Modellierung und Berechnung des Dreiwalzen-Biegeprozesses von Stahlblechen

Abstrakt

  Blechbiegeverfahren gehören zu den am häufigsten verwendeten industriellen Fertigungsprozessen. Die Entwicklung und Optimierung dieser Prozesse ist zeit- und kostenintensiv. Daher können Finite-Elemente-Simulationen das unterstützenDesign und Qualitätssicherung von Blechprodukten. In der vorliegenden Studie wurde ein kommerzielles Finite-Elemente-Paket verwendet, um das Biegen eines Stahlblechs mit drei Rollen zu analysieren. Ein zweidimensionales Finite-Elemente-Modell dieses Prozesses warSie wurde in der ABAQUS / Explicit-Umgebung erstellt und basiert auf der Lösung verschiedener Schlüsseltechniken, z. B. der Behandlung von Kontaktgrenzbedingungen, der Definition von Materialeigenschaften, der Vernetzungstechnik usw. Karten mit gewünschten Krümmungsradien wurdendurch Veränderung des Abstands zwischen den beiden unteren Rollen und der Position der oberen bestimmt. Die entwickelten Karten machten den Walzprozess einfacher und weniger zeitaufwändig. Ein industrielles Experiment mit optimierten numerischen Ergebnissenwurde durchgeführt, um das numerische Modell zu validieren. Restspannung und äquivalente plastische Dehnungsverteilungen wurden ebenfalls untersucht. Das numerische Rückfederungsphänomen wurde mit den analytischen Ergebnissen verglichen.

  1. Einleitung

  Zylinderprofile oder Ferrulen werden in vielen technischen Anwendungen wie Druckbehältern, Wärmetauscherschalen und Kesselkammern verwendet. Sie bilden auch das Hauptskelett der Öl- und Gasplattformen. Walzmaschinen mit drei undVier Walzen sind für die Herstellung von Ferrulen mit verschiedenen Krümmungen unverzichtbar [1-3]. Bisher wurde der kalte zylindrische Biegeprozess nur mit analytischen und empirischen Modellen erforscht. Yang und Shima haben [4]die Verteilung der Krümmung und des berechneten Biegemoments entsprechend der Verschiebung und Drehung der Walzen durch Simulieren der Verformung eines Werkstücks mit einem U-förmigen Querschnitt in einer Drei-Walzen-Biegung diskutiertverarbeiten. Huaetal [3] haben eine Formulierung zur Bestimmung der Biegekraft auf den Rollen, des Antriebsdrehmoments und der Leistung in der durchgehenden Vierwalzenbiegung einer dünnen Platte mit einem Durchgang vorgeschlagen. Gandhi und Raval [5] haben analytische entwickeltempirische Modelle zur expliziten Abschätzung der Position der oberen Walze als Funktion des endgültigen Krümmungsradius für die zylindrische Drei-Walzen-Biegung von Platten.

  In der vorliegenden Arbeit wurden die Drei-Rollen-Biegeprozessparameter unter Verwendung einer zweidimensionalen dynamischen expliziten Finite-Elemente-Analyse (FE) untersucht. Wie in 1 schematisch gezeigt,

Abb. 1. Konfiguration einer pyramidenförmigen Dreiwalzenbiegemaschine.

Abb. 2. Ausgangsmaße des Werkstücks für die Modellierung (in mm).

Das Blech wurde von zwei Seitenwalzen von Punkt A zugeführt, durch Einstellen der Position der oberen Walze zu einer beliebigen Krümmung gebogen und dann an Punkt B verlassen. Danach wurde das Werkstück zusammengeschweißt, um eine Ferrule herzustellen. DasDer Walzprozess begann immer mit dem entscheidenden Vorgang des Vorbiegens beider Enden des Werkstücks (Abb. 2). Dieser Vorgang eliminiert flache Stellen beim Walzen einer vollen zylindrischen Form und gewährleistet einen besseren Verschluss der Naht.

  Der Erfolg des Dreiwalzen-Biegeprozesses hängt stark von der Erfahrung und dem Können des Bedieners ab. Die ArbeitDie Stückbiege wird im Allgemeinen nach dem Multi-Pass-Verfahren hergestellt, das auch als "Versuch und Irrtum" bezeichnet wird, um die Biegekapazität der Rollenbiegemaschinen zu optimieren. Das Multi-Pass-Verfahren weist jedoch auf hohe Kosten aufgrund von Materialverschwendung und -verlust hinder Produktionszeit. Die Wiederholgenauigkeit, Präzision und Produktivität des Prozesses erfordern die Verwendung einer Single-Pass-Produktionsmethode [5].

