lehrstuhlpresentation 04/2011
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Institut für Metallurgie und Umformtechnik
Prof Dr ‐Ing Rüdiger DeikeProf. Dr.‐Ing. Rüdiger DeikeProf. Dr. rer.nat. Johannes Gottschling
Prof. Dr.‐Ing. Paul‐Josef Maukg
ruediger.deike@uni‐due.dejohannes.gottschling@uni‐due.de
pauljosef.mauk@uni‐due.dep j @
Institut für Metallurgie und Umformtechnik
Prof. Dr.‐Ing. R. Deike
Lehrstuhl für Metallurgie der
Prof. Dr.‐Ing. P. J. Mauk
Lehrstuhl für Umformtechnik
Prof.Dr. rer. nat. J. Gottschling
Lehrstuhl für Mathematik für
Design Theory
Eisen‐ und Stahlerzeugung Ingenieure
Eisengewinnung Computer Based Eng. Mathematicsg y
Plastomechanik
g g
Grundlagen der Metallurgie Computer Based Problem Solving
Umformtechnik
Material Testing
Stahlerzeugung
Thermodynamik und Kinetik t ll i h P
Datenverarbeitung
Höhere Mathematikg
Fatigue and Life Time of MachineElements
metallurgischer Prozesse
Numerische Mathematik Recycling of oxides and metallic waste materials
Das Institut im ÜberblickGießen und Erstarren Roll Pass Design a. Section Rolling
Das Institut im Überblick
Organisationsübersicht Uni Duisburg-Essen
Hochschulrat Zentrale Gremien
Rektorat
Zentrale ServiceeinrichtungenZentrale Forschungseinrichtungen
Zentrale ForschungsprogrammeVerwaltung
Fakultäten
Geisteswissenschaften Mathematik Wirtschaftswissenschaften
g p g
Gesellschaftswissenschaften
Bildungswissenschaften
Kunst und Design
Physik
Chemie
Biologie und Geografie
Betriebswirtschaft
Ingenieurwissenschaften
Medizinische FakultätKunst und Design Biologie und Geografie Medizinische Fakultät
Abt. für Bauingenieurwesen (BW)
fü f ( )Abt. für Elektrotechnik und Informationstechnik (EIT)
Abt. für Informatik und Angewandte Kognitionswissenschaft (INKO)
Abt. für Maschinenbau und Verfahrenstechnik (MBV)( )
Gliederung
Studium der Metallurgie und Umformtechnik
Metallurgie und Umformtechnik
(Vert. Im Masch.-bau)
ISE Metallurgy and Metal Forming
Steel Technology and Metal Forming
(Dualer Studiengang)
Verfahrens-mechaniker
(4 Semester)
(Vert. Im Masch. bau)
Bachelor Bachelor(6 S t )
(Dualer Studiengang)
Bachelor(4 Semester)IHK-Prüfung
Bachelor(7 Semester) (6 Semester) Bachelor
(8 Semester teilzeit)
Master(3 Semester)
Master(4 Semester)
Master(4 Semester)
PromotionPromotion
Internationale Studienprogramme
ISE Programme ( International Studies in Engineering) B.Sc. Computer Engineering
B S El t i l d El t i E i i B.Sc. Electrical and Electronic Engineering B.Sc. Mechanical Engineering B.Sc. Metallurgy and Metal Forming B.Sc. Computer Science and Communications Engineering p g g B.Sc. Control and Information Systems
M.Sc. Computer Engineering M S El t i l d El t i E i i M.Sc. Electrical and Electronic Engineering
M.Sc. Mechanical Engineering M.Sc. Computer Science and Communications Engineering M.Sc. Control and Information Systemsy M.Sc. Metallurgy and Metal Forming M.Sc. Computational Mechanics
Struktur des Bachelors Metallurgie und UmformtechnikModule 1. Semester 2. Semester 3. Semester 4. Semester 5. Semester 6. Semester 7. Semester
G dl d M h ikGrundlagen der MathematikEinführung in den MaschinenbauInformatikNaturwissenschaftliche GrundlagenTechnische MechanikGrundlagen der KonstruktionslehreHöhere MathematikElektrotechnikThermodynamikPhysikalische ChemieWerkstofftechnikHöhere KonstruktionslehreFertigungslehreFeuerfeste WerkstoffeSoftskillsBWL und ProduktionstechnikSystemdynamik und RegelungElektrische MaschinenGusswerkstoffeBerufspraktische TätigkeitBachelorarbeit + KolloquiumMetallurgie und UmformtechnikMetallverarbeitungMetallerzeugungUmformtechnik
Struktur des Bachelors „Metallurgy and Metal Forming“ und des Dualen Studiengangs „Steel Technology and Metal Forming“
Mod le 1 Semester 2 Semester 3 Semester 4 Semester 5 Semester 6 SemesterModule 1. Semester 2. Semester 3. Semester 4. Semester 5. Semester 6. SemesterMathematics
Natural Science
Mechanics
Design Theory and Lab‐Engineering
Fundamentals of Electrical Engineering
Fundamentals of Computer Engineering
Mathematics MT
Computer Based Engineering Mathematics
Advanced Mechanics
Thermodynamics
Material Science
Design Theory
Steelmaking
Metal Physics
Metal Forming
Metallurgy
Technological Fundamentals
ElectiveElective
Non Technical Subject B
Project
Bachelor Thesis and Colloquium
Industrial Intership B
Struktur des Masters Metallurgie und Umformtechnik
Module 1. Semester 2. Semester 3. Semester
Thermodynamik und Kinetik metallurgischer Reaktionen
Wärme‐ und Stoffübertragung
Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe
Finite Elemente Methode
Plastomechanik und Umformverfahren
Schweißtechnische Fertigungsverfahren
Prozesssimulation in der Metallurgie und Umformtechnik
Masterarbeit
Masterarbeit Kolloquium
Wahlmodul I
Wahlmodul II
Struktur Master ISE Metallurgy and Metal Forming
Module 1. Semester 2. Semester 3. Semester 4. Semester
Material Testing
Mathematics and Mechanics
Advanced Mechanics
Thermodynamics and Transport Phenomena
