Análisis numérico del proceso de laminación

Abstract

En el presente documento se realiza un análisis numérico del comportamiento mecánico de un material sometido a un proceso de laminación plana en frío. Procesos de este tipo son cada vez más empleados, hasta el punto que una parte muy importante de la producción metálica industrial está compuesta por la producción de láminas y chapas metálicas obtenidas por laminación en frío. Este hecho es debido al bajo coste del mismo y a la gran variedad de productos fabricados a partir de estas chapas y láminas metálicas. Muy atractivos por su buena resistencia mecánica y su excelente relación resistencia - peso, son fabricados mediante este proceso desde productos de la vida cotidiana, como latas de conserva o de bebida, hasta productos más sofisticados como pueden ser la carrocería de un automóvil o el fuselaje de una aeronave. Trabajos de investigación sobre el proceso de laminación plana, han demostrado la existencia de dos patrones bien diferenciados en las distribuciones de presión en el contacto lámina – rodillo, dependiendo del grado de homogeneidad de la deformación inducida en el material (H). Para deformaciones homogéneas (H > 3) el patrón mencionado únicamente presenta un máximo, mientras que para deformaciones no homogéneas (H < 3) el patrón presenta dos máximos. Sin embargo dichos trabajos de investigación han demostrado que a medida que se reduce el valor de H, el patrón tiende a cambiar de la configuración de dos máximos a la de uno. Este comportamiento puede justificarse debido al hecho de que al disminuir H aparecen tensiones residuales en la superficie del material cada vez más elevadas. Por tanto el objetivo del presente documento es el encontrar el valor de H en el que se produce el cambio de patrón en deformaciones no homogéneas. Para ello se ha desarrollado un modelo numérico de elementos finitos mediante el software comercial Abaqus que permita realizar simulaciones del proceso de laminación, con el que poder estudiar la evolución de las tensiones residuales en el material para diferentes valores del parámetro H. El material a laminar escogido ha sido una aleación de aluminio – manganeso de extendido uso industrial como es la AA 3004 H-19. La adición de manganeso como aleante al aluminio, hace que se aumente la resistencia mecánica pero manteniendo la buena resistencia a la corrosión y maquinabilidad del aluminio. Razones por las cuales, resulta una elección idónea como material escogido para la fabricación de latas de conservación de productos alimenticios y bebidas. El modelo numérico desarrollado ha sufrido un procedimiento de validación en términos de la fuerza de laminación y del par generado, mediante la comparación de los resultados obtenido con datos recogidos de artículos publicados en la literatura científica. Finalmente se realizan modificaciones al modelo desarrollado para analizar la influencia de dichos cambios en los resultados obtenidos.

The present document carries out a numerical analysis of the mechanical performance of a material subjected to flat cold lamination. These type of processes are more and more employed, up to the point that a very important fraction of the mechanical industrial production is compound by metalic sheets production which are obtained by cold lamination. This happens because of the low cost of cold lamination and the wide range of products that are manufactured from these metallic sheets. Among others, products that go from daily life items, such as tinned food or beverage cans, to more sofisticated goods, like bodyworks or aircraft ́s fuselages, are manufactured by this procedure, and they are very attractive because of their good mechanical resistance and their excelent strength to weight ratio. Research works about cold flat lamination have demonstrate the existence of two well distinguished patterns on stream roller sheet contact pressure distribution, depending on the homogeneity factor of the induced deformation on the material (H). For homogeneous deformations (H>3) the aforementioned pattern only presents a maximum, whereas for non homogeneous deformations (H<3) two maximums are presented. Nevertheless those previously mentioned research works have shown that, while H value is lessen, the pattern tends to change from two maximums configuration (o from a configuration of two maximums) to one. This behaviour can be justified due to the fact that when H dimished, increasingly higher residual tensions appears on the material surface. Therefore, the aim of the present document is to find H ́s value in wich the change of the pattern on non homogeneous deformations is produced. To this end a numerical finiteelement model has been developed with the comercial software Abaqus. A numerical model that allows to perform simulations of the lamination process with which we have been able to study the evolution of those residual tensions in the material for the different values of the parameter H. The material that has been chosen to be laminated has been an alloy of aluminium - manganese of widespread industrial use like is the AA 3004 H19. The manganese addition as an aluminum alloy, increase the mechanic resistance while it maintains the good resistance to corrosion and the machinability of the aluminium. For those reasons, it happens to be a suitable choice for the manufacturing of food and beverage cans. By the comparison of the robtained results with data collected from articles that have been published on scientific literature the numerical model has suffered a validation procedure, in terms of the lamination stregth and the torque generated. Finally some modifications are done to the developed model in order to analyze the influence of those changes in the obtained results.