Lemezhengerlési folyamat véges elemes szimulációja
Előadók:
Bay Zoltán Nonprofit Ltd. for Applied Research
Bézi Zoltán
Pálinkás Sándor
Célkitűzés A hideghengerlés során kialakuló alakhibák modellezése, a lemezgyártás technológiai pontosságának növelése érdekében, A VON ROLL gyártmányú kísérleti hengerállvány komplex véges elemes modelljének az elkészítése, amely a hengerlési erő, nyomaték számítása mellett képes arra, hogy figyelembe vegye az alakítandó anyag rugalmas-képlékeny, és a hengerrendszer rugalmas viselkedését is.
VON ROLL gyártmányú kísérleti hengerállvány
A síkfekvés feltétele ( x) 0 x
Ahol: λ – nyújtási tényező x – futó koordináta a szélesség mentén
A hengerelni kívánt alapanyag szempontjából kielégítendő feltétel:
hbe hki hki hkiköz hkiszél
δhki – kifutó szalag lencséssége δhbe – befutó szalag lencséssége λ – nyújtási tényező
Ha a síkfekvés feltétele nem teljesül, akkor: Belső feszültségek miatt hullámképződés, Az egyenlőtlen húzófeszültségek miatt szakadás, Hasítás után az egyes sávok meggörbülnek, „kardosodás” következik be.
Síkfekvési hibák
[Norman Mathieu · Régis Dimitriou · Anthony Parrico · Michel Potier-Ferry · Hamid Zahrouni: Flatness defects after bridle rolls: a numerical analysis of leveling, Int J Mater Form]
A terhelt hengerrés alakját befolyásoló tényezők: 1. Köszörült alapdomborítás (nincs) 2. A hengerrendszer (figyelembe vettük)
rugalmas
alakváltozása
3. Mechanikai résalak szabályozás (figyelembe vettük) 4. Zónahűtés (nincs) 5. Hődomborítás (elhanyagolható)
A hengerrendszer rugalmas alakváltozása A befolyásoló paraméterek: A támhenger tengelyvonalának kihajlása, A hengerek összelapulása,
A munkahengerek belapulása.
[Sándor Pálinkás: Investigation of the shape of roll gap of experimental mill stand. IN-TECH 2010. International Conference]
Mechanikai résalak szabályozás Hengerhajlítás, Közbenső hengerhajlítás (munkahenger és támhenger között), Henger tengelyvonalának eltolása, Kenőanyag hozzáadása,
Feszítés változtatása, Hengerek tengelyvonalának keresztezése, Közbenső henger betolása,
CVC technológia (folyamatosan változtatható bombír), Stb.
Hengerhajlítás elvi ábrája
[Dipl.-Ing. A. Hardtmann, Technische Universität Dresden]
Síkfekvési holt sáv
B: Síkfekvési holt sáv [-] λ: A szalag alakja [%] Co/ho: Lencsésség változás [%]
[Takashima, Y., et al, „Studies on Strip Crown Control for Hot Strip Rolling – Double Chock Work Bending System (DC-WRB),” IHI Engineering Review, Vol. 12, No. 3, Oct. 1979, pp. 28-34.]
2D végeselemes modellezés
A hideghengerlési kísérletek egy STANAT gyártmányú duó hengerállványon történtek, A felhasznált próba lemezek vastagsága 1.6 mm, szélessége 25 mm és hosszúsága 300 mm, A munkahengerek szerszámacélból készültek, átmérőjük 150 mm, Duó elrendezésű modell, Az alakított anyag rugalmas-képlékeny, A henger merev, illetve ideálisan rugalmasak, Kihasználtuk a hengerlési folyamat szimmetriáját,
2D végeselemes modellezés Hengerlési paraméterek Sorszám
Mérési eredmények
fogyás
v-henger
slip
erő
nyomaték
%
m/s
%
N/mm
Nm/mm
1.-2.
17,86
0,376
4,161
0,246
2750,89
10,88
3.-4.
19,39
0,184
3,446
0,204
2720,13
10,55
5.-6
17,84
0,875
3,577
0,219
2613,71
8,96
7.-8.
43,04
0,104
-1,262
0,143
4615,95
25,84
9.-10.
43,49
0,312
-1,704
0,135
4484,31
26,19
11.-12.
44,87
0,833
0,182
0,109
4067,00
25,38
13.-14.
60,19
0,175
9,919
0,164
7173,67
44,10
15.-16.
60,04
0,349
10,666
0,150
6663,80
43,04
17.-18.
62,35
0,796
3,764
0,129
6151,85
41,30
súrl.tényező
2D végeselemes modellezés • MSC.MARC 2010 szoftver • 2D síkalakváltozás • Szimmetria használata • Merev segédtestek • 4 csomópontú elemek • Szúrásonkénti vizsgálat
ω
9160 QUAD4/11
Lemez: Alumínium (AlMg3) rugalmas-képlékeny
v
E=69 GPa, =0.3 k f 325 77.2 P 192e9.95 P
szimmetria
400 QUAD4/11
Súrlódási modell
• A fenti egyenlet automatikusan figyelembe veszi, hogy a neutrális pontban a súrlódó feszültség előjelet vált
Nyirofeszültség [MPa]
2 v 0 arctan C
0 0.1
Coulomb-féle súrlódási tényező
v vh vt
Relatív sebesség
C = vh / 20
Illesztési paraméter
belepo el kilepo el
neutralis pont
surlodas variacio konstans surlodas
2D-s modell eredményei Sorszám
1.-2. 3.-4. 5.-6 7.-8. 9.-10. 11.-12. 13.-14. 15.-16. 17.-18.
