat pe placa de port cuite c. gurilepentrutifturi

n Tabelul 10 sunt definite condiiile la limit aplicate pe cuitul de tiere

Displacement este definit pentru restrngerile de micare aplicate pe cele dou pri laterale alcuitului de tiere care i restrng micarea peaxa OY. Displacement 2 este definit pe parteade jos a cuitului, pe suprafaa care este n contact cu placa de port cuite; acesta restrngemicarea cuitului pe OZ. Displacement 3 este aplicat pe gurile tifturilor, care restrmicarea cuitului pe OY i OX.


37/53



37

Object Name Displacement Displacement 2 Displacement 3 State Fully Defined

ScopeScoping Method Geometry Selection

Geometry 2 Faces 2 Faces 2 FacesDefinition

Type DisplacementDefine By Components

Coordinate System Global Coordinate SystemX Component Free 0. mm (ramped)Y Component 0. mm (ramped) Free 0. mm (ramped)Z Component Free 0. mm (ramped) Free

Suppressed NoTabel 10, Parametri restrngerilorde micare

Restrngerile de micare sunt reprezentate grafic nFigura 22.

Figura 22, Restrngeri de micare pe modelul solid


38/53



38

5.1.4 Aplicarea ncrcrilor pe cuitul de tiere

Pe muchiade tiere, marcat cu rou n Figura 23, se aplic o for linearF de 17.500 N, pedirecia axeiOZ (Figura 24) . Principalele setri pentru foraF sunt definite nTabel ul 11.

Figura 23, Fora aplicat pe muchia de tiere a cuitului

Figura 24, Fora aplicat pe muchia de tiere a cuituluieste liniar

Object Name Force (F) Scope

Scoping MethodGeometry 8 Edges

DefinitionType Force

Define By VectorCoordinate System Global Coordinate System

X Component NoY Component NoZ Component Yes

Suppressed NoMagnitude 17500 N (ramped)

Direction ZTabel 11, Fora aplicat pe muchia de tiere a cuitului


39/53



39

5.2 Procesare

n timp ce fazele de pre- procesare i de post-procesare a modelului cu elemente finite

sunt interactive i consumatoare de timp, faza de procesareeste un proces care consumresursele calculatorului.Ecuaiile derivate din faza de pre- procesare sunt asamblate n form dematrice i sunt rezolvate numeric. Procesul de asamblare n matrice nu depinde doar de tipuanaliz (de ex. Static sau dinamic), dar i de tipur i de elemente finite folosite la creareamodelului discretizati proprietile acestora.

Object Name Static Structural(A5)

State Solved

DefinitionPhysics Type StructuralAnalysis Type Static Structural

Solver Target ANSYSMechanicalOptions

EnvironmentTemperature 22. C

Generate Input Only NoTabel 12, Setri referitoare la tipul structurii, fizica

problemei propuse, i mediu

Object Name Analysis Settings State Fully Defined

Step Controls

Number Of Steps 1.Current Step Number 1.Step End Time 1. s

Auto Time Stepping ProgramControlledSolver Controls

Solver Type ProgramControlled

Weak Springs ProgramControlled

Large Deflection Off Inertia Relief Off Nonlinear Controls

Force Convergence ProgramControlled

Moment Convergence ProgramControlledDisplacementConvergence

ProgramControlled

Rotation Convergence ProgramControlled

Line Search ProgramControlledOutput Controls

Calculate Stress YesCalculate Strain Yes

Calculate Results At All Time PointsTabel 13, Setri referitoare laanaliza FEM


40/53



40

n ANSYS Workbench 12.0 trebuie setai parametrii pentru procesarea datelor primite dela pre-procesare. Sunt dou tipuri de parametrii care trebuie s fie definii:

-

Setri referitoare la fizica problemei propuse(Tabel 12 )Aici este definit faptulc ncrcareastructurii este de tipstatic i mediul nconjurtor tipic cu 22C

- Setri referitoare laanaliza FEM (Tabel 13 )Aici sunt definite setrile pentru controlul procesrii.Deoarece modelul i problematica cuitului de tiere sunt destul de simple, toat procesarea este contrautomatic

Soluiile primite din procesare suntprezente nTabel ul 14. Pentru analiza FEM acuitului de tiere sunt necesare soluiile: deformaia total, deformaia direcional (definitOZ) i tensiunile n model n timpul ncrcrii cu foraF. Din Tabel ul 14 reiese faptulcdeformaia maxim este de 0.015 mm, deformaia pe axa OZ este 0.01mm iar tensiunea maximeste de 440.35 MPa. Solu iile ob inute sunt vizualizategrafic cu ajutorul post-procesorului.

