Method for manufacturing seamless conical rings with defined inclination angles on radial-axial ring rolling mills
Final Report Abstract
Das übergeordnete Ziel des Gesamtvorhabens war es Walzstrategien zu entwickeln, mit denen schüsselförmige Ringe auf konventionellen Radial-Axial Ringwalzwerken ohne den Einsatz aufwändiger profilierter Spezialwerkzeuge reproduzierbar erzeugt werden können. Im 1. Förderzeitraum wurden unterschiedliche Walzstrategien getestet. Diese basierten auf der Hypothese, dass konische Ringe dann entstehen, wenn der Innendurchmesser einer größeren Streckneigung als der Außendurchmesser unterliegt und zudem der Ring labil genug ist, um in die Schüsselform umzuklappen. Das als Test durchgeführte axiale Abwalzen von definiert eingedrehten „Breitungswülsten“ auf den Ringstirnflächen an der Ringinnenseite führte allerdings in keiner der durchgeführten Walzungen zum Umklappen und Klettern der Ringe, da das Material nicht in den Ringkörper eingewalzt wurde und sich damit kein ausreichend großer Gradient des tangentialen Stoffflusses einstellte. Der erforderliche Gradient des tangentialen Stoffflusses konnte jedoch durch eine starke axiale Zustellung scheibenförmiger Ringe bewirkt werden. Durch die Geometrie der Axialwalzen nimmt die gedrückte Länge mit zunehmendem Radius zu. Je größer die gedrückte Länge ist, desto stärker ist die Breitung und desto geringer die Streckung. Infolgedessen neigt der Ring an der Außenseite dazu, stärker zu breiten und an der Ringinnenseite dazu, stärker in tangentialer Richtung zu strecken. Damit entsteht der entsprechend der Hypothese erforderliche Gradient des tangentialen Stoffflusses, der in Verbindung mit einem Initiator zum Klettern führt. Eine auf diesem Prinzip basierende Walzstrategie konnte erfolgreich in FEM und im Realprozess umgesetzt werden. Die Reproduzierbarkeit des Kletterprozesses war jedoch nur sehr gering und die maximalen Abweichungen der Ringgeometrie von den Mittelwerten der so erzielten Schüsseln waren so groß, dass für deren industrielle Anwendung ein erhebliches Aufmaß in Kauf genommen werden müsste. Bei allen Versuchen, bei denen kein Ringklettern beobachtet wurde, verlor der Ring im Prozess den Kontakt zur Hauptwalze. Dieser Kontaktverlust kann nicht durch die Dornwalze verhindert werden, da der Eingriff der Dornwalzen die Kletterbewegung behindert. In der 2. Förderperiode lag daher der Fokus darauf, die Reproduzierbarkeit des Prozesses sowie die Gleichförmigkeit der erzielten Schüsselgeometrie mit Hilfe zusätzlicher Stabilisierungsmaßnahmen zu erhöhen. Für die Erarbeitung von Stabilisierungsmaßnahmen des Ringes in seiner schrägen Lage wurden zwei Konzepte erprobt: 1. Die Umsetzung einer neuen Walzstrategie unter Verwendung von Druckrollen: Diese sollten einerseits die Ringlage stabilisieren und andererseits den Kontakt zwischen Ring und Hauptwalze sicherstellen. Mit Hilfe von Druckrollenpositionierung in Kraftsteuerung kann eine zusätzliche Information über die Außenkontur des kletternden Ringes gewonnen werden, die dann auch für die Positionierung der Zentrierrollen genutzt wird. Die so umgesetzte Walzstrategie führt zwar reproduzierbar zu Ringklettern, kann aber derzeit für die Herstellung schüsselförmiger Ringe noch nicht genutzt werden, da die erzielte Schüsselgeometrie aufgrund der Kletterdynamik einen starken Höhenschlag hat. Hier wären weitere Stabilisierungsmaßnahmen erforderlich. 2. Der Austausch des unteren Zentrierrollenmoduls durch eine Konusform: Mit diesem technisch einfach zu realisierenden Austausch der kleinen Rollen erfolgt die Initiierung des Kletterprozesses kontrolliert und die Zentrierrollen können den Ring während des Kletterprozesses führen ohne diesen zu behindern, was zusätzliche Stabilität verleiht. Unter Nutzung dieses Konzeptes konnte die Reproduzierbarkeit des Kletterprozesses und die Gleichförmigkeit der erzielten Schüsselgeometrie deutlich erhöht werden. Die erzielten Ringgeometrien verfügen über eine Formgenaugikeit, die so in der Ringwalzindustrie eingesetzt werden kann. Mit Hilfe des angepassten FEM-Modells steht außerdem ein Prozessauslegungstool zur Verfügung, das dieses Schüsselwalzkonzept realitätsnah abbilden kann.
Publications
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“Manufacturing dish shaped rings on radial-axial ring rolling mills”; Production Engineering 7, S 611–618, 2013
Seitz, J.; Jenkouk, V.; Hirt, G.
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“Application of Finite Element Analysis considering the complex tool kinematics of axial-profiling and dishing in ring rolling”, 2nd ICRF Conference, 7.-9. Mai 2014
Schwich, G., Seitz, J., Jenkouk, V. Hirt, G.
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“Intended Dishing in Ring Rolling“; Key Engineering Materials Vols. 611-612 S 194-201, 2014
Seitz, J.; Schwich, G.; Hirt, G.
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“Process and materials modelling in incremental bulk metal forming”, Forming Technology Forum 2014, 15.-16. September
Hirt, G., Lohmar, J., Rosenstock, D., Seitz, J.
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„Aktuelle Entwicklungen zur Auslegung und Optimierung von Ringwalzprozessen“, 21. Umformtechnisches Kolloquium Hannover, 2014, S. 227-244
Hirt, G.; Seitz, J.; Jenkouk, V.
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“Improvement of the dishing process in ring rolling using conical guide rolls”; Production Engineering, 2016
Seitz, J.; Kordtomeikel, F.; Hirt, G.
