Rullformning av höghållfasta stål

Delrapport 2 Rullformning av höghållfasta stål Lars Ingvarsson, Ortic AB 2000-02-28 ACCRA Teknik AB AK-Konsult Amada/Promecam AB AvestaPolarit AB Bendiro AB Chalmers Tekniska Högskola -Institutionen för byggnadsmekanik Ferruform AB Kanthal AB IM Institutet för Metallforskning AB IVF Industriforskning och utveckling AB ORTIC AB PRESS & PLÅTINDUSTRI AB Scandinavian CAD AB SSAB Tunnplåt AB Volvo Personvagnar AB VINNOVA

IVF - Formning av plåt 10 februari 2000 R U L L F O R M N I NG av höghållfasta stål Tekn. Dr Lars Ingvarsson, ORTIC AB, Borlänge SAMMANFATTNING Vid rullformning sträcks och vrids plåten under själva formningen. Med höghållfast material är det lättare att behärska dessa formningsspänningar och undvika resttöjningar i slutlig profil. En förenklad beräkningsmodell för detta används av de tyska datorsystemen COPRA och UBECO. Vad som däremot inte beaktas är uppkomsten av egenspänningar och dess effekter på den formade profilen. Dessa spänningar är relaterade till materialets hållfasthet och därmed accentueras markant deras betydelse. Det av ORTIC eget utvecklade datorsystemet ORTIC både beräknar och ger korrigeringsmöjligheter för de fenomen dessa spänningar ger upphov till. Beräkning av formningsspänningar ingår också i systemet, som hos de tyska datorsystemen. Speciell uppmärksamhet måste ägnas de förstorade återfjädringarna med åtföljande överbockningsbehov. Detta ställer stora krav på materialproducenterna, hållfasthetsvärdenas statistiska spridning måste hållas inom rimliga gränser. Viktigt är också att kartlägga ett höghållfast materials minsta bockningsradie eftersom de aktuella materialen har en begränsad töjbarhet. INNEHÅLL En genomgång av deformationer och formningsspänningar leder fram till lämpliga mått hos en rullformningsmaskin baserad på aktuell profil. Minsta bockningsradier mm kartläggs i ett projekt med namnet VAMP 15. Därefter beskrivs uppkomsten av egenspänningar och hur de kan påverkas av vald bockmetod. Slutligen redovisas de krav industrin har idag med typiskt produktionskoncept. Rullformningens tekniska möjligheter visas med exempel från svensk industri. Postadress: Telefon : E-post: Org. nr.: ORTIC AB 0243-23 33 40 info@ortic.se 556590-2656 Tunavägen 290 Telefax: Homepage: VAT nr.: 781 73 Borlänge 0243-23 33 20 www.ortic.se SE556590-2656 1

INTRODUKTION Vid första anblicken ser rullformning enkel ut. Metodens grundprincip är en successiv profilvikning. Plåtmaterialet får passera genom en serie valspar med successivt förändrad plåtspalt. Detta framgår av exemplet i Figur 1. Ingen valsning dvs förtunning av materialet äger rum. Fig. 1. Formning av hattprofil i sex steg. Fortfarande finns tekniken mest utbredd bland specialiserade företag som skaffat sig mångårig och dyrbar erfarenhet genom att studera en mångfald problem och finna deras lösningar. Efter många år är idag tekniken högt utvecklad så att komplicerade profiler kan rullformas, även då höghållfast material används. I slutet av detta dokument ges exempel på detta. Inledningsvis redovisas bakomliggande teorier. På högskolor och universitet ägnar man sig åt FEM-simuleringar av relativt enkla U-profiler. Bl.a. har Koch og Kullman /1/ i Danmark ägnat sig åt detta. Enklare beräkningsmetoder utnyttjar begreppen resttöjning och deformationslängd. I Finland har Larkiola,Eriksson,Häkkinen och Korhonen/2/ skrivit en uppsats om detta. På marknaden i Tyskland finns två CAD-system för konstruktion av rullformningsverktyg, nämligen COPRA och UBECO, vilka båda nyttjar denna enklare beräkningsfilosofi. Däremot beaktar inte dessa uppkomsten av egenspänningar och deras effekter hos de rullformade profilerna. Inom företaget ORTIC, leverantör av rullformningsmaskiner, används ett egenutvecklat datorsystem för simulering av rullformningsprocessen, med namnet ORTIC. Utvecklingen av detta påbörjades år 1980 och har därefter ständigt vidareutvecklats. Kännetecknande är att en finit differensmetod används för att spara datorkraft. 2

