Rut

17th INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND TECHNICAL CONFERENCE “DESIGN AND TECHNOLOGY OF DRAWPIECES AND DIE STAMPINGS” Poznań Poznań-Wą -Wą sowo, sowo, 22-24 September 2008

Prof. dr in Ŝ. Tadeusz Tadeusz Rut, Rut, dr in Ŝ. Wojciech Walczyk Instytut Obróbki Plastycznej, Pozna ń

KUCIE METODĄ TR WAŁÓW KORBOWYCH WYSOKOPRĘśNYCH SILNIKÓW ŚREDNIOI WOLNOOBROTOWYCH * TR-method of forging crankshafts for mediumand slow-speed marine Diesel engines Streszczenie Na tle znanych metod kucia wałów korbowych pokazano zalety metody TR. Zaprezentowano ulepszony sposób kucia wałów jednolitych o wykorbieniach z wysokimi występami ramion od strony czopa głównego. Przedstawiono nowy sposób kucia wykorbień pojedynczych. UmoŜliwia on kształtowanie wykorbień nowej konstrukcji na prasach kuźniczych o mniejszym nacisku. Nowy sposób kucia zapewnia prawidłowy przebieg włókien oraz duŜą dokładność odkuwek przy równoczesnym uniezaleŜnieniu się od czynnika ludzkiego. Dzięki minimalnym wypływkom uzyskuje się znaczne oszczędności stali oraz znacznie zmniejsza się koszt obróbki skrawaniem. Zarówno sposób jak i urzą dzenie dzenie do kucia pojedynczych wykorbień wałów półskładanych jest przedmiotem patentu (PL 171075).

Abstract The advantages of the TR-method as compared to the known methods have been shown. The improved TR-method applied to forging crankshafts with high protrusions on crank arms adjacent to main bearing journal was presented. The paper presents an improved way of forging single crank throws. It enables forming new design crank throws to be effected on forging presses with smaller capacity. The new way ensures correct grain flow and high accuracy of forgings with less influence of the human factor. Due to minimum flashes, significant amounts of steel can be saved (possibility to use smaller ingots) and the machining cost can be reduced. Both the method and the device for forging single crank throws are the subject of patent PL 171075.

Słowa kluczowe: kucie, metoda TR, wały korbowe, wykorbienia pojedyncze, urzą dzenia dzenia kuźnicze Key words: forging, TR method, crankshafts, single crank throw, forging devices *

Zarówno konstrukcje przyrzą dów dów i urzą dze dzeń jak i nowe sposoby kucia są przedmiotem ochrony patentowej w kraju i za granicą . Autorem wynalazku jest Tadeusz Rut.

T. Rut, W. Walczyk

134

WSTĘP Dawno znany proces sp ęczania z równoczesnym wyginaniem dopiero w latach powojennych znalazł szersze zastosowanie w produkcji wałów korbowych. Francuz R.M. Roederer pierwszy wykorzystał spęczanie z równoczesnym wyginaniem do kucia ci ęŜkich wałów korbowych (rys. 1 i 2). Opracowana przez niego metoda kucia została nazwana Metod ą RR. W Stanach Zjednoczonych Ameryki Północnej w zakładach National Forge Co., Irvine w Pensylwanii, przyjmuj ą c schemat sp ęczania z równoczesnym wyginaniem, opracowano i wykonano pras ę poziomą o podwójnym działaniu do kucia wałów korbowych (rys. (r ys. 3). Zachodnioniemiecka firma Schloemann opracowała urz ą dzenia dzenia do kucia wałów korbowych ró Ŝnią ce ce się od uprzednio wymienianych tym, Ŝe nie wykorzystano w nich procesu sp ęczania z równoczesnym wyginaniem. Wykorbienie kształtowało si ę przez prasowanie w trzech kolejnych operacjach. Metoda ta nie jest obecnie stosowana. W Instytucie Obróbki Plastycznej w Poznaniu opracowano now ą oryginalną metodę kucia wałów korbowych, opart ą na procesie sp ęczania z równoczesnym wyginaniem (rys. 4).

1. KUCIE WAŁÓW KORBOWYCH METOD Ą RR Proces kucia wałów korbowych metod ą RR opracowany został przez M. Roederera i stosowany przez wiele lat w zakładzie de SaintChamond (Loire). W tej metodzie materiałem wyj ściowym do kucia wału korbowego jest pr ęt kuty i toczony. Wykorbienia kształtowane s ą przy ąta zachowaniu dokładnego k ą t a ich rozstawienia. Metoda mo Ŝe być stosowana do dowolnych rodzajów wałów korbowych o dowolnej liczbie wykorbień, przy zachowaniu warunku, Ŝe za ka Ŝdym wykorbieniem znajduje si ę czop łoŜyskowy. Wykorbienie wykonuje si ę w jednym ruchu suwaka prasy. Rys. 1 przedstawia zasad ę kształtowania jednego wykorbienia. Odcinek pr ęta zamocowany jest w trzech miejscach (rys. 1a). W czasie sp ęczania wstępnego (rys. 1b) na dwu swobodnych odcinkach pr ęta powstają zgrubienia. Nast ępnie, przez wykonanie złoŜonego ruchu narz ędzi, dają cego cego w efekcie sp ęczanie z jednoczesnym wyginaniem (rys. (r ys. 1c), czop korbowy zostaje przesuni ęty o promień wykorbienia. W wyniku uło Ŝenia się części osiowej pr ęta, w której występuje skupienie zanieczyszcze ń, w środkach przekrojów czopów

Kucie metod ą TR wałów korbowych wysokopr ęŜ nych ...