Object Name Total Deformation Directional Deformation Equivalent Stress

State SolvedScope

Scoping Method Geometry SelectionGeometry All Bodies

Definition

Type TotalDeformation Directional DeformationEquivalent (von-Mises)

StressBy Time

Display Time LastCalculate Time

History Yes

Orientation Z Axis

Coordinate System Global CoordinateSystemUse Average Yes

ResultsMinimum 0. mm -1.5246e-003 mm 2.7842e-002 MPaMaximum 1.506e-002 mm 1.0044e-002 mm 440.35 MPa

Tabel 14, Principalele reultate ale fazei de procesare


41/53



41

5.3 Post-procesare

Dup ce un model cu elemente finite a fost elaborat i verificat, condiiila limit au fostaplicate, iar calculul numerica fost rezolvat, este timpul pentru a investiga rezultatele.

Post-procesarea este utilizat pentru a crea o reprezentare grafic a rezultatelor primitede la solver, care arat distribuia de tensiuni, deformatii, temperaturi, precum i alte aspectmodelului. Interpretarea acestor rezultatele este cheia pentru a identifica zonele de inte(zonele slabe ntr-un model), zonele cu material rezidual, sau altevaloroase informaii cu privirela alte caracteristici de performanale modelului, care altfel nu ar ficunoscute fr testareafizic a unuiprototip.

Post- procesarea ncepe cu o verificare amnunit a problemelor care ar fi putut ap

loc n timpul calculului. Odat ce soluia este verificat, datele de interes pot fi examinate Numeroase opiuni de afiare sunt disponibile, alegereadepinzndde forma matematic a problemei, precum ide semnificaia sa fizic. Capabilitile de vizualizare dinamic cu animaiii imagini ajut n modconsiderabil lanelegereamodului de deformare al modelului. Setul derezultate selectate este disponibil pentru vizualizare n mai multe feluri:

a. Diagrameb. Chart-uri

c. Textd. Direct pe modelul CAD, n deformaii sau culori

Figura 25 prezint deformaia total pe muchia de tiere, unde a fost aplicat foraF.Legenda de culori prezint vizual deformaiile, unde culoarea roie este deformaia maximalbastru reprezint deformaia minim a solidului. Din figur reiese c deformaia maxim pe muchia unde afost aplicat ncrcarea.


42/53



42

Figura 25, Deformaia total a modelului

Principalele vectori de tensiuni sunt fi afiate cu sgei colorate care indc mrimeadirecia vectorilor (Figura 26 ).

Figura 26, Deformarea total reprezentat cu sgei


43/53



43

Tensiunea n model ntimpul ncrcrii este prezentat grafic nFigura 27. Legenda deculori indic tensiunile maxime si minime. Din imagine reies c pe dealungul muchiei, upiesaeste solicitat direct, are o tensiune ntre 150 i250 de MPa. Tensiunile maxime sunt pe

cele dou margini ale muchiei tietoare, unde modelul estecel mai sensibil din punct de vedere adesignului.

Figura 27, Tensiunea von-Mises

6. Analiza durabil itii a unui cuit de tiere

6.1 Elemente generale

Oboseala materialului conduce la cedarea lacestuia din cauza sarcinilor repeta[4]. Aceste sarcini aplicate individual n unele cazuri poate nu ar duce la cedare,. Componenns se defecteazdin cauza aplicarii unor sarcini repetate. Astfel, n primele faze de proiectarconsiderarea distrugerii la oboseala este fundamental pentru prevenirea eecurilor accidentale.

n ANSYS Workbenchfuncia de durabilitate permite s prezicoboseala n primele fazede proiectare, prin integrarea analizei de oboseal ntr-un proces de durabilitate la nivelul

4:1


44/53



44

sistemului. Acest proces include un ciclu complet, de la prezicerea sarcinii la prezicerea probleme cuoboseal local.

Atingerea performanelor necesare acomponentelor funcionale i a structurilor complete

este o etap esenial n procesul de dezvoltare.Prin urmare,modelarea isimularea CAE bazat pe proprietile de inginerie cum ar fi zgomotul, vibraiile, manipulare, confortul si durabilitate nprimele faze de proiectare ajut la mbuntirea procesului de dezvoltare, i reduce testafizic necesar pentru un produs final ideal.

Pentru obinerea unor rezultate expresive de durabilitate, trebuie s fie luatn considerare ntregul proces ce conduce la oboseala unei componente (Figura 28 ).