Beräkning av egenspänningar är en väsentlig beståndsdel i systemet, därav namnet Optimized Rollforming Technology Imperfections Calculated. En kortfattad resumé av egenspänningsteorin presenterades vid en konferens i Borlänge år 1990 /3/. Förutom den teoretiska delen är 25-årig erfarenhet från det engelska företaget Rollsec inbyggd i ORTICsystemets automatiskt genererade förslag på formningssteg. Teori och praktik är således förenade i ett genuint CAE-system ( Computer Aided Engineering ). DEFORMATIONER och FORMNINGSSPÄNNINGAR Det som är svårast att beräkna är vad som händer mellan formningsparen. En illustrativ presentation av hur plåten rullar in i ett formningspar är redovisad i Figur 2 (Ditges / 4 / ). Fig 2. Inrullning av plåt i ett formningspar. ( Ditges / 4 / ) Formning av en vinkel innebär en kombinerad sträcknings- och vridningsoperation vilket framgår av Figur 3. Materialet på kanterna tvingas gå en längre väg än det i mitten. I Tyskland har Tölke /5/ detaljstuderat detta. Fig 3. Sträck- och vridoperation av plåt vid rullformning (Tölke /5/) 3

Skall man erhålla en bra produkt bör man kontrollera att formningsspänningarna i de blivande plandelarna begränsas så att elastiskt tillstånd bibehålls. Då erhålls planhet och rakhet i profilkanterna. Spänningsnivåerna bör inte överskrida sträckgränsen, vilket framgår av Figur 4, som visar att högre spänningar ger resttöjningar och därmed påverkan på den rullformade profilens slutliga kvalitet. Detta kriterium är den viktigaste parametern vid valet av antalet formningssteg. Fig. 4. Ett materials spännings- töjningskurva och resttöjningar efter överskridande av sträckgränsen (/ 1/). Kontentan blir att höghållfast material är fördelaktigt att använda vid rullformning. Lämpliga MASKINMÅTT Det som inte får glömmas bort är att återfjädringarna ökar med ökad materialhållfasthet. Det innebär att profilen mellan formningsparen spänner isär mer och förstärker inrullningsproblematiken. Mångårig erfarenhet visar att de beräkningsprinciper som används är kopplade till att använd maskin har en passande storlek i relation till den producerade profilen. Är en maskin för liten blir valsdiametrarna för små och inrullningsproblematiken lokalt förstärkt. Motsatsen är då maskinen är för stor, då profilen blir labil i sin form mellan formningsparen och hinner spänna isär (återfjädra) för kraftigt. I Formningshandboken / 6/ redovisas lämpliga måttrelationer för maskiner. Dessa framgår av Figur 5. För att underlätta inrullningsproblematiken rekommenderas att de horisontella axelavstånden vid höghållfasta material maximeras till dubbla vertikala axelavstånden, vilket också gäller vid förkapat material. 4

Fig 5. Tumregler för maskiner ( Formningshandboken /6/ ) Det är givetvis även viktigt med korrekt utformade rullformningsverktyg. Rullarna måste förses med ordentliga inledarflanker. Exempel på detta visas i Figur 6. Bra utformning krävs dessutom vid rullformning av förkapat material. Profilens utseende i föregående par måste beaktas vid utformningen av inledarflanken. Fig. 6. Exempel på verktygsutformning 5