135

i ramion wykorbienia, uzyskuje si ę zwiększenie wytrzymałości wału korbowego. Poza tym, zachowana jest ci ą głość włókien na całej długo ści wału. a/

b/

c/

Rys. 1. Schemat przebiegu kształtowania wykorbienia metodą RR Fig. 1. Pattern of a crankshaft forming by RR- method

Urzą dzenie do kucia wałów nap ędzane jest przez ku źniczą prasę hydrauliczną . Na stole prasy (rys. 2) ustawiona jest dolna płyta, stanowią ca podstawę urzą dzenia. Głowica 2 słu Ŝy jako prowadnica dla dwóch korpusów matrycowych 1. W korpusach tych zamocowane s ą dolne połówki matryc 3, słu Ŝą ce do zaci śnięcia czopów ło Ŝyskowych kutego wału korbowego. W jednej z nich znajduje si ę równieŜ wkładka ustalają ca, w której mocuje si ę odkute wykorbienie i ustawia k ąt skręcenia kolejnego wykorbienia. Uko śne prowadnice korpusów matrycowych współpracuj ą z odpowiednimi prowadnicami głowicy zamocowanej do ruchomej poprzeczki prasy. Nacisk prowadnic głowicy

Rys. 2. Schemat urzą dzenia do kucia wałów metod ą RR Fig. 2. Pattern of a forging device for RR-method

136

T. Rut, W. Walczyk

na odpowiednie prowadnice korpusów matrycowych powoduje przesuw tych korpusów w kierunku do środkowym. Do głowicy podwieszone s ą górne połówki matryc, przy czym zaciskanie tych matryc odbywa si ę za pomocą dodatkowych siłowników hydraulicznych 5. W środku płyty dolnej wbudowany jest hydrauliczny siłownik 8 stanowi ą cy całość z kowadłem 7. Wykrój w kowadle obejmuje doln ą połowę czopa korbowego. Skok siłownika 8 mo Ŝe być kaŜdorazowo regulowany na odpowiedni promień wykorbienia. Górna połowa czopa korbowego kształtowana jest przez wyginak 6 umocowany poprzez siłownik hydraulicznego 11 w głowicy 2. Skok siłownika 11 mo Ŝe być regulowany w zaleŜności od wielkości wymaganego sp ęcznia wstępnego. Wówczas, gdy suwak prasy schodzi do stołu i rozpoczyna sp ęczanie wst ępne (rys. 1b), tłok z wyginakiem 6 cofa si ę w głą b siłownika 11. Operacja spęczania wst ępnego kończy się z chwilą gdy wyginak oprze si ę o zderzaki. Od tej chwili nast ępuje proces kucia wykorbienia (rys. 1c). Demontują c z urzą dzenia wyginak i kowadło oraz zakładaj ą c odpowiednie wkładki matrycowe mo Ŝna kuć na wałach kołnierze i inne odsadzenia. W urzą dzeniu (rys. 2) stosowanym w Saint-Chamond mo Ŝna było kuć wały korbowe do wielkości promienia wykorbienia około 300 mm i cięŜarze do 10 T. Natomiast samo urz ą dzenie waŜyło 130 T. Miało 11 cylindrów hydraulicznych. Opisane urz ą dzenie do kucia przypomina skomplikowaną wielocylindrową prasę hydrauliczną , którą montuje się w inną prasę hydrauliczną . Ze wzgl ędu na to, Ŝe przy Metodzie RR ramiona wykorbień otrzymują przekrój eliptyczny, najbardziej ekonomicznie wykonuje si ę tą metodą wały korbowe z ramionami korb o tym właśnie kształcie. Metoda RR stosowana jest obecnie jedynie w Zakładach Kobe Steel w Japopnii.

