Study of an innovative multi-pass hot rolling process through non-linear finite element analysis

The aim of the present study is to evaluate the feasibility of an innovative metal-forming process and the optimization of its working parameters. The working process has been simulated through the implementation of a three-dimensional non-linear transient structural analysis using the finite element code Ansys. The starting product is a structural steel cast ingot of 42CrMo (AISI 4140) steel. It is subjected to a multi-pass hot rolling process characterized by a rolling speed that increases from the first steps to the latters. At each of the twelve rolling steps, the worked material is also rotated 90° along its principal axis so that its sides are rolled alternatively. The simulation has been run by setting a bilinear hardening law at a constant temperature; both are well posed simplifications of the real behavior made in order to reduce the heaviness of the simulation process. This flow stress constitutive equation is function of strain rate and the relative data have been collected from extended studies on hot compression for the specific material. At the end of the simulation, the response of the work-piece to the rolls action has been examined in terms of Von Mises Equivalent Stress, Equivalent Strain and Stress Triaxiality Ratio. Then, information about the rolling system have been gathered in form of Rolls Separation Force and Rolling Torque. These results show the positive effect of the forming process on the worked material: porosities in the central region tend to be closed. Moreover the homogeneous distributions of Von Mises Equivalent Stress and Equivalent Strain all over the neutral section lead to an increase in its mechanical properties. The simulation yields predictions which match the experimental observations obtained from other projects concerning similar plastic deformation operations. Also a first estimation of the plant features needed to roll the ingot in realty has been made.

Il presente studio ha lo scopo di valutare la fattibilità di un processo innovativo per la formatura dei metalli e di ottenere informazioni atte a ottimizzare i relativi parametri di lavoro. Tale processo è stato simulato tramite un’analisi tridimensionale non lineare, strutturale e transitoria agli elementi finiti, utilizzando il software Ansys. Il manufatto di partenza è un lingotto di acciaio 42CrMo (AISI 4140) ottenuto in colata. Questo processo innovativo prevede la sua laminazione in dodici passate a velocità di laminazione crescente passando dalle prime alle ultime. A ogni passata il lingotto è ruotato di 90° rispetto al suo asse in modo che i suoi lati siano laminati alternativamente. Il comportamento dell’acciaio di cui è costituito il lingotto è stato modellizzato prendendo in considerazione una legge bilineare d’incrudimento a temperatura costante. Tali semplificazioni rappresentano una buona approssimazione del comportamento del materiale e contemporaneamente permettono di diminuire il carico dei calcoli. A valle della simulazione, è stata analizzata la risposta del materiale all’azione dei rulli in termini di sforzo equivalente di Von Mises, deformazione equivalente e coefficiente di triassialità degli sforzi. I risultati mostrano un’influenza positiva dell’operazione di deformazione: le porosità di partenza presenti nella regione centrale del lingotto vengono efficacemente chiuse. Inoltre le distribuzioni omogenee degli sforzi equivalenti di Von Mises e della deformazione equivalente nella sezione neutra portano a un miglioramento delle proprietà meccaniche del manufatto finale. I risultati ottenuti sono in accordo con le previsioni sperimentali avanzate da altri progetti riguardanti simili operazioni di deformazione plastica. In ultima istanza sono state stimate le caratteristiche dell’eventuale impianto in grado di laminare il lingotto considerato analizzando la forza di separazione dei rulli e la coppia richiesta.