Numeryczne modelowanie procesu walcowania blach

Numeryczne modelowanie procesu walcowania blach

Prace IMŻ 3 (2011)
21
Piotr MURAWSKI, Dariusz RYDZ
Politechnika Częstochowska, Instytut Modelowania i Automatyzacji Procesów Przeróbki Plastycznej
NUMERYCZNE MODELOWANIE PROCESU
WALCOWANIA BLACH TRÓJWARSTWOWYCH
W pracy przedstawiono modelowanie numeryczne procesu walcowania blach trójwarstwowych złożonych z metali
nieżelaznych (M1E – Al99,8 – AlMg5). Do badań numerycznych zastosowano program komputerowy Forge 2008, którego obliczenia bazują na metodzie elementów skończonych. Następnie dokonano doświadczalnej weryfikacji obliczeń
numerycznych. Badania komputerowe jak i laboratoryjne przeprowadzono dla trzech wartości gniotów względnych
ε = 10%, 15% i 20% w temperaturze t = 20°C.
Słowa kluczowe: blachy trójwarstwowe, modelowanie numeryczne, walcowanie, MES
NUMERICAL MODELING OF THE PROCESS OF ROLLING
OF THREE-LAYER PLATES
The paper presents the numerical modeling of the process of rolling a three-layer bimetallic plate composed of nonferrous metals (M1E – Al99,8 – AlMg5). A computer program Forge 2008 has been used in the research, whose calculations are based on the finite element method. Subsequently, an experimental verification of the numerical calculations has been conducted. Computer and laboratory tests were performed for three values of relative rolling reduction
ε = 10%, 15% and 20% at the temperature t = 20°C.
Key words: three-layer plates, numerical modeling, rolling process, FEM
1. WSTĘP
Jedną z powszechnie stosowanych metod łączenia
blach wielowarstwowych jest metoda zgrzewania wybuchowego [1÷4]. Metoda ta polega na łączeniu metali
poprzez wykorzystanie energii fali detonacji. W wyniku
zderzenia się łączonych elementów z dużymi prędkościami (300–1500 m/s), pod wpływem detonacji materiału wybuchowego następuje trwałe ich połączenie [5].
Wytrzymałość na ścinanie uzyskanego złącza metali
często przekracza trzykrotnie wartość tej własności od
przewidzianych w obowiązujących normach. Przykładowy proces łączenia blach trójwarstwowych przedstawiono schematycznie na rysunku 1.
Blachy wielowarstwowe mają szerokie zastosowanie
zarówno w przemyśle chemicznym, petrochemicznym,
okrętowym jak i samochodowym, gdzie własności mechaniczne oraz dokładność wykonania elementów jest
bardzo ważna. Bardzo często metoda zgrzewania wybuchowego metali nie daje możliwości uzyskania blach
wielowarstwowych o pożądanych grubościach zarówno
warstw jak i całego pasma trójwarstwowego. Dlatego
też zachodzi konieczność ich późniejszego walcowania. Proces walcowania blach wielowarstwowych jest
procesem złożonym i trudnym do analizy teoretycznej.
W procesie walcowania blach trójwarstwowych bardzo
często występuje naruszenie warunków symetrycznego
procesu walcowania. Dlatego też zdecydowana większość przypadków procesu walcowania blach wielowarstwowych jest asymetryczna. Związane jest to głównie
Rys. 1. Schemat układu zgrzewania wybuchowego: 1 – płyta – AlMg5; 2 – płyta Al.99,8; 3 – płyta M1E; 4 – materiał
wybuchowy; D – kierunek detonacji, l1 i l2 – dystans między
zgrzewanymi płytami
Fig. 1. Scheme of explosive welding: 1 – plate – AlMg5;
2 – plate Al.99,8; 3 – plate M1E; 4 – explosive; D – direction
of the detonation, l1 and l2 – distance between the welded
plates
z nierównomiernym odkształceniem warstw stanowiących blachę wielowarstwową, a także wynika z różnic
we własnościach materiałów stanowiących trimetal
[1÷4]. W ramach pierwszego etapu niniejszej pracy
zostało przeprowadzone numeryczne modelowanie
procesu walcowania trójwarstwowych blach bimetalowych otrzymanych z połączenia warstw M1E – Al99,8
– AlMg5. Do numerycznych rozważań procesu walcowania przyjęto wsad trójwarstwowy połączony metodą
zgrzewania wybuchowego. Drugim etapem pracy była
weryfikacja doświadczalna przeprowadzonych obliczeń
numerycznych.
