Risparmiare tempo e forze nel Ring Rolling: un caso industriale

G.Allegri(1), L.Giorleo(1), C.Giardini(2), E.Ceretti(1)
(1) Dipartimento di Ingegneria Meccanica ed Industriale – Università degli Studi di Brescia
Dipartimento di Ingegneria – Università degli Studi di Bergamo

Figura 1: Il laminatoio presso LA LEONESSA Spa.

Introduzione
Il Ring Rolling è un processo produttivo mediante il quale è possibile ottenere un anello avente caratteristiche geometriche finali definite partendo da un manufatto di forma anulare. In questo processo l’anello da produrre viene messo in rotazione da un rullo trascinatore e lavorato a caldo tramite due processi di deformazione simultanei: il primo avviene tra il mandrino che avanza radialmente forzando l’anello sul rullo trascinatore per andare a ridurne la fascia; il secondo è definito dal movimento assiale di una coppia di coni che permettono di diminuire l’altezza dello sbozzato (Figura 2).

Figura 2: Schematizzazione del processo produttivo.

Le curve di laminazione sono delle relazioni altezza/fascia che governano questo processo (figura 3), tali curve vengono ricavate dalle leggi di moto assegnate al mandrino ed al cono assiale superiore. Il case study definito per tale ricerca è stato lo studio ed il miglioramento del ciclo di lavorazione di un anello ad oggi in produzione presso LA LEONESSA Spa. L’attività svolta è stata suddivisa come segue:
– progettazione e simulazione di differenti curve di laminazione al fine di ridurre le forze ed i tempi di produzione;
– realizzazione presso LA LEONESSA Spa dei risultati numerici più rilevanti;
– analisi dei risultati ottenuti con l’attuale ciclo di lavorazione ad oggi in uso presso LA LEONESSA Spa.

3 – Sperimentazione di nuove curve di laminazione
Per poter studiare, in ambiente virtuale, il processo di laminazione ad anelli è stato scelto il software Deform 3D prodotto dalla SFTC, tale software ha implementato al suo interno un ambiente dedicato al Ring Rolling che consente di simulare il processo una volta specificato le curve di velocità da impostare per il mandrino ed il cono assiale superiore. In tabella 1 e 2 si riportano le misure geometriche oggetto di studio.

Per quanto riguarda la stima delle curve di velocità negli ultimi anni sono stati pubblicati numerosi articoli scientifici al fine di analizzare molteplici aspetti di questo tipo di lavorazione e svariati approcci sono stati adottati nella valutazione delle stesse. In particolare dall’analisi della letteratura e dall’esperienza maturata si sono riscontrati interessanti miglioramenti al processo di laminazione impostando curve di laminazione caratterizzate da:
– una legge di moto costante per il mandrino
– una legge di moto lineare crescente per il cono assiale

Figura 4a: Curva di velocità per il mandrino; Figura 4b: Curva di velocità per il cono assiale superiore

Prendendo spunto da suddetti studi, si è scelto di impostare una legge di moto sul mandrino costante (F0, figura 4a), mentre per il cono assiale superiore è stata considerata una curva di velocità lineare crescente (H+, figura 4b). La curva di velocità F0 è stata ottenuta dividendo la corsa effettuata dallo stesso per il tempo di laminazione di 26.8s; allo stesso modo il valor medio della velocità del cono H0 è stata ottenuta dividendo la corsa del cono assiale per il tempo di laminazione, la pendenza crescente della curva H+ è stata ottenuta attraverso il seguente criterio:
H = H0 – 0.5 H0 per t=0 s;
H = H0 per t=13.4 s;
H = H0 + 0.5 H0 per t = 26.8 s.

Figura 3: Esempio di una curva di laminazione.

Per quanto riguarda il rullo trascinatore è stata mantenuta la velocità angolare di 3.35rad/s.
Le leggi di moto così ottenute sono state utilizzate per realizzare il modello Test A. Partendo da tale curva sono state stimate nuove curve di laminazione cercando di ridurre i tempi di produzione, con l’obiettivo primario di avere comunque forze inferiori rispetto a quelle attualmente in produzione fino ad arrivare al caso limite dove il tempo viene accorciato per massimizzare la produzione cercando di avere forze in gioco comparabili con quelle attualmente impiegate. I risultati ottenuti a valle delle simulazioni sono state confrontate con il Test 1 che replica in ambiente virtuale l’attuale ciclo di produzione dell’anello. Il confronto è avvenuto sia dal punto di vista geometrico misurando il diametro esterno (Dext), la fascia (F) e l’altezza (H) dell’anello prodotto; sia dal punto di vista fisico comparando la forza massima spesa dal mandrino e dal cono assiale superiore. In tabella 2 sono riassunti i risultati ed una comparazione percentuale del miglioramento/peggioramento rispetto al Test 1.

