EP4217130A1 - Procédé de modélisation de comportement d'un laminoir circulaire - Google Patents

Procédé de modélisation de comportement d'un laminoir circulaire

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EP4217130A1
EP4217130A1 EP21790945.6A EP21790945A EP4217130A1 EP 4217130 A1 EP4217130 A1 EP 4217130A1 EP 21790945 A EP21790945 A EP 21790945A EP 4217130 A1 EP4217130 A1 EP 4217130A1
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EP
European Patent Office
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parameters
mandrel
rolling mill
force
setpoint
Prior art date
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Application number
EP21790945.6A
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German (de)
English (en)
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EP4217130B1 (fr
Inventor
Edouard Frédéric Christian Claude MARCHAL
Julien Jean Edmond SCHWARTZ
Patrice André Modeste LASNE
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Safran Aircraft Engines SAS
Original Assignee
Safran Aircraft Engines SAS
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Publication date
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Publication of EP4217130A1 publication Critical patent/EP4217130A1/fr
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Publication of EP4217130B1 publication Critical patent/EP4217130B1/fr
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21H—MAKING PARTICULAR METAL OBJECTS BY ROLLING, e.g. SCREWS, WHEELS, RINGS, BARRELS, BALLS
    • B21H1/00—Making articles shaped as bodies of revolution
    • B21H1/06—Making articles shaped as bodies of revolution rings of restricted axial length
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B37/00—Control devices or methods specially adapted for metal-rolling mills or the work produced thereby
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B1/00—Metal-rolling methods or mills for making semi-finished products of solid or profiled cross-section; Sequence of operations in milling trains; Layout of rolling-mill plant, e.g. grouping of stands; Succession of passes or of sectional pass alternations
    • B21B1/16—Metal-rolling methods or mills for making semi-finished products of solid or profiled cross-section; Sequence of operations in milling trains; Layout of rolling-mill plant, e.g. grouping of stands; Succession of passes or of sectional pass alternations for rolling wire rods, bars, merchant bars, rounds wire or material of like small cross-section
    • B21B1/18—Metal-rolling methods or mills for making semi-finished products of solid or profiled cross-section; Sequence of operations in milling trains; Layout of rolling-mill plant, e.g. grouping of stands; Succession of passes or of sectional pass alternations for rolling wire rods, bars, merchant bars, rounds wire or material of like small cross-section in a continuous process

Definitions

  • TITLE Process for modeling the behavior of a circular rolling mill
  • the present invention relates to the field of modeling forging processes, and in particular the modeling of circular rolling processes.
  • a range of forging is the set of shaping operations allowing, using specific tools, to evolve a piece until obtaining, without defect, a raw part of the desired shape.
  • a reliable and realistic modeling of all of these operations, and in particular of the behavior of the tools and the billet, makes it possible to reduce the design time of a new range of forges, since this also makes it possible to reduce the number of parts. tests to be produced to validate the new range.
  • Forging processes with a hydraulic press or more generally vertical forging machines are generally easy to model because the principle of controlling the press is simple. Indeed, there is only a translational movement of the press during forging. However, these forging processes are not very suitable for producing crowns or rings without welding, for example. In order to allow optimal use of the material, a circular rolling process is therefore used to produce such parts.
  • the commands for the tools are given as input to a rolling mill control system by an operator, and depend on the part to be rolled.
  • the operator wishes to roll a new part, he must first determine the input data, which are not only the final dimensions of the part to be obtained, but the joint evolution of these dimensions.
  • the rolling process can be modeled numerically by finite element calculations that do not take into account the adaptive operation of the rolling mill tools managed by the control system. In this case, it is generally necessary to machine at least one part to control the quality of the forging range and to recover acquisition data, in particular the tool displacement data and the force data exerted by the tools. during the rolling of the part, to integrate them into the modeling of the rolling process.
  • An object of the invention is to remedy at least in part the aforementioned drawbacks by proposing a modeling method taking into account the behavior of all the mobile tools of a circular rolling mill, and their interactions, making it possible to determine ranges of forges reliably and quickly.