2. KUCIE

WAŁÓW KORBOWYCH METODĄ SPĘCZANIA Z RÓWNOCZESNYM WYGINANIEM NA PRASIE SPECJALNEJ W ZAKŁADACH ELLWOOD NATIONAL FORGE COMPANY

W USA, w Ellwood National Forge Co., Irvine, stosuje si ę odmienny sposób kucia wałów korbowych. Kucie odbywa si ę w urzą dzeniu hydraulicznym (rys. 3), składają cym się z dwóch pras podwójnego działania, ustawionych pod k ą tem prostym względem siebie, zsynchronizowanych w działaniu. Wi ększa z nich jest pras ą czterokolumnową o nacisku 4000 T, mniejsza natomiast jest konstrukcji


137

ramowej o ceowym kształcie kadłuba i nacisku do 2200 T. Prasa czterokolumnowa ma cylindry umieszczone naprzeciw siebie. Z jednej strony znajduje się jeden cylinder wi ększy 1, z drugiej natomiast dwa mniejsze bliźniacze 2. Nastawialny zderzak 3 o skoku 6,7 m jest umieszczony między cylindrami bliźniaczymi. Urzą dzenie 4 słuŜą ce do ustalenia połoŜenia obrabianego pr ęta znajduje si ę w kadłubie cylindra głównego. Mniejsza prasa ma dwa cylindry 5 z uchwytami zaciskaj ą cymi o sile 1000 T ka Ŝdy, słuŜą cymi do odsadzania (wyginania) wykorbienia oraz cylinder o sile 400 T do podpierania wału podczas kształtowania wykorbienia. Głównym zadaniem prasy czterokolumnowej jest sp ęczanie materiału. Mniejsza prasa słu Ŝy do kształtowania wykorbienia. Średnicę materiału dobiera się w zaleŜności od czopa korbowego przyjmują c, Ŝe średnice czopów głównych na skutek sp ęczania wzrosn ą o 15%. Naddatek na obróbk ę wynosi ć około 10 mm na czopach oraz 7 mm na ramionach wykorbie ń. Dla wałów wykonanych tą metodą cięŜar materiału wyjściowego jest tylko o 20% wi ększy od ci ęŜaru gotowego wału. Obwód wykorbienia kształtowany jest na tyle dokładnie, Ŝe moŜe pozostać nieobrobiony. Normalna kolejno ść operacji jest nast ępują ca: spęczanie kołnierza, kolejne kształtowanie wykorbie ń i wykonanie odsadzenia. Dzi ęki moŜliwości płynnej regulacji stosunku drogi sp ęczania

Rys. 3. Schemat urzą dzenia do kucia wałów korbowych w Ellwood National Forge Fig. 3. Diagram of forging crankshaft device in Ellwood National Forge

do drogi wyginania mo Ŝliwe jest dowolne ustawienie procesu kucia wykorbienia: spęczanie i wyginanie mo Ŝe odbywać się równocześnie lub w dowolnej kolejności. Operacja kształtowania jednego wykorbienia

138

T. Rut, W. Walczyk

wału sześciokorbowego wraz z przeniesieniem materiału z pieca i wyjęciem gotowej odkuwki z prasy trwa około 4 minuty. Warto wspomnieć, Ŝe w firmie stosują cej opisany proces kucia, materiał wyjściowy nagrzewa si ę indukcyjnie normalną częstotliwością prą du 60 Hz. Czas grzania pr ętów o średnicy 330 wynosi do 45 minut.

3. KUCIE WAŁÓW KORBOWYCH METOD Ą TR Wobec wad tradycyjnych metod kucia swobodnego wałów korbowych tak Ŝe w Polsce zaszła potrzeba wprowadzenia nowej, bardziej post ępowej technologii kucia tych wałów. W roku 1961 podj ęto rozmowy handlowe z francusk ą firmą Compagnie des Ateliers et Forges de la Loire, celem zakupu licencji oraz urz ą dzenia do kucia wałów korbowych metodą RR. Po uzyskaniu oferty okazało si ę, Ŝe przeznaczona do tego celu hydrauliczna prasa ku źnicza o nacisku 20 MN ma zbyt mał ą przestrzeń zabudowy. W tej sytuacji podj ęto opracowanie innej metody kucia i konstrukcji odpowiedniego urz ą dzenia. Tak ą nową metodę kucia, nazwan ą metodą TR, opracowano w Instytucie Obróbki Plastycznej w Poznaniu. Postanowiono przy tym unikn ąć głównych wad Metody RR, a mianowicie: skomplikowanego urz ą dzenia do sp ęczania, wyposa Ŝonego dodatkowo w układ hydrauliczny wysokiego ci śnienia, konieczno ści stosowania dociskaczy hydraulicznych, dodatkowego pokonywania przez prasę oporów zaciskania wkładek matrycowych na pr ęcie i oporów mocowania czopa korbowego w wyginaku zamkni ętym, a tak Ŝe znacznych oporów tarcia na uko śnych prowadnicach. Urz ą dzenie RR cechuje stosunkowo mały współczynnik wykorzystania nacisku prasy; przy znacznym zapotrzebowaniu jej przestrzeni roboczej. W metodzie TR istotnie uniknięto komplikacji Metody RR, gdy Ŝ przyjęto zupełnie odmienny układ kinematyczny urz ą dzenia do spęczania i zastosowano wyginak o kształcie widełkowym. Cechą charakterystyczną procesów kucia metod ą TR jest to, Ŝe pionowy skok roboczy prasy generuje zarówno poziom ą jak i pionową siłę dzięki czemu uzyskujemy równoczesne zaciskanie materiału wyjściowego, a nast ępnie jego gi ęcie i spęczanie. Poszczególne fazy kucia wałów metodą TR przedstawiono w sposób uproszczony na trzech diagramach (rys. 4.):