Prace IMŻ 3 (2011)
Piotr Murawski, Dariusz Rydz
22
2. DOBÓR MATERIAŁU I ZAKRES
PROWADZONYCH BADAŃ
wpływ wielkość siatki trójkątów na poszczególnych elementach.
Proces walcowania, zarówno podczas modelowania
numerycznego jak i badań laboratoryjnych prowadzono na walcarce duo o średnicy walców 150 mm. Proces walcowania prowadzono z prędkością 100 mm/s.
Przyjęto, że proces walcowania realizowano na zimno,
w temperaturze 20°C.
W pracy przedstawiono wyniki numerycznych symulacji procesu walcowania blach trójwarstwowych
M1E – Al99,8 – AlMg5, których poszczególne warstwy
zostały połączone metodą zgrzewania wybuchowego.
W tabeli 1 przedstawiono skład chemiczny materiałów
stanowiących wsad trójwarstwowy do walcowania.
Badania numeryczne procesu walcowania blach trójwarstwowych wykonano za pomocą programu Forge
2008. Niezbędny do ich realizacji model blachy trójwarstwowej utworzono przy użyciu programu AutoCad 2010. Własności mechaniczne materiałów stanowiących blachy trójwarstwowe dobrano z bazy danych
programu Forge 2008 na podstawie ich składu chemicznego. Blachy trójwarstwowe poddane procesowi
walcowania miały grubość początkową 12 mm (z czego:
8 mm warstwa AlMg5, 2 mm warstwa Al99,8 oraz 2
mm warstwa M1E).
Model blachy trójwarstwowej i narzędzi za pomocą,
których przeprowadzono symulacje komputerowe asymetrycznego procesu walcowania przedstawiono na
rysunku 2.
3. WYNIKI BADAŃ NUMERYCZNYCH
I ICH ANALIZA
Rozkład pól prędkości odkształcenia walcowanej blachy trójwarstwowej M1E – Al99,8 – AlMg5 dla gniotów
ε =10%, 15%, 20% przedstawiono na rysunku 3.
Na podstawie wyników obliczeń numerycznych
przedstawionych na rysunku 3 można stwierdzić, że
największe wartości prędkości odkształcenia występują w warstwie środkowej Al99,8. Wartości prędkości
odkształcenia występujące w warstwach zewnętrznych
są zbliżone. W efekcie blacha trójwarstwowa walcowana gniotem względnym ε = 10% ulega niewielkiemu
wygięciu. W przypadku pozostałych dwóch gniotów
względnych ε = 15% i 20% zwiększa się zróżnicowanie
wartości prędkości odkształcenia warstw skrajnych,
przez co blacha po wyjściu z kotliny walcowniczej ulega większemu wygięciu. Ponadto można zaobserwować
bardzo korzystne zjawisko, że przez wprowadzenie warstwy pośredniej o większej plastyczności niż warstw zewnętrznych można w dużym stopniu zniwelować krzywiznę blachy trójwarstwowej. Największe wartości
prędkości odkształcenia zaobserwowano w przypadku
procesu walcowania blachy trójwarstwowej gniotem
względnym ε = 20%.
Rozkłady pól intensywności naprężeń dla blach
trójwarstwowych walcowanych gniotami względnymi
ε = 10%, 15% i 20% przedstawiono na rys 4.
Największe wartości intensywności naprężeń zaobserwowano na styku walca górnego z warstwą M1E dla
wszystkich rozważanych wartości gniotów względnych
(ε = 10%, 15% i 20%). Na podstawie przedstawionych
wyników obliczeń numerycznych można stwierdzić, że
ze wzrostem wartości gniotu względnego zwiększa się
nierównomierność rozkładów pól intensywności naprężeń. Można także stwierdzić, że wartości intensywności
naprężeń rosną proporcjonalnie do zwiększającego się
odkształcenia walcowanych blach trójwarstwowych.