  • This object is achieved by the present invention thanks to a method for modeling the behavior of a circular rolling mill intended to roll a cylindrical part from a set point, the circular rolling mill comprising at least one conical roller, configured to have a movement of translation in a first direction, and a mandrel, configured to have a movement of translation in a second direction, the setpoint comprising a setpoint for the speed of increase of an outer diameter of said cylindrical part as a function of said outer diameter, and a setpoint for the height of the cylindrical part in the first direction as a function of a thickness of the cylindrical part in the second direction, said method comprising the steps of: E1- obtaining a first set of parameters characteristic of the behavior of the circular rolling mill by means of a control formula linking a translational speed of the mandrel in the second direction direction of translation at the rate of increase of the external diameter and function of the setpoint; E2- Calculation by finite elements of a force value exerted on the conical roller from the first set of parameters; E3- Comparison of the value
  • the first set of parameters obtained by the control formula comprises a speed of movement of the conical roller h and a speed of translation of the mandrel s;
  • control formula is given by: with s the position of the mandrel, s the speed of translation of the mandrel, D the speed of increase of the external diameter D of the piece to be rolled;
  • the at least one admissible force threshold value depends on the outer diameter of the cylindrical part
  • Figure 1 schematically illustrates a circular rolling mill for rolling a cylindrical part.
  • Figures 2a and 2b schematically illustrate steps of a method for modeling the behavior of a circular rolling mill according to the invention.
  • Figure 3 schematically illustrates a cylindrical part that can be obtained by a circular rolling process.
  • Figure 4 illustrates examples of input setpoints for a circular rolling mill.
  • Figure 5 schematically illustrates a system for controlling the movements of mobile tools of the circular rolling mill of Figure 1.
  • Figure 6 illustrates different stages defined by threshold force values admissible by a conical roll of the rolling mill.
  • FIG. 7 is a graph representing the evolution of the axial force at the level of a conical roller, calculated by a modeling obtained by a method according to the invention, by a modeling of the prior art, and measured experimentally.
  • FIG. 8 is a graph representing the evolution of the radial force at the level of a mandrel, calculated by a modeling obtained by a method according to the invention, by a modeling of the prior art, and measured experimentally.
  • FIG. 9 is a graph representing the evolution of the external diameter of a part during rolling, calculated by a modeling obtained by a method according to the invention, by a modeling of the prior art, and measured experimentally.
  • FIG. 10 is a graph representing the evolution of the rate of increase in the external diameter of a part during rolling, calculated by a modeling obtained by a method according to the invention, by a modeling of the art earlier, and measured experimentally.
  • FIG 1 schematically illustrates moving tools of a system allowing the production of a cylindrical part called crown 5 during a circular rolling process illustrated in Figures 2a and 2b.
  • the circular rolling mill 1 comprises at least one conical roller 3, in translation along a first direction Y, and in rotation along a roller direction X'.
  • the circular rolling mill 1 comprises an upper conical roller 3 and a lower conical roller 3'.
  • the circular rolling mill comprises a motor cylinder 4 in rotation around an axis tangent to the first direction Y, substantially vertical.
  • the engine cylinder 4 is driven in rotation speed by a control unit 10, illustrated schematically in Figure 5.
  • the rolling mill 1 comprises another cylindrical tool called mandrel 2, also in rotation around an axis in the first direction Y.
  • the mandrel 2 can be translated in a second direction X, substantially orthogonal to the first direction Y.
  • the translation movement and the rotational movement of the mandrel 2 are controlled by the control unit 10.
  • FIG. 3 illustrates an example of a cylindrical ring 5 that can be obtained by rolling a billet with the circular rolling mill 1.
  • an operator can place the crown 5 under the at least one conical roller 3 and between the mandrel 2 and the motor cylinder 4.
  • a rotational movement of the conical roller 3 simultaneous with a translational movement of the conical roller 3 makes it possible to change the height a of the crown 5.
  • rotational movements of the motor cylinder 4 and of the mandrel 2, simultaneous d a translational movement of the mandrel 2 makes it possible to change the thickness e of the crown.
  • the input instructions include at least the desired dimensions of the cylindrical crown 5 to be rolled.
  • the input instructions also include the laws of evolution of the dimensions of the crown 5.
  • the setpoint includes a setpoint for the rate of increase ⁇ (D) of the external diameter of the cylindrical crown 5 as a function of the external diameter D.
  • the setpoint may include a height setpoint a(e) of the cylindrical crown 5 along the first direction Y as a function of the thickness e of the crown 5 along the second direction X.
  • An example of such input setpoints is illustrated on Figure 4.
  • control unit 10 can control the translational and rotational movements of the tools 2, 3, 4 in motion of the rolling mill 1, as illustrated schematically in FIG. 5
  • Each forge range is associated with a specific instruction.
  • the circular rolling process stops once the desired external diameter Dtarget is reached.
  • a first step E1 of the process for modeling the behavior of the circular rolling mill 1 is to determine a control formula, making it possible to link the input setpoint to at least one movement of a mobile tool 2.3 of the rolling mill 1.
  • the control formula piloting makes it possible to obtain a first set of parameters characteristic of the behavior of the circular rolling mill 1 .
