Manufacturing of advanced materials: simulation of high precision ring rolling via finite element analysis

Abstract

Ring Rolling is widely considered as a near-net manufacturing process, due to the rough and the relatively imprecise final products. In most relevant industrial productions, a Ring Rolling cycle is followed by multiple, and sometimes extensive, machining cycles to achieve the required dimensional accuracy. Given that metallic ring products are widely used in some crucial applications, producing more dimensionally accurate products at less time through Ring Rolling can significantly increase the production quantities and reduce the production cost per piece. In the current dissertation, multiple different precision increasing techniques and methods of a typical (flat), hot Ring Rolling process were thoroughly investigated. The proposed methodologies corresponded to several practices of a Ring Rolling manufacturing line and thus they covered all production stages – from billet to final product. Moreover, the time required for these additional corrective practices was significantly lower than running lengthy post-process machining cycle, since the former would be performed using the same Ring Rolling mill, without a need for re-positioning or intermediate storage of the workpiece. The entire analysis of the current dissertation was performed numerically, since the necessary equipment for an experimental research was not available. The conducted numerical models were prepared using the commercial FEA software ANSYS/LS-DYNA, which offered the necessary tools and algorithms for these simulations. After a fully validated model was established, it was used as a basis for every subsequent analysis performed. In that way, the conducted simulations could act as a strong indicator towards the feasibility of the proposed methodologies and practices. Initially in the first chapter of the current dissertation, a thorough literature review of the relevant experimental, analytical, and numerical research performed on Ring Rolling was conducted. Additionally, the principles of Ring Rolling and the necessary equipment required were presented. Finally, based on all of the above, the research questions that would drive the current dissertation were set. In the second chapter, a step-by-step development of a typical, hot Ring Rolling simulation of an IN718 ring was performed. The developed numerical model was validated with corresponding experimental data found in literature. The choices that were made during the development of the aforementioned model were based on thorough literature and/or trial-and-error analyses, so that the physical phenomena that occur during the process would be properly simulated. In the end, the numerical model simulated the actual experiment very realistically, while several points of interest were detected and further analyzed. In the third chapter of the current dissertation, three different process attributes taking place before or during Ring Rolling and that affect the dimensional accuracy of the process were investigated. These attributes were: (a) the precise volume estimation of the initial workpiece billet, (b) the effects of the thermo-elastic tool deformations, and (c) the effects of the support tool movement algorithm and its relationship to the material of the ring. For the precise billet volume estimation, a novel semi-analytical methodology was developed, which facilitates a combination of analytical equations and numerical models of every preceding process to Ring Rolling, in order to calculate the required billet volume for a final ring with specific dimensions. The proposed methodology was validated via a series of simulations, with the divergencies of the final product being far less than 1 %. In the case of the effects of the thermo-elastic tool deformations on the dimensional accuracy of Ring Rolling, three different numerical models were developed. In each model, the deformability of the tools varied (rigid, only elastic, coupled thermo-elastic) and the final results from the three models were compared to one another. From the aforementioned comparisons, it was clarified that even small deformations of the tools could lead to greater dimensional imprecisions on the product (especially in cases of high-precision products). Lastly for the analysis of the support roll movement algorithm, an AA5754 product Ring Rolling simulation was performed and compared to the IN718 simulation from the second chapter. The two simulations were then repeated, but with higher order polynomials describing the movement of support rolls. The final results revealed a dependence of the final ring dimensions from the material of the workpiece, while the higher order polynomials affected defect generation, as well as the growth rate of the ring.In the fourth chapter, a newly proposed process for the "correction" of dimensional imprecisions right after a Ring Rolling process was introduced. This novel process was named "Reverse Ring Rolling". From its conceptualization, Reverse Ring Rolling involves a specific movement pattern of the tools, which leads to the reduction of the ring’s diameters (both internal and external), and a subsequent increase in its height. The whole process could be distinguished into two separate steps: (a) one in which both diameters are reduced, and (b)a second in which only the external diameter is reduced. The feasibility of this process was validated via numerical modeling and the calculated results revealed a high-precision final product. Additionally, several important process parameters were further analyzed, with the number of support rolls and the velocity of all tools proven to be the most affecting ones. Finally in the fifth chapter of the dissertation, a novel approach for the production of metallic polygonal products using a typical Ring Rolling mill was introduced. This practice was presented mainly as a proof of concept, since a more in depth analysis would diverge significantly from the main scope of the current dissertation. However, since the core mechanics of this process are explained to some extent, any future research on the subject will not have to start from scratch. The basic idea of this approach lies with the simultaneous movement of support rolls in the same direction, which led to the formation of straight edges on the product. Through a carefully calculated sequence of tool movements and velocities, the manufacturing of a polygonal product was simulated as a proof of concept, while the most crucial attributes of the aforementioned process were briefly discussed. Overall, the proposed process was proven to be feasible, although further research should be conducted.