Computer Application in Material Technology
Advanced Material Science
Product Engineering
Recycling of oxides and metallic waste materials
Gi ß d EGießen und Erstarren
Non Technical Subject
W hl fli ht d lWahlpflichtmodul
Master Thesis and Colloquium
Industrial Intership BIndustrial Intership B
Lehrstuhl für UmformtechnikLehrstuhl für Umformtechnik
Prof. Dr.-Ing. Paul Josef Mauk
Studiendekan der Fakultät für Ingenieurwissenschaften
Lehrveranstaltungen des LS Umformtechnik
• Design Theory I,II,III• PlastomechanikPlastomechanik• Umformtechnik I,II• Material Testing• Fatigue and Life Time of Machine Elements• Fatigue and Life Time of Machine Elements• Roll Pass Design and Section Rolling• Rechneranwendung in Metallurgie und Umformtechnik
Prozesssimulation• Prozesssimulation• Schwingungsanalyse metallurgischer Anlagen• Schwingungsanalyse mit MatLab
Wi h f li h T b i (L T h)• Wissenschaftliche Textverarbeitung (LaTech)• Höhere Festigkeitslehre/Enegiemethoden
WeiterbildungIMU – Seminar „Warm und Kaltwalzen“
Grundmodul 1:Metallkundliche Grundlagen
Grundmodul 2:Plastomechanik und Grundlagen
„Grundmodule (übergeordnet)
Metallkundliche Grundlagendes Warm‐ und Kaltwalzens
Plastomechanik und Grundlagen des Walzprozesses
Fachmodul 1: Fachmod l 3
FachmoduleFlachprodukte
Fachmodule Langprodukte
Technologie der Warmbanderzeugung
Fachmodul 2:
Fachmodul 3:Profilwalzen und WalzenkalibrierenStabstahl und DrahtFachmodul 2:
Technologie der Grobblecherzeugung
F h d l 5
Stabstahl und DrahtFachmodul 4:Walzen von Halbzeug und Profilen
h d l 6Fachmodul 5: Technologie der Kaltbanderzeugung und Bandbehandlung
Fachmodul 6:Walzen von I‐Trägern, Spundwänden und Schienen
und Bandbehandlung
DokumentationsumfangDatenmenge:• ca. 11 GByte elektronisches Datenvolumen• Fotokopien: ca. 2.000 Kopien je Teilnehmer• In Summe etwa 100.000 Kopien
Zahlen
Kennzahlen StandZeitraumZeitraum
Professor 1 31.03.2011
Wiss Mitarbeiter (Pl / D itt itt l ) 3 / 4 31.03.2011Wiss. Mitarbeiter (Plan/aus Drittmitteln) 3 / 4
Sonstige Mitarbeiter 2 31.03.2011
8 31 03 2011Studentische Hilfskräfte 8 31.03.2011
Studierende 84 31.03.201
Absolventen () ISE 15 31.03.201
Anfänger () ISE 20 31.03.201
Promotionen (pro Jahr) 31.03.2011
Drittmittel (2002-2010) 1.425.500 € 31.03.2011
Leistungsdaten des Lehrstuhl Umformtechnik2002-2010
• Verausgabte Projektmittel 2002-2010: 1.425.500 €
• Forschungsprojekte und eingeworbene Drittmittel: 2.980.000 € (ges)
• Anzahl wissenschaftlicher Drittmittelmitarbeiter: 8
P blik ti 57• Publikationen: 57
• Abschlussarbeiten unter Leitung von Prof. Mauk: 42
• Beiträge an den Internationalen Konferenzen: 17
•
Wissenschaftliches Personal des Lehrstuhls für Umformtechnik:
Prof. Dr.‐Ing. Paul Josef Maukg
‐ AOR Dr.‐Ing. B. Weyh, ‐ Beuke, Thilo, Dipl.‐Ing. ‐ Overhagen, Christian, B.Eng., ‐ Hübsch, Oliver, B.Sc.‐ Hinnemann, Michael, M.Sc.‐ Braun, Rolf, B.Sci.
b fü ll hi d l k ik k iLabor für Metallographie und Rasterelektronenmikroskopie:
Leitung: Dr.‐Ing. Olga MyronovaH h A ik W k t ff üf i‐ Hensch, Annika, Werkstoffprüferin
‐Waschkowiak, Elke, B.Eng.
Forschungsprojekte( it 2000)(seit 2000)
BMBF-Projekt: Werkstoff- und Verfahrenstechnik für das Metallspritzgießen von neuen kriechbeständigen
Magnesium-Legierungen (2000-2004)Projektsumme: 1 445 452 €Projektsumme: 1.445.452 €
Partner:Robert Bosch GmbH (Stuttgart), Volkswagen AG (Wolfsburg), Hengst Filterwerke GmbH & Co. KG (Münster), Mahle GmbH (Stuttgart), GKSS Forschungszentrum GmbH, Institut für Werkstoffforschung (Geesthacht), Magma Gießereitechnologie GmbH ( Aachen), u. a.
AiF Projekt: Dickwandiges bainitisches Gusseisen mit KugelgraphitAiF-Projekt: Dickwandiges bainitisches Gusseisen mit Kugelgraphit (2000-2003)
Partner: IfG Institut für Gießereitechnik GmbH (Düsseldorf)
Projektsumme : 90.869 €
BMBF- Projekt
Neue keramische Werkstoffe für Form und Profilwalzen undNeue keramische Werkstoffe für Form- und Profilwalzen und andere Komponenten der Walztechnik (2006-2009)
Projektsumme: 346 081 €Projektsumme: 346.081 €• Partner:• H.C. Starck-Ceramics GmbH & Co. KG (Selb), FCT- Technologie GmbH (Rauenstein)• Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik (Freiburg),au o e st tut ü e sto ec a ( e bu g),• ISFK Montanuniversität Leoben (Leoben/Österreich),• Buderus Edelstahl Band GmbH (Wetzlar),• TE-KO-WE GmbH (Bonefeld), BeaTec GmbH (Eschweiler),• Schlenk Metallfolien GmbH & Co. KG (Roth), Stabilus GmbH (Koblenz)• MK Metallfolien GmbH (Hagen)• Gesamte Projektsumme: 6.400.000 €
New ceramic materials
Rolled material: CrAl6; initial thickness: 0,30 mm ; Finished thickness: 0,050 mm; foil width: 314 mm; finished foil length: 27,5 kmR lli d 300 / i ll f 470 kNRolling speed 300 m/min, roll force max. 470 kN
Roughness characteristics of the ceramic rolls after the fourth pass:R 0 063 R 0 48 R 0 72Ra: 0.063 µm; Rz: 0.48 µm; Rmax: 0.72 µm
Load tests on a Si3N4 work roll for foil rolling in a 20 roll mill C i f 1400 kNCompression force: 1400 kN
