Modelado y cálculo del proceso de doblado de tres rodillos de hojas de acero

Abstracto

  Los procesos de doblado de chapa son algunas de las operaciones de fabricación industrial más comúnmente usadas. El desarrollo y la optimización de estos procesos requieren mucho tiempo y son costosos. Por lo tanto, las simulaciones de elementos finitos pueden ayudar aldiseño y garantía de calidad de productos de chapa. En el presente estudio, se utilizó un paquete de elementos finitos comercial para analizar la flexión de tres rodillos de una chapa de acero. Un modelo de elemento finito bidimensional de este proceso fueconstruido bajo el entorno ABAQUS / explícito basado en la solución de varias técnicas clave, como el tratamiento de la condición de contorno de contacto, la definición de propiedad del material, la técnica de mallado, etc. Los mapas con los radios de curvatura deseados eranestablecido variando la distancia entre los dos rodillos inferiores y la posición del superior. Los mapas desarrollados facilitaron el proceso de laminación y consumieron menos tiempo. Un experimento industrial que utiliza resultados numéricos optimizadosse llevó a cabo para validar el modelo numérico. También se estudiaron el estrés residual y las distribuciones equivalentes de deformaciones plásticas. El fenómeno numérico de retroceso de primavera se comparó con los resultados analíticos.

  1. Introducción

  Las secciones cilíndricas o férulas se utilizan en muchas aplicaciones de ingeniería, como recipientes a presión, depósitos de intercambiadores de calor y cámaras de calderas. También forman el principal esqueleto de plataformas de petróleo y gas. Laminadoras con tres ycuatro rollos son indispensables para la producción de férulas con varias curvaturas [1-3]. Hasta la fecha, la investigación sobre el proceso de doblado cilíndrico en frío se ha realizado utilizando solo modelos analíticos y empíricos. Yang y Shima [4] tienendiscutió la distribución de la curvatura y el momento de flexión calculado de acuerdo con el desplazamiento y la rotación de los rodillos al simular la deformación de una pieza de trabajo con una sección transversal en forma de U en un plegado de tres rodillosproceso. Huaetal. [3] han propuesto una formulación para determinar la fuerza de flexión en los rodillos, el par motor y la potencia en la curva de cuatro rodillos de paso único continuo de la placa delgada. Gandhi y Raval [5] han desarrollado análisis ymodelos empíricos para estimar explícitamente la posición del rodillo superior como una función del radio de curvatura final para el plegado cilíndrico de tres rodillos de placas.

  En el presente trabajo, los parámetros del proceso de doblado de tres rodillos se estudiaron mediante el análisis de elementos finitos explícitos dinámicos (FE). Como se muestra esquemáticamente en la Fig. 1,

Fig. 1. Configuración de una máquina dobladora piramidal de tres rodillos.

Fig. 2. Dimensiones iniciales de la pieza de trabajo para modelar (en mm).

la chapa fue alimentada por dos rodillos laterales desde el punto A, doblada a una curvatura arbitraria mediante el ajuste de la posición del rodillo superior, y luego salió en el punto B. Posteriormente, la pieza de trabajo se soldó para producir una férrula. losEl proceso de laminación siempre comenzó con la operación crucial de predoblar ambos extremos de la pieza de trabajo (Fig. 2). Esta operación eliminó las manchas planas al rodar una forma cilíndrica completa y aseguró un mejor cierre de la costura.

  El éxito del proceso de doblado de tres rodillos depende en gran medida de la experiencia y habilidad del operador. La obrala flexión de la pieza se produce generalmente a través del método de paso múltiple, también denominado "ensayo y error" para optimizar la capacidad de doblado de las dobladoras de rodillo. Sin embargo, el método de múltiples pasos sugiere altos costos debido al desperdicio y pérdida de materialdel tiempo de producción. La repetibilidad, precisión y productividad del proceso requieren el uso de un método de producción de paso único [5].