Projekt VAMP 15 Formning av ultrahöghållfasta stål Formning av ultrahöghållfasta stål är ett Nutek-finansierat projekt där IVF är huvudman. Rullformning ingår där som ett delprojekt. Viktigt att studera är de minsta radier som kan formas utan att materialen spricker. Möjligheter till efterbearbetning med hjälp av värmebehandlingar studeras också. I januari och februari år 2000 genomförs en provserie där detta kartläggs. Inverkan av större eller mindre antal formningspar ingår som en parameter. Erfarenheterna från industrin är att det går att rullforma radier som inte håller vid vanliga bockprov. Se kapitlet Höghållfasta exempel från Bendiro AB nedan. Därutöver mäts återfjädringar både hos slutlig profil och dess inverkan på inrullningen i de olika formningsparen. En elementär V-profil används i denna provserie. Genom att mäta V-profilernas krokighet erhålls en parameter för att bedöma egenspänningarna i det formade hörnpartiet hos V-profilerna. För mer information hänvisas till Elisabeth Sagström och Boel Wadman på IVF i Göteborg. BOCKMETOD EGENSPÄNNINGAR Med hänsyn till ovan diskuterade formningsspänningar är det gynnsamt med höghållfasta material. Däremot är alla egenspänningar proportionella mot sträckgränsen. De åtföljande fenomenen är därför mer accentuerade för höghållfasta material. På en konferens i Borlänge (/3/ ) redovisades de viktigaste sambanden vilka här rekapituleras. Vid bockning av plåt är töjningsfördelningen sådan att neutrala lagret (N.L.) är närmare innerradien än plåtmitt ( Figur 7 ). Fig. 7. Töjningsfördelning vid bockning /3/. 6

Detta ger upphov till längsgående spänningar i själva bocken med en fördelning enligt Figur 8. På yttersidan erhålls dragspänningar och på insidan tryckspänningar i längdriktningen. Storleksordningen är ca 40-50 % av sträckgränsen! De är således av mycket stor betydelse vid förståelse av rullformningsfenomen. I radiell riktning uppkommer ett tryckspänningstillstånd. I bockningsriktningen blir spänningsfördelningen växlande mellan tryck och drag. Fig 8. Fördelning av egenspänningar i en bockad plåts hörnparti.( /7/). För att förstå fenomenet kan man böja ett radergummi enligt Figur 9. I en kontinuerlig plåt måste en sammantryckning ske innanför neutrala lagret, och en utdragning ske ovanför. Gränsvillkoret i den fria kanten byts från att spänningen är noll till att sidorna måste vara plana, dvs töjningen är konstant över tjockleken. Fig 9. Deformationer hos ett böjt radergummi. 7

En summering av de längsgående spänningarna resulterar i en egendragkraft. I Figur 10 visas den längsgående sammandragningskraften i ett bockat hörn som funktion av neutrala lagrets (N.L.) läge. Detta påverkar också storleken på återfjädringen ( Figur 11). Fig 10. Egendragkraften som funktion av N.L.(/7/) Fig 11. Återfjädring som funktion av N.L.(/8/) Dessa samband ger upphov till dilemmat ( enligt Figur 12), att det önskade neutrala lagrets läge i mitten med små dragkrafter åtföljs av stora återfjädringar. Stora egendragkrafter ger bland annat upphov till VRIDNING av osymmetriska profiler ( Figur 13 ) och oplanheter hos breda tunna profilsegment ( Figur 14 ). Dessa krafter förklarar varför en U-profil eller V- profil alltid böjer neråt mellan formningsparen. Fig 12 Dilemmat, stora återfjädringar eller stora egendragkrafter. 8