−

−

−

139

diagram „a” przedstawia stan pocz ą tkowy, w którym materiał wyjściowy w postaci podgrzanego do temperatury kucia pr ęta umieszczono w narz ędziach, diagram „b” przedstawia faz ę pośrednią kucia, w której ruch pionowy suwaka prasy spowodował równocze śnie taki sam ruch wyginaka wyginaj ą cego materiał wyjściowy oraz ruch poziomy obudów bocznych narz ędzi kształtują cych spęczaniem ramię wykorbienia, diagram „c” przedstawia ko ńcowe stadium formowania. Poprzeczka prasy znajduje si ę w dolnym poło Ŝeniu, a boczne narz ędzia kształtują ce maksymalnie blisko siebie. Wykorbienie kształtuje si ę wskutek spęczania dwustronnego z równoczesnym wyginaniem środkowej części spęczanego odcinka pr ęta. Strzałka ugięcia w końcowej fazie kształtowania jest równa promieniowi wykorbienia. Wygięcie wywołane jest ruchem, sztywno zamocowanego do górnej poprzeczki urz ą dzenia, wyginaka widełkowego w kierunku prostopadłym do osi pr ęta. Wykorbienie wału korbowego jest w pełni uformowane; wyginak z kowadłem ukształtowały czop, a boczne narz ędzia ramiona wykorbienia. a/

b/

c/

Rys. 4. Fazy kucia wałów Metod ą TR Fig. 4. Pattern of a crankshaft forming

Na rys. 5. przedstawiono schemat podstawowego urz ą dzenia do realizacji powyŜszego procesu kucia. Schemat pokazuje jak pionowy ruch poprzeczki prasy jest wykorzystany do kształtowania wykorbienia wału korbowego z pomoc ą wyginaka, kowadła i zbli Ŝają cych si ę do siebie

140

T. Rut, W. Walczyk

(zamykaj ą cych się) bocznych narz ędzi kształtują cych. PowyŜej szkicu urzą dzenia, po lewej i prawej stronie, znajduj ą się wykresy rozkładu sił obrazują ce stosunek poziomej siły sp ęczaj ą cej do pionowego nacisku prasy odpowiednio na pocz ą tku i na końcu procesu kucia. Urz ą dzenie zostało przedstawiono w dwóch pozycjach: w pozycji pocz ą tkowej (w pełni otwarte – po lewej stronie osi) oraz w pozycji ko ńcowej (w pełni zamknięte – po prawej stronie osi). Dzi ęki zastosowaniu układu d źwigni kolanowych (1) stało si ę moŜliwym uzyskanie tak po Ŝą danego rozkładu nacisku prasy w urz ą dzeniu na dwie składowe. Sił ę pionową Pv wykorzystuje si ę do zaci śnięcia pręta wyjściowego 5 o przekroju kołowym między górną (3) i dolną (6) obudową narzędzi. Składowa pozioma Ph pokonuje opór sp ęczania pr ęta. Połą czenie wpustowe górnej z dolną obudow ą narzędzi zapewnia ich równoczesny przesuw poziomy w czasie ruchu roboczego.

Rys. 5. Schemat urzą dzenia do kucia wałów metod ą TR Fig. 5. Pattern of a forging device for TR-method

Konstrukcja zapewnia wzrost siły P h w miarę zmniejszania się k ąt a α pochylenia dźwigni kolanowej. Taki rozkład sił jest korzystny ze wzgl ędu na wzrost oporu sp ęczania w miarę zwiększania się powierzchni przekroju poprzecznego sp ęczanego pr ęta. W pocz ą tkowej fazie kucia siła wywierana przez d źwignie kolanowe jest głównie pionowa z mał ą składową poziomą . Powoduje ona głównie wyginanie kształtowanego pręta (diagram „b”) z równoczesnym podawaniem materiału zaci śniętego we wkładkach narz ędziowych zamocowanych w obudowach narz ędzi. Kształtowanie wykorbienia odbywa si ę przez dwustronne sp ęczanie z równoczesnym wyginaniem środkowej części spęczanego odcinka


141

pręta. Przy dalszym ruchu suwaka prasy w dół k ą t α pochylenia dźwigni kolanowych maleje, co powoduje wzrost składowej poziomej jak pokazano na górnym prawym wykresie rozkładu sił. Ramiona wykorbienia są teraz intensywnie kształtowane składow ą poziomą Ph rosną cą , w miarę zmniejszania się k ąt a α, szybciej ni Ŝ opór plastyczny kształtowania, aŜ do ostatecznego ukształtowania wykorbienia (diagram „c”). Po ukształtowaniu wykorbienia poprzeczka prasy podnosi si ę otwierają c narzędzia, a nast ępnie po wymianie wkładek kierunkowych i przesunięciu materiału wyjściowego kute jest nast ępne wykorbienie. Urzą dzenie moŜe być wyposaŜone w mechanizmy pomocnicze np. do podawania podkładek dystansowych. Wymiana narz ędzi w urzą dzeniu TR jest łatwa i szybka. Charakterystyczn ą cechą metody TR jest to, Ŝe moŜe być stosowana przy współpracy z praktycznie ka Ŝdym typem istnieją cych pras. Dotychczas wykonano urz ą dzenia wraz z oprzyrzą dowaniem na prasy o nacisku od 15 do 80 MN.