  • the relationship between the rate of increase D of the external diameter D and the rate of increase é of the thickness e also depends on the other parameters of the crown 5, that is to say its height a, its external diameter D and its thickness e.
  • control formula which has been identified to reproduce part of the behavior of the rolling mill 1 as well as the main instructions entered by the operator in the control unit 10 of the rolling mill 1 is given by: with s the position of the mandrel directly linked to the thickness e of the ring, s the speed of translation of the mandrel directly linked to the speed of increase é of the thickness e of the ring, h the position of the conical roller, h travel speed of the conical roller h.
  • This nonlinear control formula makes it possible to obtain a first translation speed of the mandrel s of the theoretical thickness s, respecting the input instructions, as illustrated in figure 4.
  • the relationship between the rate of increase D of the external diameter D and the rate of increase h of the position h also depends on the other parameters of the crown 5, that is to say on its height a, on its external diameter D and its thickness e.
  • the control formula making it possible to obtain the first set of parameters characteristic of the behavior of the circular rolling mill 1 can be integrated into a computer code by finite elements. In an exemplary embodiment, it can be integrated into the Forge calculation code by the Transvalor calculation code editor.
  • the finite element calculation code makes it possible to model the rolling process and in particular to calculate a force F CO ne exerted by the conical roller 3 on the crown 5 during a rolling process as a function of the first set of parameters.
  • the mechanical characteristics of the circular rolling mill 1 can be taken into account.
  • the force F CO ne exerted on the conical roller 3 does not exceed a threshold value F seU ii.
  • the threshold value F seU ii depends on the outer diameter D of the crown 5 during rolling.
  • the threshold value F se uii(D) can depend on the position in the second direction X of a point of the outer edge of diameter D of the crown 5, in contact with a surface of the conical roller 3.
  • Dmax is the maximum outer diameter that can be rolled. Dmax is preferably less than the axial dimension of the conical roller 3 along the second direction X.
  • the first mechanical model intervenes when the radial force F CO ne of the conical roller 3 exceeds the threshold value F seU ii.
  • the modeling method comprises a step E3 of comparing the value of force F CO ne exerted on the conical roller 3 calculated with the threshold value of force F seU ii admissible by the rolling mill 1.
  • the control formula for example one of the control formulas presented previously, is no longer applied.
  • a constant force is applied by the conical roller 3 on the crown 5.
  • the first mechanical model will thus modify the displacement of the conical roller 3, in order to ensure the maximum admissible force.
  • the applied force of the first mechanical model being reduced compared to the theoretical force calculated by the finite element calculation code, this will imply a slowing down of the rate of increase D of the external diameter D.
  • the second set of parameters is calculated by a control formula following only the entry setpoint in height h(s) of the crown 5 in the first direction Y as a function of the thickness s of the crown 5 in the second direction X, so that the increase speed setpoint D is not respected.
  • FIG. 7 illustrates a comparison between the axial force F CO ne calculated by the proposed modeling method, in comparison with a modeling of the prior art not taking this mechanical model into account, and with experimental force measurements. It can be seen that the proposed modeling method makes it possible to account more reliably for the axial force on the conical roller 3.
  • the diameter D of the crown 5 calculated will increase to a diameter value causing the force level to change. If the force value exerted on the calculated conical roller 3 is less than the new admissible force threshold value, the set of parameters is calculated according to the control formula in normal operation.
  • step E3 of the proposed modeling method the first set of parameters or the possible second set of parameters are corrected in order to obtain a third set of corrected parameters, making it possible to translate the kinematics of all the mobile tools of the circular rolling mill 1, and in particular of the mandrel 2.
  • the third set of parameters is thus characteristic of the behavior of the circular rolling mill 1 for the given instruction.
  • the control formula as determined during the first step E1 uses a theoretical position of the mandrel 2.
  • the mandrel 2 may be contained in a cage which deforms elastically during the rolling process, which has the effect of disturbing the position of the mandrel 2. It has in fact been observed empirically that the thickness e actual crown 5 was generally greater than the theoretical thickness e. It was identified that the control unit 10 of the circular rolling mill 1 did not take into account the deformation of the cage of the mandrel 2 in the control during the rolling process.
  • the elastic deformation of the cage of the mandrel 2 can be modeled simply as the deformation of a spring fixed between the mandrel 2 and the cylinder 21 allowing the translation movement according to the second direction X of the mandrel 2.
  • the cage of the mandrel 2 behaves like a spring of stiffness k, radially exerting a force on the crown 5 depending on the position of the mandrel 2 according to the axis of second direction X.
  • the offset applied in correction may depend on the radial force calculated by the finite element calculation code.