Dalla tabella 3 si può notare come tutte le curve di laminazione testate non vanno ad influenzare significativamente i parametri geometrici. Per quanto riguarda i valori di forza massima sia per il mandrino che per il cono si rileva un trend crescente al diminuire del tempo di produzione fino ad arrivare al Test F dove si misura ancora un sensibile miglioramento della forza massima esercitata dal mandrino a scapito però di un peggioramento degli sforzi del cono assiale.

Figura 5: Confronto mesh-cad tra i quattro anelli prodotti.

Riproduzione sperimentale dei test più significativi
La riproduzione dei dati ottenuti mediante simulazione sul laminatoio è fondamentale al fine di validare i risultati ricavati dall’analisi numerica in ambiente FEM. Le curve scelte da testare sul laminatoio sono state quelle relative ai test A, D ed F. In tabella 3, vengono confrontati i risultati sperimentali con quelli ottenuti mediante software ad elementi finiti in ambiente numerico.

Dalla tabella 7 è possibile notare che i valori sperimentali non collimano perfettamente con i risultati numerici (Tabella 2). Tale differenza è dovuta, purtroppo, al software integrato nella macchina che non prevede di controllare appieno le curve di velocità impostate: nello specifico il software arrotonda le cifre dopo la virgola falsando dunque la curva di laminazione. Altro elemento di disturbo è la gestione dei parametri di input della curva di arretramento del carro la quale risulta difficile da controllare in quanto viene modificata in real time dalla reale crescita diametrale dell’anello: essendo tale crescita comunque dipendente dalla curva di laminazione è facile intuire come l’arrotondamento delle curve di velocità impostate influenzino anche questo parametro.

Al fine di ottenere un confronto geometrico più dettagliato gli anelli prodotti sono stati successivamente misurati tramite scanner ottico tridimensionale a luce strutturata della Open Technologies: mediante tale strumento viene generata una nuvola di punti che ricostruisce l’oggetto acquisito; dalla nuvola di punti è possibile ricavare una MESH in formato STL (solid to layer) e, agevolandosi del software metrologico GOM inspect, si può confrontare tale modello con un disegno CAD 3D al fine di analizzare attraverso una mappa a colori le deviazioni tra l’anello voluto e quello realmente ottenuto (figura 5).

Come si può notare dalla figura 5 nel confronto con l’anello attualmente in produzione i tre anelli prodotti tramite le nuove curve di laminazione risultano avere un diametro esterno più prossimo al valore desiderato mentre un diametro interno superiore, l’altezza è superiore rispetto al CAD in tutte e quattro le prove. Da notare come l’anello prodotto dalla Leonessa Spa abbia un diametro interno comparabile con il CAD, mentre il diametro esterno è inferiore (colore azzurro). In tabella 8 vengono mostrate alcune delle tolleranze dimensionali e geometriche ottenute mediante Gom inspect.

La tabella 8 evidenzia un miglioramento, seppure poco influente in alcuni casi, della circolarità esterna e della planarità inferiore dell’anello per tutti gli anelli prodotti con le nuove curve di laminazione; la concentricità dell’anello risulta invece peggiorare nel caso del Test A EXP mentre al contrario ininfluente piuttosto che migliorativa rispettivamente per i Test D EXP ed F EXP.

Conclusioni
Oggetto di questo lavoro è stato lo studio di nuove curve di laminazione, caratterizzate da un avanzamento a velocità costante per il mandrino ed una curva di velocità crescente per il cono assiale superiore, in grado di produrre anelli da caratteristiche geometriche soddisfacenti ma prodotti con tempi e forze di lavorazione inferiori. Tale processo di ottimizzazione è stato eseguito prima in ambiente virtuale grazie all’utilizzo del software DEFORM 3D e poi successivamente le prove più significative sono state riprodotte sperimentalmente presso LA LEONESSA Spa. I risultati evidenziano come tali curve consentano di ridurre sensibilmente in tempo di lavorazione (max -40 % circa) garantendo una lieve diminuzione delle forze in gioco (max 5% circa). Un’analisi geometrica approfondita, grazie a tecniche di Reverse Engineering, è stata infine condotta sui dati sperimentali per evidenziare come le curve di laminazione testate migliorano i margini di tolleranza riferiti alla circolarità esterna e la planarità inferiore degli anelli prodotti.

Ringraziamenti
Gli autori ringraziano la Leonessa SPA ed in particolare l’Ing. Zanetti per l’aiuto, il sostegno e la disponibilità fornitaci durante tutta la fase di sperimentazione ed acquisizione dati.

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