6. ULEPSZONA METODA TR KUCIA WAŁÓW KORBOWYCH Poszukiwanie nowych rozwi ą zań ulepszają cych sposób kucia tak duŜych i cięŜkich elementów jak wały korbowe dla silników wysokopr ęŜnych i kompresorów jest w Instytucie Obróbki Plastycznej nadal kontynuowane. Szczególny nacisk poło Ŝono na ulepszanie Metody TR pod k ąt em stosowania jej na du Ŝ ych standardowych prasach kuźniczych zarówno mechanicznych jak i hydraulicznych. Wy Ŝej opisana stara technologia TR wykazuje pewne niedogodno ści w przypadku kucia wałów z wysokimi wyst ępami na ramionach wykorbie ń od strony czopów łoŜysk głównych. Odkucie ramion tego typu wymaga specjalnie przygotowanego materiału wyj ściowego z podtoczeniami w miejscu czopów głównych o stosownej do wielko ści występów głębokości. Obróbka mechaniczna tego typu materiału wyj ściowego jest czasochłonna i kosztowna. Poza tym wytrzymało ść zmęczeniowa wału odkutego z tak przygotowanego materiału wyj ściowego jest mniejsza z powodu przeci ęcia włókien podczas obróbki mechanicznej. Celem nowej modyfikacji metody jest umo Ŝliwienie kształtowania ramion wykorbień o dowolnym kształcie bez konieczno ści przygotowywania specjalnie obrabianego materiału wyj ściowego. Potrzebna obj ętość materiału dla kaŜdego ramienia wykorbienia jest zapewniona dzi ęki zastosowaniu niesymetrycznego sp ęczania wst ępnego

142

T. Rut, W. Walczyk

(wstępne gromadzenie materiału) materiału wyj ściowego podczas pierwszej fazy kucia wykorbienia jak to pokazano na r ys. 6b. Nagromadzenie materiału we właściwej strefie (rys. 6b.) uzyskuje si ę z pomocą przedkowadła mocowanego na kowadle oraz wyst ępów na wyginaku. W nast ępnej fazie kucia wykorbienia, po usuni ęciu przedkowadła, nast ępuje kształtowanie wykorbienia sp ęczaniem z równoczesnym wyginaniem. Prawidłowe nagromadzenie materiału z pomocą przedkowadła umoŜliwia uniknięcie wypływki (jako nadmiaru materiału) w dolnej części ramienia wykorbienia. Oszczędność materiału zwią zana z zastosowaniem nowej technologii kucia zaleŜy od kształtu ramienia wykorbienia. W przypadku wału korbowego typu Wartsila R20 si ęga ona 30% (wzi ęto pod uwagę tylko objętość wykorbień). W przypadku wału typu V32 oszcz ędność wyniosła około 20%. Średnio oszcz ędność materiału zwią zana z zastosowaniem nowej technologii wynosi minimum 10%, co znacznie obni Ŝa koszt przygotowania materiału wyj ściowego. a/

b/

c/

Rys. 6. Odkuwka modelowa wału z wysokimi wyst ępami ramion Fig. 6. Model forging of steel crankshaft with high protrusions

Na rys. 6 i 7 zamieszczono przykłady modelowych, stalowych odkuwek wałów korbowych. Rys. 6 pokazuje przykład wału z bardzo wysokimi występami ramion. Na rys. 7b pokazano przebieg włókien wykorbienia z rys. 7a.


a/

143 b/

Rys. 7. Odkuwka modelowa wykorbienia wału z wysokimi wyst ępami ramion Fig. 7. Model forging of steel crank with high protrusions

Istnieją ce urzą dzenia TR do kucia wałów korbowych metod ą TR są modernizowane i wyposa Ŝone w przedkowadła.

Rys. 8. Kucie wału korbo wego metodą TR w zakładach Alfing Kessler (Niemcy) Fig. 8. Crankshaft forging by the TR-method in Alfing Kessler Plant

Najnowszą technologi ę zakupiła firma Alfing Kessler. Na rys. 8. pokazano kucie wału wykorbionego z u Ŝyciem tej technologii w urzą dzeniu typu TR35 zamocowanym na prasie hydraulicznej o nacisku 35 MN. Natomiast rys. 9 przedstawia kucie wału korbowego na prasie o nacisku 45 MN (Niemcy).