  Das letztere Verfahren war jedoch immer eine Herausforderung, da ein Bediener Kenntnis der verschiedenen Maschinenparameter haben muss, um Ferrulen mit dem gewünschten Durchmesser zu erhalten. Die Parameter umfassen die Position der oberen Walze (U),Abstand zwischen den unteren Walzen (a) und Dicke des Blechs (e).

  2. FE-Modellierung

  Der Walzprozess ist aus Sicht der FE-Modellierung kompliziert. Gemeinsam mit anderen Umformprozessen ist die Plastizität großer Dehnungen, große Verschiebungen und Kontaktphänomene. Dieser Prozess scheint jedoch mehr zu seinkomplizierter als andere Umformprozesse. Beispielsweise wird das Werkstück durch Reibung aufgrund der Bewegungen der oberen und der unteren Walze in den Walzenspalt gezogen.

  Um den Walzprozess mit Abaqus FEs-Code zu modellieren und die Genauigkeit und Effizienz der Berechnung sicherzustellen, wurden viele Schlüsseltechniken berücksichtigt, wie Geometriemodellierung, Zusammensetzen, Bearbeiten von Kontaktgrenzbedingungen,Definition von Materialeigenschaften, Netz usw. [6]. Diese Techniken werden im nächsten Abschnitt detailliert beschrieben.

  2.1 Modellierungsproblem

  Es wurden sowohl implizite als auch explizite Lösungsmethoden versucht, um erfolgreiche Simulationen auszuführen. Die implizite Methode ist in Modellen günstig, in denen große Zeitinkremente verwendet werden können. Es wurden jedoch mehrere Versuche mit der impliziten Methode unternommenSimulationen wurden nach einigen Rotationsgraden unterbrochen. Angesichts der Nichtlinearität des Problems und der schwierigen Kontaktbedingungen war die Verwendung großer Zeitschritte nicht möglich. Folglich schien die explizite Lösungsmethode mehr zu seingeeignet, da für das Problem sehr kleine Zeitschritte benötigt wurden. Diese Wahl des dynamischen expliziten Verfahrens wurde von Han und Hua [7] anhand eines Modells des kalten Rotationsschmiedens eines Ringwerkstücks bestätigt. DasDas explizite dynamische Analyseverfahren basierte auf der Implementierung einer expliziten Integrationsregel unter Verwendung von Diagonalelementmassenmatrizen. Die Bewegungsgleichungen für den Körper wurden mithilfe der expliziten Zentraldifferenz integriertIntegrationsregel [8], wie im Folgenden gezeigt:

Abb. 3. Uniaxiale Zugversuche von S275JR.

wobei UN ein Freiheitsgrad ist und der Index i in einem expliziten dynamischen Schritt auf die Inkrementnummer verweist.

  Die verschiedenen Schritte werden in den folgenden Abschnitten beschrieben.

2.2 Modellierungsproblem

  Das gesamte Drei-Rollen-Biegeprozessmodell bestand aus einem Werkstück und Rollen. Das Stahlblech wurde als verformbarer Körper definiert, und die Rollen, die nicht verformbar waren, wurden als diskrete starre Körper definiert. Jedes von diesenStarre Körper wurden einem Referenzpunkt (RP) zugewiesen, um die starre Bewegung in allen Freiheitsgraden darzustellen.

  2.3 Materialeigenschaften

  Die Walzen wurden aus geschmiedetem C46-Kohlenstoffstahl hergestellt und es wurde vermutet, dass es sich um starre Körper handelt. Ein Stahlblech wurde als verformbarer Körper zugeordnet. Die Materialeigenschaften von S275JR-Stahl wurden unter Verwendung des Young-Moduls E, der Dichte ρ und vonPoisson-Verhältnis ν. Zur Bestimmung des plastischen Verhaltens des Stahls wurde eine herkömmliche Spannungs-Dehnungs-Kurve aus einem einachsigen Zugversuch (NF A 03-151) erhalten, wie in Fig. 3 dargestelltElastizitätsmodul von 210 GPa und Poisson-Verhältnis von 0,3. Das Dehnungshärten wurde unter Verwendung mehrerer Zugspannungspunkte gegen die plastische Dehnung über der Streckgrenze (290 MPa) und unterhalb der Zugfestigkeit (489 MPa) beschrieben. Die DynamikBei der Berechnung wurde eine explizite Methode verwendet und das Gewicht des Bogens wurde berücksichtigt. Die verwendete Stahldichte betrug 7800 kg · m & supmin; ³. Massenskalierung beeinflusst die Berechnungsergebnisse stark; Je größer die Massenskalierung ist, desto kürzer ist siedie Rechenzeit. Eine sehr hohe Massenskalierung kann jedoch zu einer instabilen Lösung führen. In der vorliegenden Arbeit wurde festgestellt, dass der optimierte Massenskalierungsparameter das 3000-fache betrug.