  • the set of parameters includes the rate of increase s of the thickness s of the crown 5, which directly depends on the translational movement of the mandrel 2, the addition of this second mechanical modeling is relevant. because the fact of taking into account the stiffness of the mandrel 2 makes it possible to change the theoretical stroke of the latter, which is notably influenced by the virtual deformation of the cage.
  • this second mechanical model can be fully integrated by Transvalor into the Forge calculation code.
  • Figure 8 illustrates a comparison between the radial force calculated by the proposed modeling method, in comparison with prior art modeling that does not take this second mechanical model into account, and with experimental force measurements. It can be seen that the proposed modeling process makes it possible to account more reliably for the radial force on the mandrel 2.
  • the method of modeling the behavior of the circular rolling mill 1 as presented makes it possible to obtain a complete model predicting the behavior of the circular rolling installation.
  • Figures 9 and 10 illustrate the comparison between the evolution of the external diameter D of the crown 5 and the rate of increase D of the external diameter of the crown 5, calculated by a model of the prior art, by the model presented and obtained by experimental measurements.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Control Of Metal Rolling (AREA)
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  • Reduction Rolling/Reduction Stand/Operation Of Reduction Machine (AREA)

Abstract

L'invention concerne un procédé de modélisation de comportement d'un laminoir circulaire (1), destiné à laminer une pièce cylindrique à partir d'une consigne, le laminoir circulaire comprenant au moins un rouleau conique (3), configuré pour avoir un mouvement de translation selon une première direction (Y), et un mandrin (2), configuré pour avoir un mouvement de translation selon une deuxième direction (X), la consigne comprenant une consigne en vitesse d'accroissement d'un diamètre externe de ladite pièce cylindrique en fonction dudit diamètre externe, et une consigne en hauteur de la pièce cylindrique selon la première direction en fonction d'une épaisseur de la pièce cylindrique selon la deuxième direction.

Description

DESCRIPTION
TITRE : Procédé de modélisation de comportement d’un laminoir circulaire
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne le domaine de la modélisation de procédés de forgeage, et en particulier la modélisation de procédés de laminage circulaire.
ETAT DE LA TECHNIQUE
La modélisation des procédés de forgeage représente aujourd’hui un enjeu industriel fort car elle permet de concevoir de nouvelles gammes de forge ou d’optimiser des gammes existantes. Une gamme de forge est l’ensemble des opérations de mise en forme permettant, à l'aide d'outillages spécifiques, de faire évoluer un lopin jusqu'à l'obtention, sans défaut, d’une pièce brute de la forme souhaitée. Une modélisation fiable et réaliste de l’ensemble de ces opérations, et en particulier du comportement des outillages et du lopin permet de réduire le temps de conception d’une nouvelle gamme de forge, puisque cela permet en outre de réduire le nombre de pièces d’essais à produire pour valider la nouvelle gamme.
Des procédés de forgeage avec une presse hydraulique ou plus généralement des machines à forger verticales sont globalement faciles à modéliser car le principe de pilotage de la presse est simple. En effet, il n’y a qu’un mouvement de translation de la presse au cours du forgeage. Cependant, ces procédés de forgeage sont peu adaptés pour la réalisation de couronnes ou de bagues sans soudure par exemple. Afin de permettre une utilisation du matériau optimale, on utilise donc pour produire de telles pièces un procédé de laminage circulaire.
Dans le cas du laminage circulaire, la modélisation du comportement des outillages est compliquée à mettre en œuvre, car il est nécessaire de prendre en compte de manière synchronisée les mouvements simultanés de translation et de rotation de différents outils. De même, les mouvements des différents outils entraînent plusieurs évolutions simultanées de paramètres du lopin, qu’il faut parvenir à maîtriser. Pour rappel, le principe d’un procédé de laminage circulaire est de manière générale de réduire la section et la hauteur du lopin pour accroître son diamètre, de manière contrôlée.
Pour modéliser ce type de procédé, il est nécessaire de piloter le déplacement de l’ensemble des outils composant le laminoir circulaire. De manière générale, les commandes des outils sont données en entrée d’un système de pilotage du laminoir par un opérateur, et dépendent de la pièce à laminer. Lorsque l’opérateur souhaite laminer une nouvelle pièce, il doit préalablement déterminer les données en entrée, qui ne sont pas seulement les dimensions finales de la pièce à obtenir, mais l’évolution conjointe de ces dimensions.
Le procédé de laminage peut être modélisé numériquement par des calculs par éléments finis ne prenant pas en compte le fonctionnement adaptatif des outils du laminoir géré par le système de pilotage. Dans ce cas, il est en général nécessaire d’usiner au moins une pièce pour contrôler la qualité de la gamme de forgeage et récupérer des données d’acquisition, en particulier les données de déplacement des outils et les données de force exercées par les outils au cours du laminage de la pièce, pour les intégrer à la modélisation du procédé de laminage.
