Lehrstuhlpresentation 04/2011

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


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


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


Elastischer Anteil der Maschine wird kompensiert

Seite 34


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


( ) 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


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


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


( )

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


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


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

Lehrstuhlpresentation 04/2011

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