Fig 13. Vridning av osymmetrisk profil Fig 14. Buckling av plana tvärsnittsdelar Det är viktigt att veta att valet av bockningsmetod bestämmer neutrala lagrets läge. Gamla rullformningsverktyg har ofta KONSTANT RADIE enligt Figur 15 som princip. Då sträcks materialet och neutrala lagrets läge är ca 10 % av tjockleken ovanför inre bockradien. Branschpraxis idag är däremot att båglängden i ett bockat hörn hålls konstant. Principen KONSTANT BÅGE visas i Figur 16. För att få raka profiler med plana tvärsnittsdelar kan STORRADIEMETODEN användas. Då utgår man från en båglängd som är för stor och som successivt minskar enligt Figur 17. Bockens kvalitet blir jämförbar med en bock framställd i en kantpress eller vikmaskin. Fig 15 KONSTANT RADIE. Fig 16 KONSTANT BÅGE Fig 17. STORRADIEMETODEN Storradiemetoden ger raka fina profiler men kräver mycket snäva toleranser hos ingående material, speciellt sträckgräns och brottgräns. Orsaken till detta är den förstärkta återfjädringsproblematiken. Detta är nog ett av de största problemen vid rullformning av ultrahöghållfasta material. 9

INDUSTRINS KRAV För att få ekonomi i både produktionsprocessen och tillverkad produkt så går utvecklingen mot principen BAND IN FÄRDIG PRODUKT UT. Profilerna i sig blir bara mer och mer komplicerade, då man eftersträvar att en profil innehåller både styrka och andra funktioner för montage och dylikt. Exempel på komplicerade profiler framgår av Figur 18. Tillkommande operationer visas i Figur 19. Fig 18. Komplicerade profiler (/6/) Fig 19. Tillkommande operationer (/6/) 10

Detta resulterar i att en modern anläggning för rullformning ofta utformas enligt Figur 20. Fig 20. Modern rullformningsanläggning. (/6/) Ett typiskt exempel på en produkt som tillverkas i en modern rullformningsanläggning är hyllstolpen till HI-280. Denna produceras av Constructor Sverige AB i Säffle. Det intressanta med detta företag är att man tidigt integrerade stuknitning i sina rullformade profiler. Aktuell profil framgår av Figur 21. 11

Fig 21. Rullformad profil med utkragningar, stansningar och stuknitningar. För denna profil var kapningsmetoden avgörande i beslutet att helt klippa av bandet före rullformningen. Detta ställde extra krav på utformningen av formningsföljden. Använd lösning redovisas i Figur 22. Det som kännetecknar komplicerade profiler är att vridningsoch sträckningsoperationerna måste beräknas för styva delstrukturer och inte fria bandkanter som är fallet för elementära U- och V-profiler. Ofta måste praktiska hänsyn, åtkomst mm, beaktas vid utformning av en formningsföljd. För den aktuella profilen har detta varit en viktig problemställning. Fig 22. Formningsföljd för hyllstolpe. Vid förkapning klipps färdiga ämnen av redan efter stansningsoperationen. Dessa får sedan rulla fritt på en rullbana fram till profileringen. Detta visas i Figur 23. Den successiva profiltillväxten visas i Figurerna 24-27. Stuknitning sker direkt efter formningen med en flygande nitmaskin som gör fyra nitar åt gången, se Figur 28. 12

Fig 23. Färdigstansat ämne på rullbana före formning. Fig 24. Profil efter station 6 Fig 25. Profil efter station 13 Fig 26. Profil efter station 26 Fig 27. Profil efter station 32 13