Toutefois, cette pratique présente plusieurs limitations. D’une part, il est nécessaire de produire une pièce pour réaliser une modélisation, ce qui entraine une perte de temps et un coût important. D’autre part, chaque modélisation réalisée n’est pertinente que vis-à-vis d’une forme de pièce particulière et d’un outillage particulier, et il est donc impossible de prévoir le comportement des différents outils si l’ébauche de la pièce cylindrique à réaliser est différente. Enfin, de telles modélisations sont compliquées à mettre en données, car il y a besoin de retravailler les acquisitions.
Des modèles de calculs par éléments finis prenant en compte le fonctionnement adaptatif des outils du laminoir géré par le système de pilotage existent.
A ce jour, il existe des modèles d’asservissement machine intégrés dans des codes de calculs comme Simufact. Cependant, les modèles utilisés ne prennent pas en compte les aspects mécaniques du laminoir circulaire 1 . Les prévisions des modélisations sont par conséquent peu précises, et il est nécessaire de forger de vraies pièces pour valider de nouvelles gammes de forge. Typiquement, les modèles existants peuvent largement sous-estimer la durée du procédé de laminage, par exemple de 10%. Les modèles existants peuvent également simuler des efforts radiaux et axiaux FCOne non représentatifs de la réalité.
PRESENTATION DE L'INVENTION
Un but de l’invention est de remédier au moins en partie aux inconvénients précités en proposant une méthode de modélisation prenant en compte le comportement de l’ensemble des outils mobiles d’un laminoir circulaire, et leurs interactions, permettant de déterminer des gammes de forge de manière fiable et rapide.
Ce but est atteint par la présente invention grâce à un procédé de modélisation de comportement d’un laminoir circulaire destiné à laminer une pièce cylindrique à partir d’une consigne, le laminoir circulaire comprenant au moins un rouleau conique, configuré pour avoir un mouvement de translation selon une première direction, et un mandrin, configuré pour avoir un mouvement de translation selon une deuxième direction, la consigne comprenant une consigne en vitesse d’accroissement d’un diamètre externe de ladite pièce cylindrique en fonction dudit diamètre externe, et une consigne en hauteur de la pièce cylindrique selon la première direction en fonction d’une épaisseur de la pièce cylindrique selon la deuxième direction, ledit procédé comprenant les étapes de : E1- obtention d’un premier jeu de paramètres caractéristiques du comportement du laminoir circulaire au moyen d’une formule de pilotage reliant une vitesse de translation du mandrin selon la deuxième direction de translation à la vitesse d’accroissement du diamètre externe et fonction de la consigne ; E2- Calcul par éléments finis d’une valeur d’effort exercé sur le rouleau conique à partir du premier jeu de paramètres ; E3- Comparaison de la valeur d’effort exercé sur le rouleau conique calculé avec au moins une valeur seuil d’effort admissible par le laminoir circulaire, et si la valeur d’effort exercé sur le rouleau conique est supérieure à la valeur seuil d’effort admissible, obtention d’un deuxième jeu de paramètres, de sorte que la consigne en vitesse d’accroissement n’est pas respectée, correction du deuxième jeu de paramètres afin d’obtenir un troisième jeu de paramètres ;si la valeur d’effort exercé sur le rouleau conique calculé est inférieure à la valeur seuil d’effort admissible, correction du premier jeu de paramètres par prise en compte d’une raideur du mandrin afin d’obtenir un troisième jeu de paramètres ; ledit troisième jeu de paramètres étant caractéristique du comportement du laminoir circulaire pour la consigne donnée.
D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
- le premier jeu de paramètres obtenu par la formule de pilotage comprend une vitesse de déplacement du rouleau conique h et une vitesse de translation du mandrin s ;
- la formule de pilotage est donnée par : avec s la position du mandrin, s la vitesse de translation du mandrin, D la vitesse d’accroissement du diamètre externe D de la pièce à laminer ;
- lors de l’étape de comparaison E3, l’au moins une valeur seuil d’effort admissible dépend du diamètre extérieur de la pièce cylindrique ;
- lors de l’étape de correction, une déformation d’une cage du mandrin, modélisé comme un ressort de constante de raideur k est prise en compte, de sorte que le troisième jeu de paramètres est obtenu par un décalage d’au moins un paramètre caractéristique du comportement du mandrin du laminoir circulaire. DESCRIPTION DES FIGURES
D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
La figure 1 illustre de façon schématique un laminoir circulaire permettant le laminage d’une pièce cylindrique.