Η έλαση δακτυλίων θεωρείται ευρέως ως μία κατεργασία ημι-τελικών προϊόντων, εξαιτίας των τραχέων και σχετικά ανακριβών τελικών εργοτεμαχίων. Στις περισσότερες αντίστοιχες βιομηχανικές παραγωγές, ένας κύκλος της εν λόγω κατεργασίας ακολουθείται από πολλαπλούς, και συχνά εκτεταμένους, κύκλους αφαίρεσης υλικού ώστε να επιτευχθεί η απαραίτητη διαστασιολογική ακρίβεια. Δεδομένου ότι τα μεταλλικά δακτυλιοειδή προϊόντα χρησιμοποιούνται σε ορισμένες κρίσιμες εφαρμογές, η παραγωγή αυτών των προϊόντων με μεγαλύτερη διαστασιολογική ακρίβεια σε μικρότερο χρόνο μέσω της έλασης δακτυλίων μπορεί να αυξήσει σημαντικά τις παραγόμενες ποσότητες και να μειώσει το κόστος παραγωγής ανά τεμάχιο. Στην παρούσα διατριβή, διερευνήθηκαν διεξοδικά πολλαπλές διαφορετικές τεχνικές και μέθοδοι που μπορούν να αυξήσουν την ακρίβεια μιας τυπικής (ορθογωνικής), εν θερμώ κατεργασίας έλασης δακτυλίων. Οι προτεινόμενες μεθοδολογίες αφορούν διαφορετικές πρακτικές σε μια παραγωγική γραμμή της κατεργασίας και έτσι καλύπτουν όλα τα διαφορετικά στάδια της εν λόγω παραγωγής – από την μπιγιέτα ως το τελικό προϊόν. Επιπλέον, ο απαιτούμενος χρόνος για τις προαναφερθείσες διορθωτικές ενέργειες ήταν σημαντικά μικρότερος σε σύγκριση με έναν πλήρη κύκλο φινιρίσματος, αφού οι ενέργειες αυτές μπορούν να πραγματοποιηθούν με τα ίδια εργαλεία, χωρίς να απαιτείται επανατοποθέτηση ή ενδιάμεση αποθήκευση του κατεργαζόμενου τεμαχίου. Ολόκληρη η ανάλυση της παρούσας διατριβής πραγματοποιήθηκε αριθμητικά, λόγω έλλειψης του απαραίτητου εξοπλισμού για μια αντίστοιχη πειραματική διερεύνηση. Τα αριθμητικά μοντέλα αναπτύχθηκαν με το πρόγραμμα πεπερασμένων στοιχείων ANSYS/LS-DYNA, το οποίο περιλάμβανε τα απαραίτητα εργαλεία και τους κατάλληλους αλγορίθμους για τις αντίστοιχες προσομοιώσεις. Μετά από την ανάπτυξη ενός πλήρως πιστοποιημένου μοντέλου της κατεργασίας, αυτό χρησιμοποιήθηκε ως η βάση για όλες τις μετέπειτα αναλύσεις. Με τον τρόπο αυτό, οι προσομοιώσεις των μετέπειτα αναλύσεων μπορούν να θεωρηθούν ως μια ισχυρή ένδειξη για τη δυνατότητα πραγματοποίησης των προτεινόμενων μεθοδολογιών και πρακτικών, σε μια πραγματική εφαρμογή. Αρχικά στο πρώτο κεφάλαιο της παρούσας διατριβής, πραγματοποιήθηκε μια ενδελεχής βιβλιογραφική ανασκόπηση των σχετικών πειραματικών, αναλυτικών, και αριθμητικών ερευνών που έχουν γίνει πάνω στην Έλαση Δακτυλίων. Επιπρόσθετα, παρουσιάστηκαν οι βασικές αρχές της εν λόγω κατεργασίας και ο απαραίτητος πειραματικός εξοπλισμός. Τέλος, βάσει όλων των παραπάνω, τέθηκαν τα ερευνητικά ερωτήματα