Fig 28. Flygande nitmaskin Höghållfasta exempel från BENDIRO AB BENDIRO är som profilleverantör specialist på rullformning av bockbara material, från mjuk koppar till ultrahöghållfast stål. Företaget är resultatet av en sammanslagning av två av Sveriges större rullformningsföretag, Dickson Profile i Mariestad och Industriprofiler i Falkenberg. BENDIRO har tillsammans ett mångårigt kunnande inom material- och produktionsteknik rörande rullformning. BENDIRO utvecklar och tillverkar profiler, tillsammans med sina kunder, för en rad användningsområden. Fordon, Bygg och Möbel är alla områden där höghållfasta material har utnyttjats för att finna lättare, starkare och mer kostnadseffektiva konstruktioner enligt principen BAND IN FÄRDIG PRODUKT UT. Bolaget har sedan länge satsat på rullformning av hög- och ultrahöghållfasta material. Exempel på applikationer där dessa material används kan ses i Figur 29 där en säkerhetsbalk till Saab 9-3 visas. I Figur 31 visas en skärmväggsprofil där det höghållfasta materialet använts för större bärkraft. Liknande exempel från byggbranschen med byggreglar visas i Figur 30. Utveckling och konstruktion sker i eget hus, vilket innebär att BENDIRO konstruerar rullformningsverktygen själva. Förutom ORTIC-systemet arbetar man idag med hjälp av det tyska UBECO-systemet. Med verktyg från ORTIC genomförs VAMP 15 provningarna i Falkenberg hos BENDIRO. Enligt företagsledningen på Bendiro överensstämmer de praktiska erfarenheterna för höghållfasta stål med de teoretiska resonemangen i detta dokument. Dessutom sägs att det svåraste med ultrahöghållfasta stål är att hitta en materialleverantör som kan hålla materialegenskapernas spridning inom rimliga gränser! 14

Fig 29. Säkerhetsbalk ( Bendiro AB) Fig 30. Väggregel ( Bendiro AB) 15

Fig 31. Formningsföljd för en skärmväggsprofil (Bendiro AB) 16

REFERENSER /1/ Koch, L,T & Kullman, H SIMULERING AF PROFILVALSNING Nordisk Industrifond, Rapport P 90062 (Tekniska Högskolan, Esbo, Finland, Rapport 7/93 TKK-MAK-MML) /2/ Larkiola,J & Eriksson,L & Häkkinen,E & Korhonen, A PROFILVALSNING KONTROLL AV PROCESSPARAMETRAR GENOM TÖJNINGSBERÄKNINGAR Nordisk Industrifond, Rapport P 90062 (Tekniska Högskolan, Esbo, Finland, Rapport 7/93 TKK-MAK-MML) /3/ Ingvarsson, L RESIDUAL STRESS PHENOMENA DUE TO COLD-BENDING OF STEEL 16 th Biennial Congress 1990, Sheet Metals in Forming Processes, Open Sessions, June 11-13, Borlänge, Sweden /4/ Ditges, G BEITRAG ZUR BESTIMMUNG VON EINFORMGEOMETRIE UND UMFORMENERGIE BEI DER ROHRPROFILIERUNG Dr.-Ing. Dissertation, Technische Hochschule, Aachen 1966. /5/ Tölke, K-D UNERWÜNSCHTE VERFORMUNGEN UND PROFLKRÜMMUNGEN BEIM WALZPROFILIEREN Dr.- Ing. Dissertation, 1970, von der Fakultät für Maschinenwesen der Technischen Universität Hannover. /6/ FORMNINGSHANDBOKEN SSAB Tunnplåt AB, Borlänge, 1997 /7/ Ingvarsson, L COLD-FORMING RESIDUAL STRESSES. EFFECT ON BUCKLING Research and Developments in Cold-Formed Steel Design and Construction, Proc. Of the Third International Specialty Conference on Cold-Formed Steel Structures, pp. 85-119 vol I. St.Louis, Missouri, USA, Nov. 24-25, 1975 /8/ Ingvarsson, L COLD-FORMING RESIDUAL STRESSES AND BOX COLUMNS BUILT UP BY TWO CHANNEL SECTIONS WELDED TOGETHER Meddelande nr 121, Byggnadsstatik, KTH, Stockholm, 1977. 17