Les figures 2a et 2b illustrent schématiquement des étapes d’un procédé de modélisation de comportement d’un laminoir circulaire selon l’invention.
La figure 3 illustre de façon schématique une pièce cylindrique pouvant être obtenue par un procédé de laminage circulaire.
La figure 4 illustre des exemples de consignes d’entrée d’un laminoir circulaire.
La figure 5 illustre de façon schématique un système de contrôle des mouvements d’outils mobiles du laminoir circulaire de la figure 1.
La figure 6 illustre différents paliers définis par des valeurs d’effort seuil admissible par un rouleau conique du laminoir.
La figure 7 est un graphique représentant l’évolution de l’effort axial au niveau d’un rouleau conique, calculé par une modélisation obtenue par un procédé selon l’invention, par une modélisation de l’art antérieur, et mesuré expérimentalement.
La figure 8 est un graphique représentant l’évolution de l’effort radial au niveau d’un mandrin, calculé par une modélisation obtenue par un procédé selon l’invention, par une modélisation de l’art antérieur, et mesuré expérimentalement.
La figure 9 est un graphique représentant l’évolution du diamètre extérieur d’une pièce au cours d’un laminage, calculé par une modélisation obtenue par un procédé selon l’invention, par une modélisation de l’art antérieur, et mesuré expérimentalement.
La figure 10 est un graphique représentant l’évolution de la vitesse d’accroissement du diamètre extérieur d’une pièce au cours d’un laminage, calculé par une modélisation obtenue par un procédé selon l’invention, par une modélisation de l’art antérieur, et mesuré expérimentalement.
Seuls les éléments nécessaires à la compréhension de l'invention ont été représentés. Pour faciliter la lecture des dessins, les éléments similaires portent des références identiques sur l’ensemble des figures. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
La figure 1 illustre schématiquement des outils en mouvement d’un système permettant la réalisation d’une pièce cylindrique appelée couronne 5 au cours d’un procédé de laminage circulaire illustré sur les figures 2a et 2b. Le laminoir circulaire 1 comprend au moins un rouleau conique 3, en translation selon une première direction Y, et en rotation selon une direction de rouleau X’. Dans l’exemple de réalisation illustré, le laminoir circulaire 1 comprend un rouleau conique supérieur 3 et un rouleau conique inférieur 3’.
Le laminoir circulaire comprend un cylindre moteur 4 en rotation autour d’un axe tangent à la première direction Y, sensiblement vertical. Le cylindre moteur 4 est piloté en vitesse de rotation par une unité de contrôle 10, illustrée schématiquement sur la figure 5.
Le laminoir 1 comprend un autre outil cylindrique appelé mandrin 2, également en rotation autour d’un axe selon la première direction Y. Le mandrin 2 peut se translater selon une deuxième direction X, sensiblement orthogonale à la première direction Y. Le mouvement de translation et le mouvement de rotation du mandrin 2 sont pilotés par l’unité de contrôle 10.
La figure 3 illustre un exemple de couronne cylindrique 5 pouvant être obtenue par laminage d’un lopin avec le laminoir circulaire 1. Afin de former une couronne 5 ayant une hauteur a selon la première direction Y et une épaisseur e et un diamètre externe D selon la deuxième direction X, un opérateur peut disposer la couronne 5 sous l’au moins un rouleau conique 3 et entre le mandrin 2 et le cylindre moteur 4.
Un mouvement de rotation du rouleau conique 3 simultané d’un mouvement de translation du rouleau conique 3 permet de faire évoluer la hauteur a de la couronne 5. De manière liée, des mouvements de rotation du cylindre moteur 4 et du mandrin 2, simultanés d’un mouvement de translation du mandrin 2 permettent de faire évoluer l’épaisseur e de la couronne.
L’ensemble des mouvements des outils modifie en même temps le diamètre externe ou extérieur D de la couronne 5.
Afin d’atteindre les dimensions de la couronne 5 souhaitées, il convient de donner en entrée de l’unité de contrôle 10 (aussi appelé système de pilotage 10) du laminoir circulaire 1 des consignes d’entrée. Les consignes d’entrée comprennent au moins les dimensions désirées de la couronne cylindrique 5 à laminer. De préférence, les consignes d’entrée comprennent également les lois d’évolution des dimensions de la couronne 5.
Dans un exemple de réalisation, la consigne comprend une consigne en vitesse d’accroissement Ô(D) du diamètre externe de la couronne cylindrique 5 en fonction du diamètre externe D. La consigne peut comprendre une consigne en hauteur a(e) de la couronne cylindrique 5 selon la première direction Y en fonction de l’épaisseur e de la couronne 5 selon la deuxième direction X. Un exemple de telles consignes d’entrée est illustré sur la figure 4.