Rys. 2. Forge 2008 – wsad bimetalowy przed procesem walcowania
Fig. 2. Forge 2008 – bimetallic input before the rolling process
Zarówno walce jak i poszczególne warstwy wsadu zostały ograniczone płaszczyznami symetrii, co pozwoliło
na skrócenie czasu potrzebnego na wykonanie obliczeń.
Na czas potrzebny do zakończenia obliczeń ma również
Tablica 1. Skład chemiczny materiałów użytych do badań: miedź M1E (PN-87/H-82120), aluminium Al99,8 (PN-79/H-82160),
stop aluminium AlMg5 (PN-87/H-88026)
Table 1. Chemical composition of materials used in research: copper M1E (PN-87/H-82120), aluminum Al99.8 (PN-79/H-82160),
aluminum alloy AlMg5 (PN-87/H-88026)
Skład chemiczny [%]
Materiał
M1E
A199,8
AlMg5
Cu
Al
Zn
Sn
Mn
As
Sb
Si
Mg
min.
99,90
–
–
–
–
–
–
–
–
max.
99,9
–
0,003
0,002
–
0,002
0,002
–
–
min.
–
99,8
–
–
–
–
–
–
–
max.
0,02
rest
0,05
–
–
–
–
0,13
–
min.
–
rest
–
–
0,2
–
–
–
4,3
max.
–
rest
–
–
0,6
–
–
–
5,8
Prace IMŻ 3 (2011)
Numeryczne modelowanie procesu walcowania blach trójwarstwowych
23
Rys. 3. Rozkłady pól prędkości odkształcenia fo dla blach
trójwarstwowych walcowanych z gniotami względnymi
f =10%, 15% i 20%
Rys. 4. Rozkłady pól intensywności naprężenia vi dla blach
trójwarstwowych walcowanych z gniotami względnymi
f =10%, 15% i 20%
Fig. 3. The strain rate field distribution fo for three-layer
bimetallic plates for relative rolling reduction f = 10%, 15%
and 20%
Fig. 4. Stress field intensity distribution vi for three-layer
bimetallic plates in relative rolling reduction f = 10%, 15%
and 20%
4. WERYFIKACJA DOŚWIADCZALNA
OBLICZEŃ NUMERYCZNYCH
W celu weryfikacji badań numerycznych przeprowadzone zostały badania doświadczalne na próbkach M1E
– Al99,8 – AlMg5 w walcarce laboratoryjnej Ø150 mm
Instytutu Modelowania i Automatyzacji Procesów
Przeróbki Plastycznej Politechniki Częstochowskiej.
Na rysunku 5 przedstawiono zdjęcie próbki użytej do
badań laboratoryjnych. Próbka ta została poddana procesowi walcowania gniotem względnym ε = 10%.
W tablicy 2 przedstawiono porównanie wyników
uzyskanych doświadczalnie w walcarce laboratoryjnej
z wynikami modelowania numerycznego przeprowadzonego za pomocą programu Forge 2008.
Dokonując porównania wyników obliczeń numerycznych z wynikami badań doświadczalnych zawartych
w tablicy 2 można stwierdzić, że odkształcenia warstw
M1E, Al99,8 oraz AlMg5 określone teoretycznie są odzwierciedleniem ich rzeczywistych zmian w warunkach
Rys. 5. Zdjęcie próbki po walcowaniu w warunkach laboratoryjnych z gniotem względnym f =10%
Fig. 5. Photo of sample after rolling in the laboratory with
rolling reduction f = 10%
laboratoryjnych. Stwierdzono również, że warstwa pośrednia Al99,8 ulegała największym odkształceniom
dla rozważanych wartości gniotów względnych f =
10%, 15% i 20%.