Roll dimensions: diameter: 26,33 mm; length: 458 mm, diameter deviations: approx. 0.001 mm
Backup roll dimensions: diameter 35 mm, l th 480length 480 mm
User: MK Metallfolien GmbH HagenMK Metallfolien GmbH, Hagen, Germany 20 roll Sendzimir mill
New ceramic materials
350
Dehnung/Spannung an der Stirnfläche
250
300
80
100
150
20060
pann
ung
[MPa
]
ehnu
ng [µ
m/m
]
Arbeitswalze obenStützwalze rechtszwischen Stützwalzen
50
100
20
40
SDe zwischen Stützwalzen
0
50
00 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4
Kraft [MN]
T ti f i k ll f 20 ll ill i t ti i t t
Kraft [MN]
Testing of a ceramic work roll for a 20 roll mill in static compression test
New ceramic materials
Surfaces of ceramic rolls after 4 passesin a 20 roll Sendzimir mill
Surfaces of work rolls made from powder-metallurgical steel after 1 pass in a 20 roll Sendzimir mill
Universiti KebangsaanMalaysia Faculty of Engineering
mit dem Mercator Büro derUniversität Duisburg Essen
ArbeitsschwerpunkteArbeitsschwerpunkte
• Auslegung von Walzprozessenmit Stoff- und Wärmefluss
• Ermittlung Werkstoffkenndaten
• Entwicklung effizienter resourcenschonender• Entwicklung effizienter, resourcenschonenderWerkzeuge insb. Walzen aus Keramik
Hydropuls‐Universal‐Prüfmaschine 425 kN
Hydr. Presse mit425 kN max Presskraft425 kN max. Presskraft
•Stauchvorrichtung mit zweisäuliger Führung,
• Kraftmessung oben,
• verschiedene Wegaufnehmer von 250Wegaufnehmer von 250 bis 2 mm,
• Stauchbahnen aus unterschiedlichen Materialien
Seite 25
Stauchvorrichtung Presse gHydr. Presse mit 1,6 MN max. Presskraft
•Stauchvorrichtung mit viersäuliger Führung,g,
•separater Kraftmessung,
•verschiedene Wegaufnehmer von 400 gbis 2 mm,
•Stauchbahnen aus unterschiedlichen MaterialienMaterialien
Seite 26
Werkzeuge mit unterschiedlichen Einsätzen
Hartmetall, Werkzeugstahl 1.2379, Werkzeugstahl, Keramik (SiN)
Nutz‐ 90 mm 90 mm 160 mm 50 mmNutz‐ 90 mm, 90 mm, 160 mm, 50 mm
Fließkurvenaufnahme
• Bedeutung der Fließkurven als Grundlage für umformtechnische Berechnungen
• sinnvolle Funktionsansätze für Kaltfließkurven legierter• sinnvolle Funktionsansätze für Kaltfließkurven legierter Kaltstauchstähle
• möglichst genaue Beschreibung von Messergebnissen, Fehlerbetrachtung
• Genauigkeit der Fließkurvenfunktionen bei sehr kleinen und sehr großen Formänderungen
Seite 28
Bedingungen für die Fließkurvenfunktionen:
• möglichst genaue Beschreibung kleiner und auch großer Formänderungen
• richtige Beschreibung für den Verlauf der Funktion 0
• präzise Berücksichtigung der elastischen Dehnungen der Prüfmaschine und der
• präzise Berücksichtigung der elastischen Dehnungen der Prüfmaschine und der Stauchbahnen
• sinnvolle Extrapolierbarkeit der Funktion für große Formänderungensinnvolle Extrapolierbarkeit der Funktion für große Formänderungen
• übersichtliche Funktionen, einfache Handhabbarkeit
Seite 29
Mathematische Beschreibung der Stauchbahndeformation
02
04 1 1 2 1x R Rxr rw x p r K dr p r K dr t r dr x R
0 0
0 00 00 x x
w x p r K dr p r K dr t r dr x RE x x r E
2
0 0
4 1( )
R r rw x p r K dr x R
0 00 00
( )pE x x
PE Fläche der noch unverformten Stauchbahn
E Elastizitätsmodul des Stauchbahnwerkstoffes
Poisson – Zahl des Stauchbahnwerkstoffes
r Radius des Stauchkörpers
p (r) spezifische Normalkraft im Quellpunkt P
t (r) spezifische Radial (Reib‐) Kraft im Quellpunkt PW (Xo) vertikale Verschiebungskomponente im
Aufpunkt Po
bzw. vollständiges elliptisches
Normalintegral erster Gattung in der0
rKx
0xKr
Normalintegral erster Gattung in der
Legendreschen kanonischen Normalform mit
dem Modul r / Xo bzw. Xo / r
Seite 30
Messung und Auswertungg g
Kombination von Kraft‐ und Weg‐SchriebSchrieb
Seite 31
Messung und Auswertung
Bestimmung des l ßbFließbeginns
Seite 32
Messung und Auswertungg g
Bestimmung der Auffederung
Die Auffederung ist nicht linear
Seite 33
Messung und Auswertung
Elastischer Anteil der Maschine wird kompensiert
Seite 34
Messung und Auswertung
llDarstellung:
Spannung‐bez. Höhenänderungg
Darstellung: FließkurveFließkurve
Seite 35
1,50
Elastische Kennlinie der Prüfmaschine und der Stauchbahnen
1,25
0 75
1,00
mm
]
6 4 3
0,50
0,75
Weg
[
Maschinenkennlinie :y = -1389,4x6 + 1943,6x5 - 1071,9x4 + 297,23x3
- 44,055x2 + 6,7675x + 0,0013R2 = 0,99990,25
0,000,00 0,10 0,20 0,30 0,40
Kraft [MN]
Seite 36
Fließkurven Vergleich C35B2d = 10mm und d = 15 mm
1000
1100
1200
2 ]
800
900
ng k
f[N
/mm
2
500
600
700
Flie
ßspa
nnun
Durchmesser 15 mm
300
400
500F
Durchmesser 10 mm
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6Umformgrad
Seite 37
Labor für Metallographie und Rasterelektronenmikroskopie
Leitung:Fr. Dr.‐Ing. Olga Myronova
Lehrveranstaltungen:Lehrveranstaltungen:•Metallkunde•Werkstofftechnik•Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe•Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe
Ausstattung usstattu g
• Rasterelektronenmikroskop mit energiedispersiver Mikrobereichsanalyse REM/EDX S k dä d Rü k l k d d kREM/EDX, Sekundär‐ und Rückstreuelektronendedektoren.