A partir des consignes données en entrée de l’unité de contrôle 10, l’unité de contrôle 10 peut contrôler les mouvements de translation et de rotation des outils 2, 3, 4 en mouvement du laminoir 1, comme illustré schématiquement sur la figure 5. Chaque gamme de forge est associée à une consigne particulière. En particulier, le procédé de laminage circulaire s’arrête une fois que le diamètre externe Dcible désiré est atteint.
Une première étape E1 du procédé de modélisation de comportement du laminoir circulaire 1 est de déterminer une formule de pilotage, permettant de relier la consigne d’entrée à au moins un mouvement d’un outil mobile 2,3 du laminoir 1. La formule de pilotage permet d’obtenir un premier jeu de paramètres caractéristiques du comportement du laminoir circulaire 1 .
De préférence, il s’agit de déterminer une formule de pilotage permettant de relier la consigne d’entrée à l’ensemble des mouvements des outils mobiles 2,3 du laminoir 1.
Dans un exemple de réalisation, il s’agit de relier la vitesse d’accroissement D du diamètre externe D de la couronne 5 à laminer, associée à une gamme de forge particulière, à la vitesse d’accroissement é de l’épaisseur s de la couronne 5 selon la deuxième direction X. La vitesse d’accroissement é de l’épaisseur e est directement reliée au mouvement de translation du mandrin 2 selon la deuxième direction X et donc à la vitesse de translation du mandrin s
De préférence, la relation entre la vitesse d’accroissement D du diamètre externe D et la vitesse d’accroissement é de l’épaisseur e dépend également des autres paramètres de la couronne 5, c’est-à-dire de sa hauteur a, de son diamètre externe D et de son épaisseur e.
Afin de déterminer la formule de pilotage décrivant les différents mouvements du laminoir 1 , il est possible d’étudier le principe de la boucle d’asservissement du laminoir 1 qui permet de gérer l’ensemble des déplacements des outils mobiles 2,3,4 à partir des consignes entrées par l’opérateur.
Dans un exemple de réalisation, la formule de pilotage qui a été identifiée pour reproduire une partie du comportement du laminoir 1 ainsi que les principales consignes entrées par l’opérateur dans l’unité de contrôle 10 du laminoir 1 est donnée par : avec s la position du madrin directement liée à l’épaisseur e de la couronne, s la vitesse de translation du mandrin directement liée à la vitesse d’accroissseement é de l’épaisseur e de la couronne, h la position du rouleau conique, h vitesse de déplacement du rouleau conique h.
Cette formule de pilotage non linéaire permet d’obtenir une première vitesse de translation du mandrin s de l’épaisseur s théorique, respectant les consignes d’entrée, telles qu’illustrées sur la figure 4.
Il est également possible de relier la vitesse d’accroissement D du diamètre externe D de la couronne 5 à laminer, à la vitesse d’accroissement à de la hauteur a de la couronne 5 selon la première direction Y.
De préférence, la relation entre la vitesse d’accroissement D du diamètre externe D et la vitesse d’accroissement h de la position h dépend également des autres paramètres de la couronne 5, c’est-à-dire de sa hauteur a, de son diamètre externe D et de son épaisseur e.
La formule de pilotage permettant d’obtenir le premier jeu de paramètres caractéristiques du comportement du laminoir circulaire 1 peut être intégrée dans un code de calcul par éléments finis. Dans un exemple de réalisation, elle peut être intégrée au code de calcul Forge par l’éditeur du code de calcul Transvalor.
Le code de calcul par éléments finis permet de modéliser le procédé de laminage et en particulier de calculer un effort FCOne exercé par le rouleau conique 3 sur la couronne 5 au cours d’un procédé de laminage en fonction du premier jeu de paramètres.
Afin d’améliorer le modèle de pilotage obtenu précédemment, on peut prendre en compte des caractéristiques mécaniques du laminoir circulaire 1. En particulier, il est possible d’intégrer dans la modélisation un premier modèle mécanique traduisant une limitation en effort sur le rouleau conique 3, et un deuxième modèle mécanique traduisant l’élasticité du mandrin 2.
Il est aussi nécessaire de gérer l’interaction de ces deux modèles mécaniques avec le modèle de la boucle d’asservissement du laminage circulaire. Enfin, il a été nécessaire de réaliser des hypothèses cohérentes au procédé de laminage circulaire pour faire interagir les modèles entre eux. Cela permet d’obtenir un modèle de pilotage final représentatif de la réalité.