που θα οδηγούσαν την παρούσα διατριβή. Στο δεύτερο κεφάλαιο, παρουσιάστηκε βήμα-βήμα η ανάπτυξη της προσομοίωσης μιας τυπική, εν θερμώ Έλασης Δακτυλίων ενός δακτυλίου από ΙΝ718. Το αριθμητικό μοντέλο που αναπτύχθηκε, στη συνέχεια πιστοποιήθηκε με πειραματικά δεδομένα από τη βιβλιογραφία. Οι επιλογές που έγιναν για το εν λόγω μοντέλο, βασίστηκαν στα συμπεράσματα ενδελεχούς βιβλιογραφικής ανασκόπησης ή/και σε αναλύσεις δοκιμής-και-σφάλματος, ούτως ώστε τα φυσικά φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα κατά την κατεργασία να προσομοιωθούν κατάλληλα. Στο τέλος, το αριθμητικό μοντέλο που αναπτύχθηκε μπορούσε να προσομοιώσει την πειραματική διεργασία πολύ ρεαλιστικά, ενώ πολλά σημεία ενδιαφέροντος μπόρεσαν να προσδιοριστούν και να αναλυθούν περαιτέρω. Στο τρίτο κεφάλαιο της παρούσας διατριβής, διερευνήθηκαν τρία διαφορετικά στοιχεία της Έλασης Δακτυλίων, τα οποία λαμβάνουν χώρα πριν ή κατά τη διάρκεια της κατεργασίας και τα οποίαεπιδρούν στη διαστασιακή της ακρίβεια. Τα τρία αυτά στοιχεία ήταν: (α) ο υπολογισμός του ακριβούς όγκου της αρχικής μπιγέτας του εργοτεμαχίου, (β) η επίδραση των θερμο-ελαστικών παραμορφώσεων των εργαλείων, και (γ) η επίδραση του αλγορίθμου κίνησης των υποστηρικτικών ραούλων και η συσχέτισή του με το υλικό του δακτυλίου. Για τον υπολογισμό του ακριβούς όγκου της μπιγέτας αναπτύχθηκε μια νεωτεριστική, ημι-αναλυτική μεθοδολογία, η οποία χρησιμοποιεί έναν συνδυασμό αναλυτικών εξισώσεων και αριθμητικών μοντέλων κάθε προγενέστερης κατεργασίας της Έλασης Δακτυλίων, με σκοπό να υπολογιστεί ο ακριβής όγκος μπιγέτας για την κατεργασία ενός τελικού δακτυλίου με συγκεκριμένες διαστάσεις. Η προταθείσα μεθοδολογία πιστοποιήθηκε μέσα από μια σειρά προσομοιώσεων, με τις αποκλείσεις του τελικού προϊόντος να είναι πολύ μικρότερες από 1%. Για την περίπτωση της επίδρασης των θερμο-ελαστικών παραμορφώσεων των εργαλείων στη διαστασιακή ακρίβεια της Έλασης Δακτυλίων, αναπτύχθηκαν τρία διαφορετικά μοντέλα. Σε κάθε ένα από τα εν λόγω μοντέλα, η παραμορφωσιμότητα των εργαλείων ποίκιλε (άκαμπτα, ελαστικά παραμορφώσιμα μόνο, και συζευγμένα θερμο-ελαστικά παραμορφώσιμα) και τα τελικά αποτελέσματα από τα τρία μοντέλα συγκρίθηκαν μεταξύ τους. Από τις προαναφερθείσες συγκρίσεις προέκυψε ότι ακόμα και μικρές παραμορφώσεις των εργαλείων μπορούν να οδηγήσουν σε μεγαλύτερες διαστασιακές αποκλίσεις των προϊόν (ειδικά σε περιπτώσεις προϊόντων υψηλής ακρίβειας). Τέλος για την ανάλυση του αλγορίθμου κίνησης των υποστηρικτικών ραούλων, πραγματοποιήθηκε μια