• Anlage zum Bedampfen nichtleitender Proben mit Kohlenstoff oder Besputtern mit Gold
• Lichtmikroskop und Stereomikroskop p p
• Bilddokumentation, ‐be‐ und ‐verarbeitung (rechnergestützt, Fotographie)
• neun Metallmikroskope für Praktika
• Probenpräparationsstrecke mit der Struers /Bühler /ATM Ausstattung• Probenpräparationsstrecke mit der Struers‐/Bühler‐/ATM‐Ausstattung (Trennen, Einbetten, Schleifen, Polieren)
Arbeitsbeispiele:
• Untersuchung von SchadensfällenUntersuchung von Schadensfällen(auch mit Durchführung von fraktografischen Untersuchungen, d.h. Beurteilung von Bruchflächen im Rasterelektronenmikroskop(REM) und Anwendung der energiedispersiver Mikrobereichsanalyse
GJL
• Gefügeuntersuchungen an metallischen und nichtmetallischen Werkstoffen
• Bewertung von Gefügeparametern und Vergleich mit Normzuständen(Korngröße, nichtmetallische Einschlüsse, Graphitausbildung, Karbidausbildung
• Schichtdickenbestimmung von Auftragsschichten
• Ermittlung der Mikrohärte von GefügebereichenAZ 91MRI 230D Ni‐Basislegierung Gusseisen
INCAEnergy Softwareoption: PointID‐Navigator
REM ‐ Aufnahme 2300:1Nichtmetallische Einschlüsse
im Hohlraum des Schnellarbeitstahls
Charakteristisches EDX‐Spektrum der geschädigten Stelle
INCAEnergy Softwareoption: QuantMap ‐ Elementverteilungsbilder
SchnellarbeitstahlSchnellarbeitstahl
Laboreinrichtung
WarmzugvorrichtungT t bi 1200°CTemperaturen bis 1200°C
Elektronische Feindehnungsmessung
Umformgeschwindigkeit 0,0001 - 15 s-1Umformgeschwindigkeit 0,0001 15 s
Zugkräfte bis 100 KN
Warmwalzen
Labor-Praktikum:
Breitung beim WarmwalzenWarmwalzen
KaltwalzgerüstWalzgerüst als Duo oderWalzgerüst als Duo oder Quarto betreibbar
0,1 < vw < 2,6 m/s regelbar
Walzkraft-, Drehmoment-, Bandgeschwindigkeit- und BanddickenmessungBanddickenmessung
Haspelantriebe 5 kW
Bundgewichte bis 1 tBundgewichte bis 1 t
Draht-, Stab- und Rohrziehbank 200 kN
Ziehwerkzeuge:
16 mm bis 0,1 mm16 mm bis 0,1 mm
Zubehör:
Einstoßvorrichtung
Stopfenstange
Rundknetmaschine
Messwerterfassung:
- Ziehkraft,
- Ziehgeschwindigkeit
max. Länge pro Zug 4 m
Warmwalzgerüste im Umformlabor
Gerüst Duo Duo/Trio QuartoGerüst Duo Duo/Trio Quarto
Anwendung Warm/Kalt Warm Kalt m./o. Züge
Walzendurchmesser 110 mm 360 mm (max ) 300 mm (max )Walzendurchmesser 110 mm 360 mm (max.) 300 mm (max.)90 mm (min.)
Ballenlänge 160 mm 600 mm 200 mm
Antriebsleistung 36 kW 130 kW 32 kW
Walzgeschwindigkeit 0,63 m/s (fest) 1,6 m/s (fest) 0 .. 2,6 m/s
Messtechnik Geschwindigkeit Geschwindigkeit,Walzkraft
Geschwindigkeit,Walzkraft,BandzugBandzug,Drehmoment
PC-gestütztes Laser-Messsystem zur Durchmesserbestimmungfür Vollquerschnitte (bis 40 mm Durchmesser, Länge bis 1160 mm)
Durchmesser-messung in2 Ebenen
Abbildung von Querschnittsdaten mit dem Nenndurchmesser 20 mm
10,5
(+- 0,001 mm)
Positionierungs-auflösung:
9,5Messwerte
Untergrenze Nenndurchmesser
Obergrenze Messung Divisor 0,5 V 500
Messung Divisor 0,5 V 100auflösung:
x: 0,09°y: 0,002 mm
Messung Divisor 0,5 V 100
Grundlagen des Warm- und KaltwalzensStreifenmodell für das WalzenStreifenmodell für das Walzen
A) wirkende Kräfteanteile im Walzspalt Kräfteanteile an der Kontaktfläche in derB) Voreilzone C) Nacheilzone) )
Vertikale Kräfteanteile im Walzspalt
N lk f Normalkraft:Reibkraft:Druckkräfte:
Nx NF dlsin
F dl cos Druckkräfte:
x1 x xF h d h RxF dl cos
Walzguthöhe:Bogenlänge:
x 2 xF h
21h h r '
dl r 'd
Statisches Kräftegleichgewicht
statisches Kräftegleichgewicht: Summe aller Kräfte in Wirkungsrichtung g g
ist gleich Null
x1 Nx Rx x 2F 2 F 2 F F 0
x x Nh d h 2 dlsin
x2 dlcos h 0
v. Karman‘sche Differentialgleichungg g
U ll d K äf l i h i h li fUmstellen des Kräftegleichgewichts liefert:
d h
Ersetzen von über die Tresca‘sche Fließ-bedingung und
xN
d h2 r ' sin cos
d
die horizontale Druckkraft x y y
y x fk
x N ftan k
Berechnungssystem „Walzmodell“Geometrische Eingangsgrößen Reibgesetz (µ)
FließkurveTemperatur
Breitungsgleichung
Streifenmodell der Elementaren TheorieWerkstoffmodell
Numerische Lösungsverfahren Wärmebilanz beimWalzen
Kinematik StatikKinematik Statik
Material- und Gerüstgeschwindigkeiten
Kraft- und TemperaturArbeitsbedarf Fließspannung
Fließscheidenlage
Modell nach Alexander (1972)
( ) ( ) Nµ ( , )GRN
Nd Fd 1 2( , ) ( ) ( ) N NF f f
max
( )( )
2fk
( ) ( )Nµ
( )
N
HRN
dd Gd
1 2( , ) ( ) ( )N Nf f
1 2
( )2 '2 ' 1 ( ) sin( )cos ( ) cos
( ) ; ( )1 tan 1 tan
ff
dkrµ r kh dh
f fµ µ
1 tan 1 tan µ µ
2
( )2 ' 1 ' 1 1( ) sin 1 tan cos 1 tan2 2 cos 2
ff
dkr rG kh h d
0 00 0 0( ) ( ) i ( ) i
Fb d d d
Berechnung der Walzkraft und des Walzmomentes:
22 2 cos 2 f h h d
0 00 0
0 00 0 00 0
' ( ) cos ' ( )sin ' ( )sin2 2 2
F
FW NF b r d r d r d
0 00 00
00
'( ' ) ( )sin ' ' ( ) ( ' ) ( ) cos2 2
2' ' ( ) ( ' ) ( ) cos
2
F
F
N
dges
r r r d r r r r dM b
r r r r d
0 2
Modell nach Venter und Abd‐Rabbo (1977)
GR
( )( ) fk
( ) ( ) Nµ ( , )
( )
GRN
N
HRN
d Fd
d G
für Gleitreibung mit
für Haftreibung mit
( )( ) 2 ' cos ( )sin( )2 ( )( ) 2 '( , ) 2 ( , ) ( , )sin( ) 2 ( )
NfN
N
dtr tkµdk r dF a ad k a h
max( )2
( )Gd
für Haftreibung mit
( ) 2 ( ) 1 2 ( )
fd k a h ta
2 ' ( ) 2 '( ) 2 , ( , ) sin ( ) ( ) sin cos( ) ( )