  Sin embargo, este último método siempre ha sido un desafío porque un operador debe tener conocimiento de los diferentes parámetros de la máquina para obtener férulas con el diámetro deseado. Los parámetros incluyen la posición del rodillo superior (U),distancia entre los rodillos inferiores (a) y el espesor de la chapa (e).

  2. Modelado FE

  El proceso de laminación es complicado desde una perspectiva de modelado FE. Sus características comunes con otros procesos de conformado incluyen gran plasticidad de tensión, grandes desplazamientos y fenómenos de contacto. Sin embargo, este proceso parece ser máscomplicado que otros procesos de formación. Por ejemplo, la pieza de trabajo se tira hacia el espacio entre rodillos por fricción debido a los movimientos de los rodillos superior e inferior.

  Para modelar el proceso de laminación utilizando el código Abaqus FEs y para garantizar la precisión y eficiencia del cálculo, se tuvieron en cuenta muchas técnicas clave, como el modelado de geometría, el ensamblaje, el tratamiento de las condiciones de contorno de contacto,definición de las propiedades del material, malla, etc. [6]. Estas técnicas se detallan en la siguiente sección.

  2.1 Problema de modelado

  Se intentaron métodos de solución tanto implícitos como explícitos para ejecutar simulaciones exitosas. El método implícito es favorable en modelos donde se pueden usar incrementos de tiempo grandes. Se hicieron varios intentos utilizando el método implícito, perolas simulaciones se interrumpieron después de unos pocos grados de rotación. Dada la no linealidad del problema y las condiciones de contacto severas, no fue posible usar incrementos de tiempo grandes. En consecuencia, el método de solución explícita parecía másadecuado porque se necesitaban incrementos de tiempo muy pequeños en el problema. Esta elección del procedimiento dinámico explícito ha sido confirmada por Han y Hua [7] utilizando un modelo del proceso de forjado rotatorio en frío de una pieza de trabajo en anillo. losel procedimiento de análisis dinámico explícito se basó en la implementación de una regla de integración explícita utilizando matrices de masa de elementos diagonales. Las ecuaciones de movimiento para el cuerpo se integraron usando la diferencia central explícitaregla de iteración [8], como se muestra a continuación:

Fig. 3. Pruebas de tracción uniaxial de S275JR.

donde uN es un grado de libertad y el subíndice i se refiere al número de incremento en un paso dinámico explícito.

  Los diferentes pasos se detallan en las siguientes secciones.

2.2 Problema de modelado

  Todo el modelo de proceso de plegado de tres rodillos se compone de una pieza de trabajo y rodillos. La chapa de acero se definió como un cuerpo deformable, y los rodillos, que no eran deformables, se definieron como cuerpos rígidos discretos. Cada uno de estoslos cuerpos rígidos se asignaron a un punto de referencia (RP) para representar su movimiento rígido en todos los grados de libertad.

  2.3 Propiedades del material

  Los rodillos estaban hechos de acero al carbono forjado en C46 y se suponía que eran cuerpos rígidos. Una hoja de acero fue asignada como un cuerpo deformable. Las propiedades del material del acero S275JR se definieron usando el módulo E de Young, densidad ρ, yLa relación de Poisson ν. Para determinar el comportamiento plástico del acero, se obtuvo una curva de tensión-deformación convencional a partir de una prueba de tracción uniaxial (NF A 03-151), como se presenta en la Fig. 3. Se asumió un comportamiento de elasticidad isotrópica, conEl módulo de Young de 210 GPa y la relación de Poisson de 0.3. El endurecimiento por deformación se describió usando varios puntos de tensión de tracción frente a deformación plástica sobre el límite elástico (290 MPa) y debajo de la resistencia a la tracción (489 MPa). La dinámicase utilizó un método explícito en el cálculo y se tuvo en cuenta el peso de la hoja. La densidad de acero utilizada fue de 7800 kg · m-3. La escala masiva afecta en gran medida los resultados computacionales; una mayor es la escala masiva, el más corto esel tiempo de cálculo. Sin embargo, una escala de masa muy alta puede conducir a una solución inestable. En el presente trabajo, se encontró que el parámetro de escala de masa optimizado era 3000 veces.