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: h h ki ki h h be köz ki h szél ki δh ki kifutó szalag lencséssége δh be 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 rugalmas alakváltozása (figyelembe vettük) 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 Mérési eredmények Sorszám fogyás v-henger slip súrl.tényező 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
2D végeselemes modellezés MSC.MARC 2010 szoftver 2D síkalakváltozás Szimmetria használata Merev segédtestek 4 csomópontú elemek Szúrásonkénti vizsgálat 9160 QUAD4/11 ω Lemez: Alumínium (AlMg3) rugalmas-képlékeny v E=69 GPa, =0.3 k f 325 77.2 P 192e 9.95 P szimmetria 400 QUAD4/11
Nyirofeszültség [MPa] Súrlódási modell 2 v 0 arctan C 0 0.1 v v v Relatív sebesség h C = v h / 20 t Coulomb-féle súrlódási tényező Illesztési paraméter A fenti egyenlet automatikusan figyelembe veszi, hogy a neutrális pontban a súrlódó feszültség előjelet vált kilepo el neutralis pont belepo el surlodas variacio konstans surlodas
2D-s modell eredményei Sorszám M erev henger Rugalmas henger erő eltérés [%] nyomaték eltérés [%] slip eltérés [%] erő eltérés [%] nyomaték eltérés [%] slip eltérés [%] 1.-2. 0.016-1.287-0.541 0.114-8.456-1.361 3.-4. 0.044 5.308-0.126 0.228-1.517-1.456 5.-6 0.122 14.063-0.327 0.057 6.138-1.217 7.-8. -0.089 9.288 6.852 0.746 3.444 6.042 9.-10. -0.404 5.460 6.464-0.068-0.076 5.534 11.-12. -0.079 2.128 1.508 1.951-0.788 1.828 13.-14. -0.727 11.995 0.851-0.222 3.152-0.939 15.-16. -1.236 6.204-1.186 0.212 0.000-2.806 17.-18. -0.715 6.174 4.006-0.132-0.097 2.166
R mm 2D-s modell eredményei 0,08 0,06 0,04 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 0,02 0,00 0 10 20 30 40 50 60 ívhossz mm
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 Minta Hengerhajlító erő Hengerlési sebesség Alakváltozás A modell által számolt hengerlési erő A kezelő oldalon mért hengerlési erő 1.a. 0 N 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
Erő [N] Erő [N] Mért és számított hengerlési erő 1.a. minta 34000 32000 30000 28000 26000 24000 22000 20000 18000 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 219 220 221 222 223 224 225 226 Idő [sec] Erő1: Erő2: 24000 22000 20000 18000 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 1.a. minta 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 Idő [sec]
Számított alakváltozás
Számított feszültségeloszlás
Lencsésség [mm] 3D-s modell eredményei 0.004 A hengerhajlító erő hatása a lencsésségre 1% 0.003 0.002 0.001 0-0.001-0.002 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 N 3000 N 4400 N 6000 N 7600 N 9400 N -0.003 Lemez szélesség [mm]
Lencsésség [mm] 3D-s modell eredményei 0.004 A hengerhajlító erő hatása a lencsésségre 2% 0.003 0.002 0.001 0-0.001-0.002 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 N 3000 N 4400 N 6000 N 7600 N 9400 N -0.003 Lemez szélesség [mm]
Lencsésség [mm] 3D-s modell eredményei A hengerhajlító erő hatása a lencsésségre 3% 0.004 0.003 0.002 0.001 0-0.001 0 50 100 150 200 0 N 3000 N 4400 N 6000 N 7600 N 9400 N -0.002-0.003 Lemez szélesség [mm]
Lencsésség [mm] 3D-s modell eredményei A hengerhajlító erő hatása a lencsésségre 10% 0.004 0.003 0.002 0.001 0 0 N 14000 N 24000 N -0.001-0.002 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200-0.003 Lemez szélesség [mm]
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.