dkdk r dt rG a k a t k td h d d h
( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( )d h d d h
1 1( )t 2
21( ) 1 cos a a d
Mit: 2 ( ) Na µ ( )
tant
0( , ) 1 cos
sin
a a d
Berechnung der Walzkraft und des Walzmomentes:
Mit:( )f
µk
0 00 0 02 '( ' ) ( )sin ' ' ( ) ( ' ) ( ) cos ' ' ( ) ( ' ) ( ) cos
F
dM b r r r d r r r r d r r r r d
0 00 0 00 0
' ( ) cos ' ( )sin ' ( )sin2 2 2
F
FW NF b r d r d r d
0 02 ( ) ( )sin ( ) ( ) ( ) cos ( ) ( ) ( ) cos
2 2 2
F
dges NM b r r r d r r r r d r r r r d
Walzmodell nach Freshwater (1996)
( )( ) fk
( ) ( ) Nµ
1 2( )
df fd
dff
für Gleitreibung mit
für Haftreibung mit max( )2
3 4 fd
für Haftreibung mit
2 ' sin cosr µh
1 1( ) 2 ' ( ) sin cos / 1 r k a µ µ
1( )1 11
tan
h
µ
2 ( ) 2 ( ) , sin cos / 1tan
fr k a µ µ
2 'r 41 1 1 1( ) 2 ' ( ) ( ) sin cosfr k
221( ) 1 cos
a a d Mit: 2 ( )
Na µ 1 1, N ff h k a
32( ) sinr
h
4 ( ) 2 ( ) ( ) sin cos
2 tan 2fr k
0( , ) 1 cos
sin
a a d
0 0 F
Berechnung der Walzkraft und des Walzmomentes:
( )
f
a µk
,tan
N ff
0 00 0 00 0
2 '( ' ) ( )sin ' ' ( ) ( ' ) ( ) cos ' ' ( ) ( ' ) ( ) cos2 2 2
F
Fdges NM b r r r d r r r r d r r r r d
0 00 0 00 0
' ( )sin ' ( ) cos ' ( ) cos2 2 2
F
FW NF b r d r d r d
0 02 2 2
F
Anwendungsbeispiel für WalzmodelleSiebengerüstige Fertigstaffel einer WarmbandstraßeSiebengerüstige Fertigstaffel einer Warmbandstraße
Stich Banddicke [mm] Bandbreite [mm] Arbeitswalzen Ø [mm]
00 1000 0045.00 1000.00
1 25.00 1000.00 750
2 11.31 1000.00 750
3 5.70 1000.00 750
4 3.25 1000.00 650
5 2.06 1000.00 650
6 1.48 1000.00 650
7 1.20 1000.00 6507 1.20 1000.00 650
Bandwerkstoff: Kohlenstoffstahl C55Anfangstemperatur: 1050 °CEndwalzgeschwindigkeit: 11 m/s
B h t W l k äft fü di i b ü ti F ti t ff lBerechnete Walzkräfte für die siebengerüstige Fertigstaffel
25(Bandanfang)
20
15
ft [M
N]
10
Wal
zkra
f
Alexander
Lippmann und Mahrenholtz
F h t
5
Freshwater
Yuen, Dixon und Nguyen
Lippmann und Mahrenholtz (DGL)
01 2 3 4 5 6 7
S i hStichnr.
Berechnete Drehmomente für die siebengerüstige Fertigstaffel
1600(Bandanfang)
1400
1600N
m]
1000
1200
Wal
zen
[kN
Alexander
Lippmann und Mahrenholtz
800
für b
eide
W
Freshwater
Yuen, Dixon, Nguyen
Lippmann und Mahrenholtz (DGL)
400
600
ehm
omen
t Lippmann und Mahrenholtz (DGL)
0
200
Dre
01 2 3 4 5 6 7
Stichnr.
Walzen von Warmband mit Speed‐Up: Temperaturausgleich in der Fertigstaffel
Bandanfang
BandendeBandende
Walzen von Metallfolien mit keramischen Arbeits al en a f Mehr al engerüstenArbeitswalzen auf MehrwalzengerüstenKooperationsprojekt
Unversität Duisburg-EssenInstitut für Metallurgie und UmformtechnikLehrstuhl Umformtechnik
MK Metallfolien GmbHVolmarsteiner Straße 1-958089 HagenLehrstuhl Umformtechnik
Prof. Dr.-Ing. P. J. Mauk58089 Hagen
Ziele des ProjektsDie Erprobung keramischer Arbeitswalzen beim Walzen von Folien in Sendzimirgerüstenhat gezeigt:
• Es sind geringere Walzkräfte zu erwarten als mit Stahlwalzen• Es sind pro Stich größere Formänderungen erreichbar• Mitunter können Stiche eingespart werden• Damit ist eine deutliche Effizienzsteigerung bei der Folienproduktion zu erwartenDamit ist eine deutliche Effizienzsteigerung bei der Folienproduktion zu erwarten
Zur Einführung der neuen Technologie bedarf es der genauen Untersuchung des Kaltwalzprozesses von Folien, da die in Folienwalzwerken vorhandenen Prozessmodelle für keramische Arbeitswalzen ungeeignet sind.
Entwicklung eines Prozessmodells für das Folienwalzen mit keramischen Arbeitswalzen Modellierung der gegenüber Stahl veränderten Verformungs- ,Reibungs- und Transporteigenschaften des keramischen Walzenwerkstoffs (Si3N4) und der damit verbundenen Einflüsse auf das ( 3 4)Prozessverhalten eines Sendzimirgerüstes
Validierung des Modells durch Erprobung im Walzwerksbetrieb des Projektpartners
Nachweis der Einsetzbarkeit und Zuverlässigkeit keramischer Walzen bei der Herstellung von Folien
Struktur: Prozessmodell für das Folienwalzen
Walzspaltmodell Gerüstmodell:Planheitsmodell:
Tribologisches Modell(Reibung)
Walzspaltmodell,Walzkraft
Gerüstmodell:Verschiebung von Arbeits- undStützwalzen
Planheitsmodell:Walzenbiegung
Elastische DeformationTemperaturmodell Folie
Werkstoffmodell Folie (Fließkurve)
Arbeitswalzenp
Temperaturmodell Arbeitswalzen
Stichplanoptimierung
Bessere Ausnutzung der Produktionsanlage
Walzen dünnererFolien
Ausnutzung desPotentials desNeuen Walzenwerkstoffs Produktionsanlage FolienNeuen Walzenwerkstoffs
Klassischer Ansatz für ein Walzspaltmodell
h h 2 1
N Rdf 2r sin cosd
Differentialgleichung nachv. Karman [Ka25]:
Annahme einer zylindrischen Walzenkontur: 1h h 2r 1 cos
Modelle auf dieser Basis sind vielfach verfügbar und untersucht worden [OvMk08]
z. B. nach Freshwater [Fre96]: 1 2df f [ ] 1 2d
2 ' sin cosr µh
sin cos( ) 2 ' ( )
µr k a
Gleitreibung:
1( )
1 11tan
h
µ
2 ( ) 2 ( ) ,1 11
tan
fr k aµ
Haftreibung:
21 1 1
Haftreibung:
32 '( ) sinr
h
41 1 1 1( ) 2 ' ( ) ( ) sin cos2 tan 2fr k
Wichtig ist: nicht die Elementare Theorie mit ihren Annahmen versagt beim Folienwalzen, sondern die Annahme über eine zylindrische Walzenkotur ! [We01]
2
0
1( , ) 1 cossin
a a d
1 1,
tan
N ff h k a
