Modellazione e calcolo del processo di piegatura a tre rulli di lamiere di acciaio

Astratto

  I processi di piegatura della lamiera sono alcune delle operazioni di produzione industriale più comunemente utilizzate. Lo sviluppo e l'ottimizzazione di questi processi sono lunghi e costosi. Pertanto, le simulazioni di elementi finiti possono aiutare ilprogettazione e garanzia della qualità dei prodotti in lamiera. Nel presente studio, è stato utilizzato un pacchetto di elementi finiti commerciali per analizzare la piegatura a tre rulli di una lamiera di acciaio. Un modello a elementi finiti bidimensionale di questo processo eracostruito in ambiente ABAQUS / Explicit basato sulla soluzione di diverse tecniche chiave, come il trattamento delle condizioni al contorno dei contatti, la definizione delle proprietà dei materiali, la tecnica di meshing e così via. Le mappe con i raggi di curvatura desiderati eranostabilito variando la distanza tra i due rulli inferiori e la posizione di quello superiore. Le mappe sviluppate hanno reso il processo di laminazione più semplice e meno dispendioso in termini di tempo. Un esperimento industriale che utilizza risultati numerici ottimizzatiè stato effettuato per validare il modello numerico. Sono stati anche studiati lo stress residuo e le equivalenti distribuzioni di deformazione plastica. Il fenomeno del ritorno elastico numerico è stato confrontato con i risultati analitici.

  1. Introduzione

  Le sezioni cilindriche o le ghiere sono utilizzate in molte applicazioni ingegneristiche come recipienti a pressione, gusci di scambiatori di calore e camere della caldaia. Costituiscono anche il principale scheletro di piattaforme petrolifere e di gas. Rulli con entrambi e trequattro rotoli sono indispensabili per la produzione di ghiere con varie curvature [1-3]. Ad oggi, la ricerca sul processo di piegatura cilindrica a freddo è stata effettuata utilizzando solo modelli analitici ed empirici. Yang e Shima [4] hannodiscusso la distribuzione della curvatura e il momento flettente calcolato in conformità con lo spostamento e la rotazione dei rulli simulando la deformazione di un pezzo con una sezione trasversale a forma di U in una piegatura a tre rulliprocessi. Huaetal. [3] hanno proposto una formulazione per determinare la forza di flessione sui rulli, la coppia motrice e la potenza nella piegatura a quattro rulli continua a singola passata della lamiera sottile. Gandhi e Raval [5] hanno sviluppato analitico emodelli empirici per stimare esplicitamente la posizione del rullo superiore in funzione del raggio finale di curvatura per la curvatura cilindrica a tre cilindri delle piastre.

  Nel presente documento, i parametri del processo di flessione a tre rulli sono stati studiati utilizzando l'analisi di elementi finiti espliciti dinamici bidimensionali (FE). Come mostrato schematicamente in figura 1,

Fig. 1. Configurazione di una curvatrice a tre rulli piramidale.

Fig. 2. Dimensioni iniziali del pezzo da lavorare per la modellazione (in mm).

la lamiera è stata alimentata da due rulli laterali dal punto A, piegati a una curvatura arbitraria regolando la posizione del rullo superiore, e quindi usciti nel punto B. Successivamente, il pezzo in lavorazione è stato saldato insieme per produrre una ghiera. Ilil processo di laminazione inizia sempre con l'operazione cruciale di pre-piegatura di entrambe le estremità del pezzo (Fig. 2). Questa operazione ha eliminato le macchie piatte quando si rotola una forma completamente cilindrica e ha assicurato una migliore chiusura della cucitura.

  Il successo del processo di piegatura a tre rulli dipende fortemente dall'esperienza e dall'abilità dell'operatore. Il lavorola piega del pezzo viene generalmente prodotta con il metodo multi-pass, chiamato anche "prova ed errore" per ottimizzare la capacità di piegatura dei rulli. Tuttavia, il metodo multi-pass suggerisce alti costi a causa dello spreco e della perdita di materialedel tempo di produzione. La ripetibilità, la precisione e la produttività del processo richiedono l'uso di un metodo di produzione a passaggio singolo [5].

  Tuttavia, quest'ultimo metodo è sempre stato una sfida perché un operatore deve avere conoscenza dei diversi parametri macchina per ottenere puntali con diametro desiderato. I parametri includono la posizione del rullo superiore (U),distanza tra i rulli inferiori (a) e lo spessore della lamiera (e).

