Investigation and analysis of the pre-straightening influences in AISI 1045 steel drawn bars

Abstract

The drawn bars are the raw material for manufacturing of automotive shafts for presenting high mechanical properties, good dimensional quality and surface finish. The residual stress generated in the manufacturing process can potentially lead to distortion and dimensional variations in mechanical components. Process parameters such as pressure and distance between the pre-straightening rollers, material properties, friction between the tool and the workpiece, as well as wire drawing parameters like reducing and die angle, influence the residual stresses induced in the final product. Numerical simulation is a resourceful tool to evaluate the level of influence of each parameter involved in the process: it does not require the manufacture of prototypes and it eliminates the "try-out" process which is very common in experimental procedures. The work presented herein mainly aims at investigation and improvement of the pre-straightening influences in the wire drawing process chain by investigating the behavior of residual stresses generated in the process of AISI 1045 steel bars. Besides, the variation of process parameter such distance of pre-straightening rolls, through numerical simulation and subsequent comparison with results from experimental measurements were performed. The numerical simulations of the pre-straightening process have shown heterogeneous profiles of deformation and, consequently, heterogeneous profiles of residual stress at both the surface and in the section of the simulated bars. This heterogeneity of deformation can be noted after drawing on specific areas of the workpiece, and it leads to the conclusion that the deformations are carried from one process to the next one. The changes in the distance of the rolls have shown that the first couple of the horizontal rolls has more significant influence in the distribution of stress and strains after wire drawing.

Barras trefiladas são utilizadas como matéria prima para a fabricação de eixos automotivos por apresentarem propriedades mecânicas elevadas, boa qualidade dimensional e um bom acabamento superficial. As tensões residuais geradas no processo de fabricação podem causar distorção de forma e variações dimensionais nos componentes mecânicos. Parâmetros de processo como pressão e distância entre os rolos de pré-endireitamento, propriedades do material, atrito entre ferramenta/peça, bem como parâmetros da trefilação como redução e ângulo de fieira tem influência nas tensões residuais geradas no produto final. A simulação numérica é uma ótima ferramenta para a verificação da influência de todos estes parâmetros envolvidos no processo, pois é uma ferramenta que não exige a fabricação de protótipos e reduz a quantidade de “tentativa e erro”, muito comum em procedimentos experimentais. Este trabalho tem por principal objetivo avaliar o comportamento das tensões residuais e distorções geradas no pré-endireitamento e trefilação do fio-máquina de aço AISI 1045 em função da variação de parâmetros do processo como pressão, distância e número de rolos de pré-endireitamento via simulação numérica e posterior comparação com resultados de medições experimentais. As simulações do processo de pré-endireitamento, mostraram perfis heterogêneos de deformações e consequentemente de tensões residuais tanto na superfície quanto na seção das barras simuladas. Essa heterogeneidade das deformações pode ser percebida após a trefilação ao longo de toda a barra e com isso, pode-se dizer que as deformações são carregadas de um processo a outro. As mudanças na distância entre os rolos de endireitamento mostraram que a primeira dupla de rolos do endireitamento horizontal influenciam na distribuição das tensões residuais após a trefilação.

Die gezogenen Stangen sind der Rohstoff für die Herstellung von Fahrzeugwellen, um hohe mechanische Eigenschaften, gute Maßhaltigkeit und Oberflächengüte zu erzielen. Die im Herstellungsprozess entstehenden Eigenspannungen können möglicherweise zu Verformungen und Maßabweichungen bei mechanischen Bauteilen führen. Prozessparameter wie Druck und Abstand zwischen den Richtwalzen, Materialeigenschaften, Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück sowie Drahtziehparameter wie Durchmesserreduzierung und Matrizenwinkel beeinflussen die im Endprodukt induzierten Eigenspannungen. Die numerische Simulation ist ein nützliches Werkzeug zur Bewertung des Einflussniveaus der einzelnen am Prozess beteiligten Parameter: Sie erfordert nicht die Herstellung von Prototypen und eliminiert den bei experimentellen Verfahren üblichen "Try-out" -Prozess. Die hier vorgestellte Arbeit zielt hauptsächlich auf die Untersuchung und Verbesserung der Vorrichteinflüsse in der Prozesskette des Drahtziehens durch Untersuchung des Verhaltens von Eigenspannungen, die im Prozess von AISI 1045-Stahlstäben erzeugt werden. Außerdem wurde die Variation von Prozessparametern wie Abstand der horizontalen Richtwalzen durch numerische Simulation und anschließenden Vergleich mit Ergebnissen aus experimentellen Messungen durchgeführt. Die numerischen Simulationen des Vorrichtprozesses haben heterogene Verformungsprofile und folglich heterogene Eigenspannungsprofile sowohl an der Oberfläche als auch im Querschnitt der simulierten Stäbe gezeigt. Diese Heterogenität der Verformung lässt sich nach dem Ziehen auf bestimmte Bereiche des Werkstücks feststellen und lässt den Schluss zu, dass die Verformungen von einem Prozess zum nächsten übertragen werden. Die Änderungen im Abstand der Walzen haben gezeigt, dass das erste Paar der horizontalen Walzen die Verteilung der Spannungen und Dehnungen nach dem Drahtziehen maßgeblich beeinflussten.