Annahme über eine zylindrische Walzenkotur ! [We01]
WalzendeformationKlassischer Ansatz nach Hitchcock [Hi]
Die Walze bleibt zylindrisch, jedoch vergrößert sich der im Kontaktbereich arbeitende WalzenradiusKontaktbereich arbeitende Walzenradius
2R
R 1 0
16 1r ' F1r E b h h
Gültig im Bereich moderater Walzspaltverformungen (r‘/r < 2)Gültig im Bereich moderater Walzspaltverformungen (r /r < 2)
Darüber hinaus weicht die Walzenkontur von einer kreiszylindrischen Form ab und die Gleichung kann nicht mehr angewandt werden.g
Desweiteren kommt es bei sehr starken örtlichen Verformungen zur Bildung einer Transportzone im Walzspalt, in der die Folie keine Dickenabnahme erfährt
Dies erklärt die Abweichungen zwischen Wirklichkeit und der klassischen Theorie (Es
[FJMZ]
Wirklichkeit und der klassischen Theorie (Es werden tatsächlich dünnere Folien gewalzt, als die klassische Theorie erklären könnte)
[FJMZ]
Walzspaltmodell für Folien
xx N
d dhh x 2 0dx dx
Modifizierte Karmansche Differentialgleichung (Vereinfachungen für kleine Winkel):
Elastische Zonen Eintritt/Austritt Plastische HaftzonePlastische Gleitzonen
In dimensionsloser Form geschrieben nach [Sut01]
*S S
fe S
d 1 dT 2UPPdX T dX T
EdP 1 dT 2UPdX k T dX 1 T
*1 S
fe*
1 S
fe
C EdP 1 dTdX k T dX
C E dTQk dX
f
fe
kdP 1 dT 2QdX k T dX TQ UP
fe
Walzendeformation:Numerische Lösung für elastischen Halbraum mit abschnittsweise linearer Spannungsverteilung nach Johnson [Joh]:
N
i ij 1j jj 1
B X D D P
2 2 2 2 2 2ij 0
CD k 1 ln k 1 k 1 ln k 1 2k lnk D2
Johnson [Joh]:
j 2k i j
Beschreibung der auf der Walze senkrecht stehenden Spannungsverteilung durch überlappende Dreieckselementepp
Ergebnisse der Walzenverformung
Stichplan für ein Sendzimirgerüst:Arbeitswalzendurchmesser 23 mm
Berechnete Walzspaltkontur im letzten Stich:
Stich Dicke [mm]
0,075
1 0,054
2 0,043
3 0,035
4 0,030
5 0 0275 0,027
6 0,025
Die Walzspaltform weicht sehr deutlich von der zylindrischen Anfangsform ab. Bei Stahlwalzen erheblich stärker als bei Keramikwalzen, aber auch bei Si3N4 ist die Annahme der zylindrischen Kontaktform unzulässig!Annahme der zylindrischen Kontaktform unzulässig!
Berechnete Walzkraftverteilung6 Stiche: 0,075 mm auf 0,025 mm; Bandbreite 300 mm
300
200
250
Stahl-Walzen
Siliziumnitrid-Walzen
150
aft [
kN]
Walzen
100Wal
zkra
50
00,0250,030,0350,040,0450,05
Banddicke [mm]
Ambitionierter Beispielstich
h0 = 0,020 mm; h1 = 0,010 mm; dw = 23 mm
Das sprungartige Anwachsen der Walzkräfte bei extrem geringen Banddicken lässt sich durch die Ausbilung der Transportzone erklärenlässt sich durch die Ausbilung der Transportzone erklären
Bei keramischen Walzen können geringere Foliendicken erreicht werden, da das Entstehen der Transportzone erst bei dünneren Folien einsetzt
Datenaufnahme für das Werkstoffmodell
Zur Zeit untersuchte Werkstoffe:CrAl20.5 (1.4767) und
Bandmaterial in Anlieferungsdicke 0,45 bzw. 0,3 mm
Kaltfließkurvenaufnahme mit
( )CrAl14.4 (1.4725)
, ,
Kaltfließkurvenaufnahme mit Schichtstauchversuchen
Ronden geschnitten perWasserstrahlschneidanlage
FliesskurvenaufnahmeF li k t ffFolienwerkstoffeIm Rahmen des Projektes entwickeltes Stapelwerkzeug erleichtert die Probenpräparation:
Blechdicke: 0,3 mm
Probenhöhe: 12 mm (40 Ronden) Erreichbarer Umformgrad ca. 1,2
Kaltfließkurven von Folienwerkstoffen
Sehr gute Approximationsergebnisse wurden mit dem Funktionsansatz
B D Cfk A e erreicht (R² > 0.98) f ( )
Zum Nachlesen
[Fre96] I. J. Freshwater: Simplified Theories of Flat Rolling, Int. J. Mech. Sc., 1996
[FJMZ] N.A. Fleck, K. L. Johnson, M. E. Mear, L. C. Zhang: Cold Rolling of Foil, Proc. Instn. Mech. Engrs., Vol. 206, S. 119‐131
[Hi] J H Hitchcock: Elastic Deformation of Rolls During Cold Rolling ASME Rep Of Spec Res Committee on[Hi] J. H. Hitchcock: Elastic Deformation of Rolls During Cold Rolling, ASME Rep. Of Spec. Res. Committee on Roll Neck Bearings, 1935, S. 33‐41
[Joh] K. L. Johnson: Contact Mechanics, Cambridge University Press, 1987
[OvMk08]: Ch. Overhagen, P. J. Mauk: Die moderne Elementare Plastizitätstheorie zur Lösung technologischer Aufgabenstellungen beim Warm‐ und Kaltwalzen, in: R. Kopp, K. Steinhoff: Der Pawelski – Umformtechnik im Spannungsfeld zwischen Plastomechanik und Werkstofftechnik, GRIPS Media, 2008
[Pa04] H. Pawelski: Interaction between mechanics and tribology for cold rolling of strip with special emphasison surface evolution. Habil. Schr., TU Freiberg, 2004
[Sut01] H R Le M PF Sutcliffe: A Robust Model for Rolling of Thin Strip and Foil Int J Mech Sc 43 (2001) S[Sut01] H.R. Le, M.P.F. Sutcliffe: A Robust Model for Rolling of Thin Strip and Foil, Int. J. Mech. Sc., 43 (2001), S. 1405‐1419
[We01]: L. Weingarten: Die Elementare Walzspalttheorie in Grenzfällen des Kaltwalzens, in J. Hirsch: Walzen von Flachprodukten DGM 2001von Flachprodukten, DGM 2001
MPC – Mill Process CalculationsBerechnungen zum Profilwalzen
Kernstück der Berechnungen ist der hier notwendige Geometrieprozessor.
Kaliber und Profile werden durch umlaufende Konturen beschrieben.Damit ist eine numerisch universelle Behandlung unterschiedlichster Geometrien möglich.