144

T. Rut, W. Walczyk

Rys. 9. Kucie wału korbowego metod ą TR na prasie 45MN (Niemcy) Fig. 9. Crankshaft forging by the TR-method on the 45 MN press

Warto zauwaŜyć, Ŝe stosunek maksymalnej poziomej siły sp ęczają cej Ph do nominalnego nacisku prasy N p wynosi około P h /Np ≅ 1.2. Tak du Ŝa wartość tego stosunku oznacza, Ŝe odpowiednio du Ŝe wały korbowe mogą być kute na tej samej prasie. Projektowanie urz ą dzeń kuźniczych o tych parametrach zako ńczyło się pełnym sukcesem. Porównują c metodę TR z metodą RR i Ellwood National Forge – moŜna podkreślić następują ce róŜnice: − w urzą dzeniu RR stosunek siły sp ęczają cej Ph do nominalnego nacisku prasy Np wynosi około P h /Np ≈ 0,33. Dlatego teŜ w przypadku metody RR – naleŜy stosować prasy o odpowiednio wi ększym nacisku; − metoda Ellwood National Forge – wymaga du Ŝych nakładów inwestycyjnych. Dodatkową wadą obu metod jest to, Ŝe zastosowano symetryczne spęczanie wst ępne (rys. 10a) co powoduje, Ŝe w trakcie procesu sp ęczania wstępnego materiał jest gromadzony symetrycznie, podczas gdy dodatkowy materiał jest potrzebny tylko w górnej cz ęści ramienia, gdzie mocowana jest przeciwwaga. Natomiast równoczesne gromadzenie si ę tego materiału w dolnej cz ęści ramienia, szczególnie wtedy gdy występuje tam ukos, jest niekorzystne. Mianowicie, w czasie ko ńcowej fazy kształtowania wykorbienia w tym obr ębie powstaje wypływka, wynikaj ą ca z nadmiaru materiału. Wypływka ta jest usuwana poprzez obcinanie palnikiem bezpo średnio po odkuciu wykorbienia. Przedstawiony na rys. 10b proces niesymetrycznego sp ęczania wst ępnego wadę tę usuwa.


a/

145 b/

Rys. 10. Porównanie kształtowania wykorbie ń metodą RR i ulepszoną metodą TR Fig. 10. Comparison of a crank throw forming by RR-Method and improved TR-Method

Warto zauwaŜyć, Ŝe największe na świecie urzą dzenie typu TR współpracują ce z prasą o 80MN stosowane jest w Celsa Huta Ostrowiec. Masa urzą dzenia wynosi około 350 t, a maksymalne koło opisane na obrysie jednolitego wału korbowego wynosi około 1700 mm. Pozwoliło to na pokonanie bariery technologicznej w ku źnictwie i umoŜliwiło kucie wałów korbowych o du Ŝych gabarytach systemem „wykorbienie po wykorbieniu” z ci ą głym przebiegiem włókien. Nowa metoda kucia wałów korbowych została dot ą d sprzedana i wdro Ŝona w kilkunastu zakładach, m. in. w : Japonii, Chinach, Korei Południowej, Niemczech, Hiszpanii, Czechach i Polsce. Najwi ększym producentem odkuwek wałów korbowych metod ą TR w Europie jest Celsa „Huta Ostrowiec”. Warto zauwaŜyć, Ŝe jest to największy w Polsce producent odkuwek swobodnie kutych. RównieŜ HSW - Kuźnia Stalowa Wola jest dostawcą odkuwek wałów korbowych kutych metod ą TR dla Zakładów H. Cegielski Pozna ń

7. KUCIE METODĄ TR WYKORBIEŃ WAŁÓW PÓŁSKŁADANYCH SILNIKÓW WOLNOOBROTOWYCH W Instytucie opracowano równie Ŝ metodę kucia – w matrycach wielodzielonych – pojedynczych wykorbie ń wałów półskładanych do silników okrętowych duŜej mocy. Rys. 11a przedstawia przebieg kucia wykorbienia. Na rys. 11b i c pokazano odpowiednio schemat urz ą dzenia klinowo-dźwigniowego do kształtowania ko ńcowego wykorbienia oraz przebieg siły kształtuj ą cej Ph na czołach matryc w zale Ŝności od k ąt a α pochylenia dźwigni. Na uwagę zasługuje, Ŝe stosunek siły poziomej P h do

146

T. Rut, W. Walczyk

a/

b/

c/

Rys. 11. Przebieg kucia wykorbienia pojedynczego według pat. PL102814 Fig. 11. Single crank throw forging process according to patent PL102814

nacisku prasy Np pod koniec operacji kucia wynosi 2,0. Znaczy to, Ŝe opór kucia mo Ŝe być 2,0 razy większy niŜ nominalny nacisk prasy. Ta wysoka efektywno ść urzą dzenia pozwala na kucie du Ŝych odkuwek w matrycach wielodzielonych na ku źniczych prasach hydraulicznych. Na rys. 12 pokazano odkuwk ę wykorbienia pojedynczego wykonaną w Zakładach Kobe w Japonii w urz ą dzeniu przedstawionym schematycznie na rys. 13. Firma ta zakupiła licencj ę na stosowanie tej metody kucia na prasie o nacisku 80 MN. Metod ę tą moŜna uznać za kolejne przełamanie bariery technologicznej w ku źnictwie. Mianowicie, nie było dot ą d moŜliwości technicznych kształtowania w matrycach tak duŜych odkuwek. a/

b/

Rys. 12. Odkuwka wykorbienia wału półskładanego do silnika okr ętowego Sulzer RT58 Fig. 12. A crank throw forging of semi-built crankshaft of a marine Diesel engine type Sulzer RT58