Design

Physicalprototype

Load dataanalysis

testschedule

Physicalrig test

Fail

OK

Fatigue lifeprediction

FE

Virtualtest rig

Loads

prediction

Virtualprototype

OK

Fail

Figura 28, Etapele testrii de oboseal

n mod tradiional ingineria durabilitiia fost bazat pe teste. Prin urmare, prototipurilea trebuits fie disponibile nainte delansarea testului. Teste de durabilitate au fost efectuatefolosind un sistem completcu ncrcare real. Acet aspect presupune, pe de o parte, foarte untimp ndelungat de relizare iar, pe de oalt parte, poate fi periculos. Pentru aceasta, constructoriide automobile auinceput s construieascpiste de testare speciale, astfel nct testele ar putea fi


45/53



45

efectuate mult mai rapid, fr a afecta sigurana public.De asemenea, la folosirea unei piste detestare este nevoie de un vehicul complet, nainte de a putea ncepe testarea. Folosind dispozitiv de testare, se poate aplica direct sarcini la componente separate.

Pentru ndeplinirea testului de durabilitate este esenial ca piesa s aib sarcini corecteaceea pentru msurarea unui prototip al componentei, este necesar i sistemulcomplet.ncrcarea din urm, poate s fie simulat prin intermediul unor proceduri de teststandardizate.

Aceste teste sunt fcute ntr -o faz maitrzie a procesului de proiectare, dar ce este defcut n cazul n carepiesa nu reuete s treac testul de durabilitate. n principiu, trebuie nceput ntregul proces de proiectare din nou.

Prin urmare, simularea n primele faze ale procesului de proiectare poate nlocui uneteste, dar poate s fie utilizatpentru a defini sarcinile pentru test.Se poate simula sarcini tiindtopologia pistei de ncercare sau prin msurtori de la alte vehicule i se poate recalcula n corect sarcinile pe urmtoarea generaie de design.

Este important sse menioneze faptulc ntregul lan de proces trebuie s fie luat nconsiderare pentru a ajunge la rezultate valoroase n baza unei analize numerice durabilitate.Aceste rezultate trebuie sajute inginerul mai mult dect rezultatele binare cum arfi:

Este piesa bun pentru un test fizic?Celmai important rezultat este de a ti:

Cum se poate mbuntii designul, Reducerea greutii,sauconservarea durabilitii? Reducerea condiiile de ncrcare locale care pot duce la problem de durabilitate?

Analiza de durabitate va fi folosit prima datpentru: Identificarea regiunilor critice.

Aceastaoferinformaii despre cazul la care proiectul poate necesita modificri.Regiunea poates fie critic, datorit:

Tensiunilor locale care sunt induse geometric de muchiileascuite, etc. n acestcaz, modificrile locale geometrice (care pot fi automatizate prin metode de optimiz pe baza rezultatelor de durabilitate) pot fi aplicate direct pentru a mbunti performana.


46/53



46

O analiz mai detaliat poate fi utilizatpentru a identificarea efectului sarcini aplicate pemodel.

Care sarcini sunt importante pentru care regiune critic? Care evenimente afecteazn special proiectul?

Rspunsurile la aceste ntrebri permitinginerilor s dezvolte modele care pot fioptimizate n regiunile critice.

6.2 Procesul de simulare

Oboseala unui model este un process complex. Variabilele care influeneaz cel mai m procesul sunt urmtoarele:

ncrcarea Duritatea structurii definit prin

Material Geometrie/Design

Toate aceste trei au o influen mare asupraobosealiicomponenei. (Figura 29 )

Geometria Material ncrcri

Mesh

Analiza de tensiuni

AnalizStress-life / Strain-life

Rezultatede durabilitate

Figura 29, Procesul de simulare


47/53



47

6.3 Tipuri de analize de durabilitate

Cedarea materialului estedatorat ncrcrii ciclice repetate.Pentru metale, acest lucru deobiceinseamn iniierea unor mici fisuri pe suprafaa liber a unui exemplar, componente, saustructur, caretransforma mai apoi n fisuri mari,ce provoacruperea unei componente.

Pentru cele mai multe maini i vehicule, durata de timp pn la iniierea de microfisurieste, de obicei, mult mai mare dect durata de timpnecesarpentru ca microfisurile sdevin macrofisuri.Aceasta nseamn c durata de via util a pieselor poate s fie aproape la feldurata de timp ct este nevoie pentru iniiera fisurilor. Dou abordri de bazau fost elaborate pentru a estima durata de via a componentelor:

Metoda stress-life Metoda strain-life

Op iunea pentru un anumit mod de abordare n cazul analizei la oboseal depinde modul de cedare a structurii.Ca o regul simpl, stress-life este adecvat pentru domenii deobosealhigh-cycle, n timp ce strain-life n este adecvat pentru domenii de oboseallow-cycle.ns, din punct de vedere a aplicabilitii, exist un criteriu mai important, i anumeexperiena.