προσομοίωση Έλασης Δακτυλίου με τεμάχιο από ΑΑ5754, και στη συνέχεια συγκρίθηκε με την αντίστοιχη προσομοίωση του τεμαχίου από ΙΝ718 που αναπτύχθηκε στο δεύτερο κεφάλαιο. Οι δύο αυτές προσομοιώσεις επαναλήφθηκαν, στη συνέχεια, όμως με ένα πολυώνυμο υψηλής τάξης να περιγράφει την κίνηση των υποστηρικτικών ραούλων. Τα τελικά αποτελέσματα αποκάλυψαν μια εξάρτηση των διαστάσεων του τελικού δακτυλίου από το υλικό του εργοτεμαχίου, ενώ το υψηλής τάξης πολυώνυμο επηρέασε τη δημιουργία ελαττωμάτων, όπως επίσης και τον ρυθμό ανάπτυξης του δακτυλίου. Στο τέταρτο κεφάλαιο, προτάθηκε μια νέα κατεργασία για τη “διόρθωση” διαστασιακών ανακριβειών, η οποία μπορεί να διεξαχθεί αμέσως μετά την Έλαση Δακτυλίων. Αυτή η νεωτεριστικήκατεργασία ονομάστηκε “Αντίστροφη Έλαση Δακτυλίων”. Από τη σύλληψή της, η Αντίστροφη Έλαση Δακτυλίων περιλαμβάνει μια συγκεκριμένη κινηματική των εργαλείων, η οποία οδηγεί στημείωση των διαμέτρων του δακτυλίου (και της εσωτερικής και της εξωτερικής), και σε μια επακόλουθη αύξηση του ύψους του. Η εν λόγω κατεργασία χωρίζεται σε δύο διακριτά βήματα: (α) ένα όπου και οι δύο διάμετροι μειώνονται, και (β) ένα δεύτερο όπου μόνο η εξωτερική διάμετρος μειώνεται. Η βιωσιμότητα αυτής της κατεργασίας πιστοποιήθηκε μέσω αριθμητικής μοντελοποίησης και τα υπολογισμένα αποτελέσματα κατέδειξαν υψηλή διαστασιολογική ακρίβεια. Επιπλέον, αναλύθηκαν περαιτέρω ορισμένες σημαντικές παράμετροι της κατεργασίας, με τον αριθμό των υποστηρικτικών ραούλων και την ταχύτητα των εργαλείων να είναι τα πιο επιδραστικά. Τέλος στο πέμπτο κεφάλαιο της διατριβής, παρουσιάστηκε σύντομα μια νεωτεριστική προσέγγιση της χρήσης ενός τυπικού ελάστρου δακτυλίων για την παραγωγή πολυγωνικών μεταλλικών προϊόντων. Η εν λόγω πρακτική παρουσιάστηκε κυρίως ως μια απόδειξη της ιδέας, αφού μια εις βάθος ανάλυση θα απόκλινε σημαντικά από το κύριο θέμα της διατριβής. Παρόλα αυτά, αφού οι βασικές αρχές της έλασης πολυγωνικών δακτυλίων επεξηγούνται σε κάποιον βαθμό, οποιαδήποτε μελλοντική έρευνα στο θέμα δεν θα χρειαστεί να ξεκινήσει από το μηδέν. Η βασική ιδέα αυτής της προσέγγισης βασίζεται στη συγχρονισμένη, ομοδιευθυντική κίνηση των υποστηρικτικών ραούλων για τη δημιουργία ευθείων πλευρών στο προϊόν. Μέσα από μια καλά μελετημένη κίνηση των εργαλείων, η κατεργασία πολυγωνικών προϊόντων προσομοιώθηκε σαν απόδειξη της ιδέας, ενώ τα πιο κρίσιμα χαρακτηριστικά της μεθόδου συζητήθηκαν σε πρώτο επίπεδο. Συνολικά, η προταθείσα διεργασία αποδείχθηκε βιώσιμη, αν και περαιτέρω μελέτη θα πρέπει να διεξαχθεί.