147

Rys. 13. Kucie wykorbienia w urz ą dzeniu modelowym Fig. 13. Crank throw forging in a model device

8. NOWY PROCES KUCIA WYKORBIE Ń POJEDYNCZYCH W latach 90-tych konstruktorzy silników okr ętowych dąŜyli do zmniejszenia ich gabarytów. Wykorbienia zostały „wyszczuplone”. Uzyskano to przez zmniejszenie grubo ści ramion oraz skrócenie długo ści czopów korbowych. Zwi ększono natomiast promie ń wykorbienia. Sposób kucia wykorbień o nowych kształtach musiał nad ąŜać za trendem konstrukcyjnym silników okrętowych. W Instytucie podjęto badania nad przystosowaniem opisanej metody kucia wykorbień pojedynczych nowej konstrukcji. Wykorzystuj ą c doświadczenia z wdro Ŝenia urzą dzenia TR13K w Kobe Steel uproszczono zarówno konstrukcj ę urzą dzenia jak i proces kształtowania wykorbie ń. Ponadto zmniejszono liczb ę narzędzi.

148

T. Rut, W. Walczyk

a/

d/

e/ b/

c/

f/

Rys. 14. Schemat kucia wykorbienia ze spłaszczonej przedkuwki wst ępnej Fig. 14. Diagram of forging a crank throw from a flattened blank

Konstruktorzy silników okr ętowych zmienili w ostatnich latach kształt ramion wykorbień w ten sposób, Ŝe przyjęli małe zukosowanie powierzchni bocznych ramion. Niektóre typy wykorbie ń mają boczne powierzchnie ramion równoległe. W przypadku kształtowania bocznych powierzchni ramion w wykrojach matrycowych wystarczy przedkuwk ę wstępną odpowiednio spłaszczy ć (rys 14a). Na rys. 14 przedstawiono przebieg kucia wykorbienia: − rys. 14a przedkuwka wst ępna wykonana na mniejszej prasie; − rys. 14b przedkuwka wykonana w urz ą dzeniu do kucia wykorbień. Na zewnętrznej stronie przedkuwki widoczny jest występ technologiczny wyci śnięty podczas kształtowania przedkuwki wykorbienia. Wyst ęp ten potrzebny jest do ustawienia przedkuwki w narz ędziach w urz ą dzeniu przed operacj ą kształtowania wykorbienia. Słu Ŝy równieŜ do mocowania przedkuwki w Ŝą danym miejscu w narz ędziach kształtuj ą cych wykorbienie. − rys. 14c gotowa odkuwka.


149

Sposób i urzą dzenie do kucia nowym sposobem pojedynczych wykorbie ń wałów półskładanych jest przedmiotem patentu PL171075.

9. WPŁYW TECHNOLOGII KUCIA NA ZGRZEWANIE WAD WEWNĘTRZNYCH STALI W Instytucie przeprowadzono w latach poprzednich badania dotycz ą ce wpływu technologii kucia na zgrzewanie si ę wad wewnętrznych. Wykonano próbki stalowe zło Ŝone z gwintowanych tulei (rys. 15).

Rys. 15. Próbka stalowa zło Ŝona z gwintowanych tulei Fig. 15. A steel sample consisting of threaded sleeves

ZałoŜono przy tym, Ŝe szczeliny mi ędzy połą czeniami gwintowanymi odpowiadaj ą wadom wewnętrznym w materiale wsadowym. Wszystkie próby kucia modelowego przeprowadzono w zakresie temperatur 1200 °C do 900°C na prasie hydraulicznej o nacisku 250 ton. Ka Ŝda operacja kucia przebiegała za jednym suwem roboczym suwaka prasy z sz ybko ścią odkształcenia około 12 mm/s. Na rys. 16 a; b i c pokazano próbki wyci ęte z odkuwki modelowej wykorbienia. JuŜ na podstawie ogl ędzin tych próbek mo Ŝna wnioskowa ć o całkowitym zgrzaniu si ę szczelin między zwojami gwintów.

T. Rut, W. Walczyk

150 a/

b/

c/

1 2

3 4 5

Rys. 16. Próbki wycięte z odkuwki modelowej wykorbienia Fig. 16. Samples cut out of the model crank throw forging a/

b/

c/

d/

e/

Rys. 17. Mikrostruktura miejsc zaznaczonych na rys. 16a Fig. 17. Microstructures of the point indicated in fig. 16a

W celu upewnienia si ę co do prawidłowości tego wnioskowania przeprowadzono badania mikrostruktury. Badania w pełni potwierdziły


151

zgrzanie si ę szczelin, które pokazano na rys. 17a/ do 17e/, gdzie mo Ŝna zobaczyć mikrostrukturę miejsc zaznaczonych na próbce z rys. 16a/. Wyniki badań potwierdzają , Ŝe w czasie kucia wykorbie ń zachodzi ć będzie zgrzewanie wad wewn ętrznych, a miejsca zgrzane b ędą się charakteryzować dobrymi własnościami mechanicznymi.