M erev henger
Rugalmas henger
erő eltérés nyomaték slip eltérés [%] eltérés [%] [%]
erő eltérés nyomaték slip eltérés [%] eltérés [%] [%]
0.016 0.044 0.122 -0.089 -0.404 -0.079 -0.727 -1.236 -0.715
-1.287 5.308 14.063 9.288 5.460 2.128 11.995 6.204 6.174
-0.541 -0.126 -0.327 6.852 6.464 1.508 0.851 -1.186 4.006
0.114 0.228 0.057 0.746 -0.068 1.951 -0.222 0.212 -0.132
-8.456 -1.517 6.138 3.444 -0.076 -0.788 3.152 0.000 -0.097
-1.361 -1.456 -1.217 6.042 5.534 1.828 -0.939 -2.806 2.166
2D-s modell eredményei 0,08 r=17% v=0.184 m/s 0.375 0.875 r=44% v=0.104 0.312 0.833 r=60% v=0.175 0.349 0.796
R mm
0,06
0,04
0,02
0,00 0
10
20
30 ívhossz mm
40
50
60
Komplex 3D VE modell
Quartó elrendezésű modell, A munkahenger átmérője: 100 mm, A támhenger átmérője: 220 mm, A kiinduló darab 1 mm vastag, és 200 mm széles, Az alakított anyag rugalmas-képlékeny, A hengerek ideálisan rugalmasak, Kihasználtuk a hengerlési folyamat szimmetriáját, A hengerhajlítást a munkahenger csapágyazásának hatásvonalán elhelyezett hengerhajlító erővel oldottuk meg, Figyelembe vettük a hengerállvány rugalmas alakváltozását
Komplex 3D VE modell Alapmodell: 36696 db (HEX8/7) Sűrített modell: 91576 db (HEX8/7) 8 mag Intel i7 2.8 GHz 8 GB RAM Futásidő: 4-24 h
Hengerelt anyag: Alumínium (AlMg3)
Hengerlési paraméterek Hengerhajlító Hengerlési Minta Alakváltozás erő sebesség
A modell által számolt hengerlési erő
A kezelő oldalon mért hengerlési erő
1.a.
0N
10 m/min
3%
26871 N
25738 N
1.b.
1500 N
10 m/min
3%
27990 N
27928 N
1.c.
2200 N
10 m/min
3%
28504 N
27480 N
1.d.
3000 N
10 m/min
3%
29063 N
28928 N
1.e.
3800 N
10 m/min
3%
29656 N
29474 N
1.f.
4700 N
10 m/min
3%
30355 N
29764 N
Mért és számított hengerlési erő 34000 32000 30000 28000 26000 24000 22000 20000 18000 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 219
Erő1: Erő2:
1.a. minta 24000 22000 20000 18000 16000
Erő [N]
Erő [N]
1.a. minta
14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0
220
221
222
223
Idő [sec]
224
225
226
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
Idő [sec]
0,06
0,07
0,08
0,09
Számított alakváltozás
Számított feszültségeloszlás
3D-s modell eredményei A hengerhajlító erő hatása a lencsésségre 1% 0.004
Lencsésség [mm]
0.003 0.002
0N 3000 N
0.001
4400 N 6000 N
0
7600 N 9400 N
-0.001 0
20
40
60
80
100
120
-0.002 -0.003
Lemez szélesség [mm]
140
160
180
200
3D-s modell eredményei A hengerhajlító erő hatása a lencsésségre 2% 0.004
Lencsésség [mm]
0.003 0.002
0N 3000 N
0.001
4400 N 6000 N
0
7600 N 9400 N
-0.001 0
20
40
60
80
100
120
-0.002 -0.003
Lemez szélesség [mm]
140
160
180
200
3D-s modell eredményei A hengerhajlító erő hatása a lencsésségre 3% 0.004
Lencsésség [mm]
0.003 0.002 0N 3000 4400 6000 7600 9400
0.001 0 -0.001 0
50
100
-0.002 -0.003
Lemez szélesség [mm]
150
200
N N N N N
3D-s modell eredményei A hengerhajlító erő hatása a lencsésségre 10% 0.004
Lencsésség [mm]
0.003 0.002 0.001
0N 14000 N 24000 N
0 -0.001 0
20
40
60
80
100
120
-0.002 -0.003
Lemez szélesség [mm]
140
160
180
200
Összefoglalás
A célkitűzés megvalósult, Az elkészített modell magában foglalja a hengerhajlítást is, és alkalmas arra, hogy a különböző hengerlési paramétereket a hengerek beés összelapulását, valamint a hengerállvány rugalmas alakváltozását figyelembe véve számoljon, Sikerült kimutatnunk a hengerhajítás hatását a hideghengerlés folyamán kialakuló lencsésségre, A hullámosság kimutatásához hosszabb kiinduló darab, és a hengerrendszer teljes modellje szükséges, ami jelentősen megnöveli a számítási időt, ezért a síkfekvési holt sáv kimutatása további kutatómunkát igényel.
Köszönjük a figyelmüket! Köszönetnyilvánítás: „A tanulmány/kutató munka a TÁMOP-4.2.1. B-10/2/KONV-2010-0001 jelű projekt részeként – az Új Magyarország Fejlesztési Terv keretében – az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg.”