Z B i d B h di K lib i i d A ti h h ittZu Beginn der Berechnung muss die Kalibrierung, sowie der Anstichquerschnittvom Benutzer vorgegeben werden, außerdem bestimmte Anlagen- und Werkstoffparameter. (Fließkurve, Gerüststeifigkeiten, Walzendurchmesser, …)
Neben der Berechnung mit vorgegebenen Kalibern, können auch Zwischenkaliber einer Kaliberreihe optimiert werden („Freie Kalibrierung“)
Verfügbare Kalibertypen:
KastenZweiwalzensystem:
Unsymmetrischer KastenRauteQuadratA f h itt R tAufgeschnittene RauteOvale (Einradienoval, Zweiradienoval, Dreiradienoval)Rund als Vor- und Fertigkaliber
Dreiwalzensystem:
FlachbahnEin- und ZweiradienrundKreisrundAufgeschnittenes Rund
Geometrieergebnisse Stichfolge Rund-Oval-Rund
Stich Rund in Oval Stich Oval in Rund
Geometrieergebnisse Stichfolge Dreiwalzensystem
Flach-FlachFlach - Oval
Oval - Rund
Rolling of Heavy Sections
P ibl b ti f b bl k tiPossible beam section from one beam-blank section
Die wichtigsten Ergebnisse werden in Stichtabellen zusammengestelltS T I C H T A B E L L E
=======================================================================================================================
Inputfile : leru_b12.MIF, Datum : 07.04.2011Outputfile : leru_b12SA.D, Zeit : 12:29:01 , Werkstoff : C15
Ger Profil h x b Öff/Schl Spalt Flaeche EpsA Gesamt Walzendurchm. Geschw. Drehzahl Typ Profil Strckg. Nenn Arb. Walzgut Walze
[mm] [mm] [mm] [mm^2] [%] [mm] [mm] [m/s] [1/min] ANST RECHTKANT 243.120 x 243.120 58763.8551H KASTEN 156.600 x 272.957 0.000 50.000 42436.082 27.785 1.3848 1050.00 943.41 0.627 12.37 2V KASTEN 185.000 x 178.801 0.000 50.000 32471.604 23.481 1.8097 1050.00 915.40 0.819 16.74 3H KASTEN 112.500 x 209.038 0.000 50.000 23395.906 27.950 2.5117 800.00 737.51 0.609 15.32 4 S 137 000 131 270 0 000 50 000 17650 123 24 559 3 3294 800 00 713 47 0 808 21 114V KASTEN 137.000 x 131.270 0.000 50.000 17650.123 24.559 3.3294 800.00 713.47 0.808 21.11 5H OVAL3R 98.073 x 153.031 0.000 18.000 12753.139 27.745 4.6078 640.00 571.06 0.681 22.07 6V RUNDV 113.000 x 109.620 0.000 18.000 9963.590 21.873 5.8979 640.00 558.58 0.872 29.06 7H OVAL3R 64.622 x 132.137 0.000 17.000 7118.782 28.552 8.2548 640.00 598.09 1.220 37.21 8V RUNDV 82.000 x 80.010 0.000 16.000 5266.351 26.022 11.1584 640.00 581.97 1.649 52.06 9H OVAL3R 51.696 x 93.758 0.000 15.000 4043.769 23.215 14.5320 520.00 487.85 1.141 42.83 10V RUNDV 64 000 x 61 479 0 000 14 000 3184 638 21 246 18 4523 525 00 481 39 1 449 55 4010V RUNDV 64.000 x 61.479 0.000 14.000 3184.638 21.246 18.4523 525.00 481.39 1.449 55.40 11H OVAL3R 38.339 x 74.510 0.000 10.000 2386.982 25.047 24.6185 420.00 394.93 1.933 89.19 12V RUNDV 48.000 x 47.388 0.000 10.000 1813.777 24.014 32.3986 425.00 391.78 2.543 118.84 13H OVAL3R 30.973 x 55.049 0.000 8.000 1405.072 22.533 41.8227 340.00 319.88 3.283 187.87 14V RUNDV 39.000 x 36.796 0.000 9.000 1171.497 16.624 50.1613 425.00 398.55 3.938 181.69 15H OVAL1R 27.256 x 43.601 0.000 6.000 978.915 16.439 60.0296 340.00 321.44 4.713 270.10 16V RUNDF 32.416 x 31.965 0.000 5.000 824.597 15.764 71.2638 425.00 400.85 5.595 256.82
Die Detailergebnisse enthalten außerdem für jeden Stich Daten zu folgenden Punkten:• Geometrie• Kraft- und Arbeitsbedarf• Temperaturbilanz • Längsspannungen
Studie: Wirkungen von Längsspannungen bei der Walzdrahterzeugung inmehradrigen Drahtstraßen (2007-2008)mehradrigen Drahtstraßen (2007 2008)
Modellierung des Walzprozesses in vieradrigen Drahtstraßen von der Vorstraße bis zum FertigblockVorstraße bis zum Fertigblock
Instationäre, zeitabhängige Beschreibung des Prozesses vom Anstich des ersten Knüppels der ersten Ader bis zur StabilisierungAnstich des ersten Knüppels der ersten Ader bis zur Stabilisierung eines stationären Walzvorgangs
Alle Modellergebnisse von MPC werden dabeiAlle Modellergebnisse von MPC werden dabei zeitabhängig in jedem Gerüst und jeder Walzader berechnet.