6.4 Analiza de durabilitate a cu itului de tiere

n cazul cuitului de tiere pentru determinarea durata ei de via se folosete metodaStress-life. Motivele pentru care se folosete aceast metod sunt:

- Principala cauz a cedarii piesei este aplicarea ciclic de ncrcri pe aceasta - Sunt prezente condiii de oboseal de High-cycle

- Un numr mare de cicluri pn oboseala materialului - Deformarea plastica materialului este relativmic

ANSYS Workbench folosete, pentru calcularea durabilitii, parametrii setaila faza depre-proceasre n analiza FEM.Setrile pentru analiza de durabilitate sunt definite nTabel ul 15.Fizica problemei cuitului de tiere este simpl, berbecul presei mic partea de sus a tantotodat cuitele cu foraF, liniar, cu o amplitudine constant. Deaceea se seteaz o ciclicitate pulsativ, cu amplitudine constant(Zero-Based) (Figura 30 ).


48/53



48

Object Name stress life State Solved

MaterialsFatigue Strength Factor (Kf) 1.

LoadingType Zero-Based

Scale Factor 1.Definition

Display Time End TimeOptions

Analysis Type Stress LifeMean Stress Theory Goodman

Stress Component Signed Von MisesLife Units

Units Name cycles1 cycle is equal to 1. cycles

Tabel 15, Parametri setate pentru procesarea durabilitii

Figura 30, ncrcri cu amplitudine constant

Pentru a analiz mai detailat se aplic corecia de tensiune medie dup teoria Goodm

(Figura 31

).


49/53



49

Figura 31, Tensiunea medie calculat cu metoda Goodman

Rezultatele obinute sunt afiate n Tabelul16. Cele mai importante valori din acest tabelsunt legate durata de via a piesei i factorul de sigutan. Din tabel reiese c viaa minim cuitului de tiere este de 18.144 cicluri. Factorul de siguran arat zonele cuitului care cedeaznainte de durata de via impus. n cazul prezent, durata de via impus este de 1.000.000.000de cicluri, deci dac sunt zone ale cuitului care cedeaz la 18.000 de cicluri atunci scade facrulde siguran.Locurile undefactorul de siguranscade sub cota 1, trebuie reevaluate din punct e

vedere a designului.Object Name Life Damage Safety Factor Equivalent Alternating Stress

State SolvedScope

Scoping Method Geometry SelectionGeometry All Bodies

DefinitionType Life Damage Safety Factor Equivalent Alternating Stress

IdentifierDesign Life 1.e+009 cycles

ResultsMinimum 18144 cycles 0.39151 1.3921e-002 MPaMaximum 55115 220.17 MPa

Tabel 16, Rezultatele analizei Stress-life

Durata de via i factorul de siguran este reprezentat grafic nFigura 32 , respectivFigura 33 .


50/53


51/53



51

n cadrul analizei de durabilitate a cuitului se mai face o analizcu foreiF aplicatpemuchia de tiere. Analiza se numete sensitivitate la oboseal (Tabel 17 ), adic, n cazul curent,se aplic o for mai mare cu 30% i o for mai mic cu 30% fa de fora aplicat. Diagra

acestei analize estereprezentat peFigura 34.

Object NameFatigue Sensitivity State SolvedScope

Geometry All BodiesDefinition

Sensitivity For LifeOptions

Lower Variation 70. %Upper Variation 130. %Number of Fill Points 25Chart Viewing Style Linear

Tabel 17, Sensitivitatea ncrcrilor la viaa produsului

Figura 34, Sensitivitatea ncrcrilor la viaa produsului30%Din Figura 34 reiese c, n cazul unei fore mai mar i cu 30% durabilitata produsului

scade la 7.610 de cicluri, iar n cazul unei fore mai mici viaa la oboseal cretela 66.700 decicluri.


52/53


53/53


53

8. Bibliografie

[1] O.C. Zienkiewicz, CBE, FRS,The Finite Element Method: Its Basis and Fundamentals 6th , Ed. Elsevier Oxford 2005;

[2] Y. Nakasone, S. Yoshimoto, Engineering Analysis with Ansys Software , Ed. ElsevierOxford 2006;

[3] Y. Lee, J. Pan, R. Hathaway, M. Barkey,Fatigue Testing and Analysis (Theory and Practice) , Ed. Elsevier Oxford 2005;

[4] LMS VL Rev 8A-SL1 Help, Durability;

[5] Ansys 12.0 Workbench Help,Fatigue Analysis;

[6] V.P. Romanovski, ndrum tor pentru presarea la rece , Ed. TehnicBucuresti 1957

[7] C. Iliescu,Tehnologia tanrii i matri rii la rece , Ed Didactic i Pedagogic Bucureti 1977

[8] S. Timoshenko,Strength of Materials , Ed D. Van Nostrand Co New York 1940

Master Thesis Kovacs Mihaly

Documents

Transcript of Master Thesis Kovacs Mihaly