Prace IMŻ 3 (2011)
Piotr Murawski, Dariusz Rydz
24
Tablica 2. Zestawienie porównawcze wyników badań doświadczalnych z wynikami modelowania numerycznego
Table 2. Summary of comparative results of research studies with the results of numerical modeling
Materiał
Grubość
warstwy przed
walcowaniem
[mm]
M1E
2
Grubość
warstwy po
symulacji
walcowania
[mm]
Średnia
grubość po
symulacji
walcowania
[mm]
1,82
1,85
1,76
7,42
1,86
1,88
7,5
6
1,74
1,72
12,5
14
7,31
7,1
8,7
1,71
7,42
8
Gniot
względny
[%]
1,70
1,75
1,75
AlMg5
Gniot
względny
(symulacja)
[%]
1,89
1,74
2
Średnia
grubość po
walcowaniu
[mm]
1,88
1,85
1,87
Al99,8
Grubość
warstwy po
walcowaniu
[mm]
7,30
7,43
7,44
7,31
7,31
Zależność zmian grubości warstw stanowiących blachy trimetalowe w zależności od gniotu względnego ε
przedstawiono na rys. 6. Zmiany grubości poszczególnych warstw potwierdzają wyniki symulacji komputerowej, z której wynika, że przy gniocie 10% największemu odkształceniu w stosunku do swoich wymiarów
początkowych ulega miękka warstwa Al99,8.
Rys. 6. Zależność zmian grubości warstw blach trimetalowych w zależności od zastosowanego całkowitego gniotu
względnego
Fig. 6. Trimetallic plate layers thickness change depending
on the use of the overall rolling reduction
5. PODSUMOWANIE
W artykule dokonano analizy numerycznej i weryfikacji doświadczalnej procesu walcowania blach trójwarstwowych (M1E – Al99,8 – AlMg5). Na podstawie
porównania wyników badań eksperymentalnych i numerycznych można stwierdzić, że program Forge 2008
z powodzeniem może być wykorzystywany do analizy
blachy trójwarstwowej zarówno w trakcie jak i po procesie walcowania. Zmiany parametrów symulacji komputerowej pozawalają na dobór optymalnych warunków procesu walcowania blach trójwarstwowych.
Wartości prędkości odkształcenia warstw zewnętrznych są zbliżone dla gniotu względnego ε = 10%, w przypadku pozostałych dwóch gniotów względnych ε = 15%
i 20% zwiększa się zróżnicowanie wartości prędkości
odkształcenia warstw skrajnych, przez co możemy zaobserwować większe wygięcie blachy po wyjściu z kotliny walcowniczej.
Na podstawie przedstawionych wyników obliczeń numerycznych można stwierdzić, że ze wzrostem wartości
gniotu względnego zwiększa się nierównomierność rozkładów pól intensywności naprężeń.
Na podstawie wyników przeprowadzonych badań
stwierdzono również, że w warstwie pośredniej Al. 99,8
wystąpiło największe odkształcenie.
LITERATURA
1. Dyja H., Mróz S., Rydz D.: Technologia i modelowanie procesów
walcowania wyrobów bimetalowych, Wyd. WIPMiFS Politechnika Częstochowska, Częstochowa 2003.
2. Rydz D., Skoblik R.: Modelowanie asymetrycznego procesu walcowania blach bimetalowych. Nowe technologie i osiągnięcia
w metalurgii i inżynierii materiałowej, s.540-543, Częstochowa
2007.
3. Rydz D., Skoblik R.: Problemy numerycznego modelowania
walcowania blach Al-Cu i AlMg-Al-Cu zgrzewanych wybuchowo
MANUFACTURING’01.Współczesne problemy wytwarzania.
T.1. Konferencja naukowo-techniczna s. 261-268, Poznań 2001.
4. Rydz D., Stradomski G., Skoblik R.: Numeryczne modelowanie
prędkości płynięcia warstw blachy bimetalowej w procesie walcowania. Nowe Technologie i Osiągnięcia w Metalurgii i Inżynierii Materiałowej, s. 72-75.
5. Rydz D., Skoblik R., Wilczewski L.: Forming of explosively
welded metal plates. International Symposium Research-Education-Technology, s. 251-254, Gdańsk 2005.
6. Forge 2009 Manual.