Insbesondere: Informationen über die Toleranzveränderung entlang der Walzader
Berechnete Walzendurchbiegung bei vieradriger Walzenbelastung
Die Effekte von Längsspannungen auf die Breitung beim Walzen im Kaliber
Gesamtformänderung:
Empirisches Modell nach Dobler/Mauk (1998) *
l,total l,0 l, Gesamtformänderung:
01l,0
Alln lnl A
“Freie” Formänderung, die nicht durchLä b i fl i l,0
0 1l A Längsspannungen beeinflusst ist:
Längsspannungsbeeinflusste Zusatzformänderung:Längsspannungsbeeinflusste Zusatzformänderung:
2
R R Rl 1 2 3k k k
l, 1 2 3fm fm fm
k k kk k k
0 db Ak 0 di i1 h i2 i3i 1,2,3
0 m
k m m mh A
* [Dob98]
Geschwindigkeit Beeinflussung der Adertoleranz und Modelltypen
LängsspannungVoreilung
Fließscheide FormänderungSpannungsverteilung
Walzkraft Gerüstauffederung Breitung / Querschnitt
p g g
Querschnitt
Bei vorgegebenen Längsspannungen werden die Querschnitte über die Gerüstanstellungen so angepasst, dass jeweils die vorgegebene Drehzahl erreicht wird. Das Kopplungskriterium
Zur Berechnung der wirkenden Längsspannungen muss das gesamte System iterativ gelöst werden,
(Längsspannung) ist hier konstant vorgegeben, so dass sich die Lösungen mehrerer Gerüste nicht gegenseitig beeinflussen. (Modell 1)
Zur Berechnung der wirkenden Längsspannungen muss das gesamte System iterativ gelöst werden, Konvergenzkriterium ist die Erreichung eines konstanten Volumenstroms, bzw. der vorgegebenen Drehzahlen. Schwierigkeit: Hier beeinflussen sich die Gerüste gegenseitig in beiden Richtungen(Modell 2)
Layout und Einrichtungen eines vieradrigen Drahtwalzwerkes
Mit freundlicher Genehmigung der SMS Meer
Berechnete Querschnitte der ersten Ader in Gerüst 16 (Einlauf Fertigblock)
Nenndurchmesser:16 mm
1st strand only 1st and 2nd strand
1 t 2 d d 3 d t d All f t d1st, 2nd and 3rd strand All four strands
Kalibrierung eines Fertigblocks für die Abmessung 5,5 mm mit zehn Gerüsten
Anstich 17 0 mm RundAnstich: 17,0 mm Rund
Auswirkungen von Anstichquerschnittsschwankungen auf den Fertigquerschnitt
A) Anstichquerschnitt: 17 0 B) Anstichquerschnitt: 16 5 C) Anstichquerschnitt: 17 5A) Anstichquerschnitt: 17,0 mm
B) Anstichquerschnitt: 16,5 mm
C) Anstichquerschnitt: 17,5 mm
Entwicklung eines Fertigungs- und Modellierungssystems für sehr große g y g
Stütz- und Arbeitswalzen
Gefördert durch das Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz
(LANUV NRW)
Kooperationsprojekt zwischenKooperationsprojekt zwischen
Universität Duisburg-EssenUniversität Duisburg EssenInstitut für Metallurgie und Umformtechnik
Lehrstuhl für Umformtechnikwww.uni-due.de/imu
ndund
KARL BUCH WalzengiessereiKARL BUCH Walzengiesserei GmbH & Co. KGwww.karl-buch.de
Projektdauer: 01/2011 - 12/2013Zuwendung IMU: 350 000 €Zuwendung IMU: 350.000 €
Projekt „Große Walzen“
AktuellG h ißt R h Bl h bi 5 B it• Geschweißte Rohre aus Blechen bis zu 5 m Breite
• Damit Rohrdurchmesser von ca. 60 Zoll möglich• Bedarf an fossilen Energieträgern wie Gas und Erdöl steigendg g g• Höheres Transportvolumen notwendig
ZukunftZukunft• Größere Rohrdurchmesser: 70 - 75 Zoll• Weiterentwicklung der Grobblechwalztechnik zu Blechbreiten von über 6 m• Neue Größenordnung von Grobblechwalzwerken nötig, insbesondere der
Stütz- und Arbeitswalzen
Projekt „Große Walzen“
Problemstellung:• Bekannte Berechnungsmodelle für Walzen bei viel kleineren Geometrien
itt ltermittelt• Breite Walzen unterliegen komplexen Belastungen• Unterschiedliche mechanische Eigenschaften Rand/Kern bei großen
Arbeits al en in Verb ndg sstechnik für Berechn ngen ka m nters chtArbeitswalzen in Verbundgusstechnik für Berechnungen kaum untersucht• Kenntnis aus Spannungen und Deformationen Grundlage bei
Bauteilbeurteilung (gegen plastische Deformation und Bruch)Räumliche Verteilung der Werkstoffkennwerte unbekannt• Räumliche Verteilung der Werkstoffkennwerte unbekannt
• Eigenspannungszustand nach Guss und Wärmebehandlung unbekannt• Walzeneinbauten ergeben komplexe dreidimensionale
Verformungsgeometrie (entscheidend für Toleranzen des Bleches)Verformungsgeometrie (entscheidend für Toleranzen des Bleches)• Für Weiterentwicklung der Grobblechtechnologie ist gezielte Auslegung und
Fertigung derart großer Walzen von Bedeutung
Ziel des Forschungsvorhabens: Entwicklung betriebssicherer sehr großer Stütz- und Arbeitswalzen zum Warmwalzen sehr breiter BlecheWarmwalzen sehr breiter Bleche
Projekt „Große Walzen“
Modellierung• Berechnung von einfachen Körperformen und Lastsituationen mit
hl lö b M d llgeschlossen lösbaren Modellen• Bei komplexen Bauteil- und Materialstrukturen bzw. Lager- und
Lastbedigungen Belastungen und Verformungen sehr groß -> nichtlinear-elastische Ansätze erforderlich -> FEM-Simulationelastische Ansätze erforderlich -> FEM-Simulation
• Problem für brauchbares FEM-Modell: erforderliche Material-Daten• Hohe Rechenzeiten bei Deformations- und Spannungsanalysen mit FE-
SoftwareSoftware• Ergebnisse im Walzbetrieb prozessbegleitend erforderlich• Daher Kombination aus geschlossen lösbaren und empirischen
Berechnungsmodellen (Näherungsverfahren)Berechnungsmodellen (Näherungsverfahren)• Zur Beurteilung der Genauigkeit der Rechenergebnisse sind Versuche zur
Ermittlung der gesuchten Daten unabdingbar
Bau und Inbetriebnahme eines Prüfstandes zur Messungen des Spannungs- und Verformungszustandes von großen Walzen unter betrieblichen Belastungenbetrieblichen Belastungen
Finite Element StrukturFinite Element Struktur
Stütz-walze
A b itArbeits-walze
∆: Position AuflagermitteBallendurchmesser Stützwalze: 2400 mmO: Position Biegekrafteinleitung A-Walze
O: Position Walzkraft ArbeitswalzeBallendurchmesser Stützwalze: 2400 mmBallendurchmesser Arbeitswalze: 1310 mmBallenlänge aller Walzen: 6000 mm Walzkraft: 123 000 kNBiegekraft an Arbeitswalze: 4000 kNBiegekraft an Arbeitswalze: 4000 kN
Durchbiegung von Arbeits- (rot) und Stützwalze (blau)Material Arbeitswalze: Stahl (E = 210 000 N/mm²)Material Arbeitswalze: Stahl (E 210 000 N/mm )
aft
zee
Bie
gekr
aA
rbei
tsw
alz
Ohn
ean
Ae
Bie
gekr
aft
beits
wal
ze40
00 k
N
Mit
Ban
Arb
F B=
Temperatur, Verformung und SpannungenMaterial Arbeitswalze: Stahl (E = 215 000 N/mm²)
Temperatur, E-Modul und SpannungenMaterial Arbeitswalze: Gusseisenkern (E = 170 000 N/mm²)
mit Arbeitsschicht aus Stahl (E = 215 000 N/mm²)mit Arbeitsschicht aus Stahl (E 215 000 N/mm )
Danke für Ihre Aufmerksamkeit!Danke für Ihre Aufmerksamkeit!
Fakultät für IngenieurwissenschaftenFakultät für IngenieurwissenschaftenInstitut für Metallurgie und Umformtechnik
Universität Duisburg Essen
Lehrstuhl für UmformtechnikLehrstuhl für UmformtechnikProf. Dr.-Ing. Paul Josef Mauk
Postanschrift: Forsthausweg 2, 47048 DuisburgH h ift F i d i h Eb t St 12 47119 D i b LHausanschrift: Friedrich-Ebert-Str. 12, 47119 Duisburg-Laar
Tel. +49 (0) 203 379 3456 Fax +49 (0) 203 379 3464
www.uni-due.de/imu