  2. Modellazione FE

  Il processo di laminazione è complicato da una prospettiva di modellazione FE. Le sue caratteristiche comuni con altri processi di formatura includono grande plasticità, grandi spostamenti e fenomeni di contatto. Tuttavia, questo processo sembra essere piùcomplicato rispetto ad altri processi di formatura. Ad esempio, il pezzo da lavorare viene tirato nello spazio tra i rulli per attrito dovuto ai movimenti dei rulli superiore e inferiore.

  Per modellare il processo di laminazione usando il codice Abaqus FE e per garantire l'accuratezza e l'efficienza del calcolo, sono state prese in considerazione molte tecniche chiave, come la modellazione geometrica, l'assemblaggio, il trattamento delle condizioni al contorno dei contatti,definizione delle proprietà del materiale, della mesh e così via [6]. Queste tecniche sono dettagliate nella prossima sezione.

  2.1 Problema di modellazione

  Sono stati tentati metodi di soluzione impliciti ed espliciti per eseguire simulazioni di successo. Il metodo implicito è favorevole nei modelli in cui è possibile utilizzare ampi incrementi di tempo. Sono stati fatti diversi tentativi usando il metodo implicito, male simulazioni sono state interrotte dopo alcuni gradi di rotazione. Data la non linearità del problema e le condizioni di contatto severe, non era possibile utilizzare ampi incrementi di tempo. Di conseguenza, il metodo di soluzione esplicita sembrava piùadatto perché sono stati necessari incrementi di tempo molto piccoli nel problema. Questa scelta della procedura esplicita dinamica è stata confermata da Han e Hua [7] utilizzando un modello del processo di forgiatura rotativa a freddo di un pezzo circolare. Illa procedura di analisi dinamica esplicita era basata sull'implementazione di una regola di integrazione esplicita che utilizza matrici di massa di elementi diagonali. Le equazioni del moto per il corpo sono state integrate utilizzando la differenza centrale esplicitaregola di integrazione [8], come illustrato di seguito:

Fig. 3. Prove di trazione uniassiale di S275JR.

dove uN è un grado di libertà e l'indice i si riferisce al numero di incremento in un passo dinamico esplicito.

  I diversi passaggi sono dettagliati nelle seguenti sezioni.

2.2 Problema di modellazione

  L'intero modello di processo di piegatura a tre rulli era costituito da un pezzo in lavorazione e rulli. La lamiera è stata definita come un corpo deformabile, ei rulli, che non erano deformabili, sono stati definiti come corpi rigidi discreti. Ognuno di questicorpi rigidi sono stati assegnati a un punto di riferimento (RP) per rappresentare il suo movimento rigido in tutti i gradi di libertà.

  2.3 Proprietà del materiale

  I rulli erano realizzati in acciaio al carbonio forgiato C46 e si presumeva fossero corpi rigidi. Una lamiera di acciaio è stata assegnata come un corpo deformabile. Le proprietà del materiale dell'acciaio S275JR sono state definite usando il modulo di Young E, la densità ρ eRapporto di Poisson ν. Per determinare il comportamento plastico dell'acciaio, è stata ottenuta una curva tensione-deformazione convenzionale da un test di trazione uniassiale (NF A 03-151), come presentato in Fig. 3. Si è ipotizzato un comportamento di elasticità isotropica, conModulo di Young di 210 GPa e il rapporto di Poisson di 0,3. L'indurimento della deformazione è stato descritto utilizzando diversi punti di tensione a trazione rispetto a sollecitazioni plastiche sulla resistenza allo snervamento (290 MPa) e al di sotto della resistenza a trazione (489 MPa). La dinamicail metodo esplicito è stato utilizzato nel calcolo e il peso del foglio è stato preso in considerazione. La densità di acciaio utilizzata era 7800 kg · m-3. Il ridimensionamento di massa influisce notevolmente sui risultati computazionali; maggiore è la scala di massa che è minoreil tempo di calcolo. Tuttavia, un ridimensionamento di massa molto elevato può portare a una soluzione instabile. Nel presente lavoro, il parametro di ridimensionamento di massa ottimizzato è risultato essere 3000 volte.