10. ZALETY NOWEJ METODY KUCIA Jak wiadomo siła sp ęczaj ą ca osią ga maksymalną wartość przy końcu suwu roboczego urz ą dzenia kuźniczego. Jest to bardzo wa Ŝne, poniewaŜ i opór kucia jest w tym momencie najwi ększy. Współczynnik wykorzystania nacisku prasy, wyra Ŝony stosunkiem najwi ększej (moŜliwej do osią gnięcia) poziomej siły sp ęczaj ą cej do nominalnego nacisku prasy, wynosi ≅ 2. Innymi słowy nacisk mi ędzy matrycami kształtują cymi, pod koniec procesu kucia, jest dwukrotnie wi ększy od nominalnego nacisku prasy. Pozwala to na kucie pojedynczych wykorbień wału korbowego typu S60MC na prasie o nacisku 80MN. Ponadto górna cz ęść wykorbienia moŜe być dotłaczana przy powtórnym roboczym suwie suwaka prasy. Wykorzystuje si ę wówczas do tego pełny nacisk prasy. Nowa metoda kucia zapewnia du Ŝą dokładność odkuwek, wysok ą powtarzalność wykonania tych odkuwek, przy równoczesnym uniezaleŜnieniu się od czynnika ludzkiego. Du Ŝa dokładność kształtu kutych wykorbień zapewnia zarówno znaczne oszcz ędności stali jak i kosztów obróbki skrawaniem. Dlatego nowa metoda pozwala na zastosowanie mniejszych wlewków ni Ŝ np. metoda gi ęcia. Nowa metoda zapewnia prawidłowy przebieg włókien w stali. W miejscach przej ścia czopa korbowego w ramiona wykorbie ń, gdzie zachodz ą największe obci ąŜenia podczas pracy silnika, obserwuje si ę największe zagęszczenie włókien, przy czym kierunek tych włókien zgodny jest z kierunkiem działania sił. Mo Ŝna oczekiwać, Ŝe stosują c zalecane parametry kształtowania przedkuwki i nast ępnie wskutek du Ŝ ych nacisków przy kształtowaniu wykorbienia, uzyska si ę całkowite zgrzanie wad wewnętrznych. Ponadto, nowa metoda kucia zapewnia popraw ę mechanicznych własno ści kutych wyrobów, w tym równie Ŝ wytrzymałości zmęczeniowej. Opisany proces kucia ma znaczne szanse dalszego rozwoju. Wydajność kucia znacznie przewy Ŝszy dotychczasowe efekty uzyskiwane

152

T. Rut, W. Walczyk

przy tradycyjnych metodach kucia wykorbie ń. Istnieje moŜliwość dokładnego kucia wykorbie ń. W zwią zku z tym przewiduje si ę, Ŝe wykorbienia kute now ą metodą będą wyŜszej jakości i tańsze w produkcji.

LITERATURA [1] Rut T., Haliasz J .: Przegl ą d i ocena nowoczesnych metod kucia cięŜkich wałów korbowych, Obróbka Plastyczna, 1968, t.VII, z. 4, s. 301-327. [2] Rut T .: New Forging Method of Semi-Built-up Crankshafts. th Proceedings “The 8 International Forgemasters Meeting” Japan, Kyoto October 23 – 28, 1977 s. 1÷29, 53 rys. bibliogr. 5 poz. [3] Rut T .: Nowa metoda kucia wykorbie ń wałów półskładanych. Sposób kucia i urzą dzenia. Obróbka Plastyczna, Tom XVII, zeszyt 3/4 (1978), s. 132÷144. [4] Rut T .: Neues Verfahren für das Schmieden von Kurbelkröpfungen halbgebauter Kurbelwellen. Heft 7/1980, s. 25÷29. [5] Rut T., Walczyk W .: Ulepszona metoda TR kucia wałów korbowych dla średnioobrotowych silników wysokopr ęŜnych. Obróbka Plastyczna Metali, 1998, t. 9, nr 3, s. 13–20. [6] Rut T., Walczyk W .: Rozwój kucia w przyrz ą dach i urzą dzeniach na prasach – metoda TR. Mat. Konf. MANUFACTURING’01 Współczesne problemy wytwarzania, Pozna ń, 8÷9 listopada 2001 Tom1 s. 189÷223, 42 rys. [7] Rut T., Walczyk W., Harabasz W .: Implementation of the improved TR-method of forging crankshafts. Proceedings IFM 2003 Japan, Kobe City October 26 – 29, 2003 s. 416÷422, 13 rys. bibliogr. 6 poz.

Rut

Recommend Documents