Limitation en effort intégrée dans le rouleau conique 3
Afin de ne pas endommager le laminoir 1 , il est nécessaire que l’effort FCOne exercé sur le rouleau conique 3 ne dépasse pas une valeur seuil FseUii. Dans un exemple de réalisation, la valeur seuil FseUii dépend du diamètre externe D de la couronne 5 en cours de laminage. Par exemple, la valeur seuil Fseuii(D) peut dépendre de la position selon la deuxième direction X d’un point de la bordure externe de diamètre D de la couronne 5, en contact avec une surface du rouleau conique 3.
La figure 6 illustre un exemple de réalisation dans lequel on définit quatre valeurs seuil d’effort Fseuii(D) = {N1 ,N2,N3,N4}, définissant quatre paliers de limitation en effort associés à trois seuils de diamètre externe D différents. Les valeurs seuil d’effort dépendent du type de laminoir 1. Par exemple, on peut avoir N 1 =50 tonnes, N2=100tonnes, N3=150tonnes et N4=200tonnes. Dmax correspond au diamètre extérieur maximal pouvant être laminé. Dmax est de préférence inférieur à la dimension axiale du rouleau conique 3 selon la deuxième direction X.
Afin de gérer l’interaction de ce premier modèle mécanique avec le modèle de la boucle d’asservissement de la formule de pilotage du laminoir circulaire 1 , on peut définir deux situations différentes.
De préférence, le premier modèle mécanique intervient quand l’effort radial FCOne du rouleau conique 3 dépasse la valeur seuil FseUii.
Le procédé de modélisation comprend une étape E3 de comparaison de la valeur d’effort FCOne exercé sur le rouleau conique 3 calculé avec la valeur seuil d’effort FseUii admissible par le laminoir 1.
Si la valeur d’effort FCOne exercé sur le rouleau conique est supérieure à la valeur seuil Fseuii d’effort admissible, on obtient un deuxième jeu de paramètres, correspondant au premier jeu de paramètres corrigés.
Au cours de la limitation en effort, la formule de pilotage, par exemple une des formules de pilotage présentée précédemment, n’est plus appliquée. Un effort constant est appliqué par le rouleau conique 3 sur la couronne 5. Le premier modèle mécanique va ainsi modifier le déplacement du rouleau conique 3, afin d’assurer l’effort maximal admissible. L’effort appliqué du premier modèle mécanique étant réduit par rapport à l’effort théorique calculé par le code de calcul à éléments finis, cela va impliquer un ralentissement de la vitesse d’accroissement D du diamètre externe D.
Dans un exemple de réalisation, le deuxième jeu de paramètres est calculé par une formule de pilotage suivant uniquement la consigne d’entrée en hauteur h(s) de la couronne 5 selon la première direction Y en fonction de l’épaisseur s de la couronne 5 selon la deuxième direction X, de sorte que la consigne en vitesse d’accroissement D n’est pas respectée.
La modélisation présentée permet de rendre compte de manière plus fiable du comportement du laminoir 1 , dans les zones de transition où l’effort appliqué FCOne par le rouleau conique 3 du modèle serait trop élevée pour être tolérable par l’outil. La figure 7 illustre une comparaison entre l’effort axial FCOne calculé par le procédé de modélisation proposé, en comparaison avec une modélisation de l’art antérieur ne prenant pas en compte ce modèle mécanique, et avec des mesures d’efforts expérimentales. On constate que le procédé de modélisation proposé permet de rendre compte de manière plus fiable de l’effort axial sur le rouleau conique 3.
Lors du procédé de laminage, le diamètre D de la couronne 5 calculé va augmenter jusqu’à une valeur de diamètre faisant changer de palier d’effort. Si la valeur d’effort exercé sur le rouleau conique 3 calculée est inférieure à la nouvelle valeur seuil d’effort admissible, le jeu de paramètres est calculé selon la formule de pilotage en fonctionnement normal.
Au cours de l’étape E3 du procédé de modélisation proposé, on corrige le premier jeu de paramètres ou le deuxième jeu de paramètres éventuel afin d’obtenir un troisième jeu de paramètres corrigés, permettant de traduire la cinématique de l’ensemble des outils mobiles du laminoir circulaire 1 , et notamment du mandrin 2. Le troisième jeu de paramètres est ainsi caractéristique du comportement du laminoir circulaire 1 pour la consigne donnée.
Prise en compte de la raideur du mandrin 2
Afin d’améliorer le procédé de modélisation, il est possible pour calculer le troisième jeu de paramètres de prendre en compte la raideur du mandrin 2. La formule de pilotage telle que déterminée lors de la première étape E1 utilise une position du mandrin 2 théorique.
Dans un exemple de réalisation, le mandrin 2 peut être contenu dans une cage qui se déforme élastiquement au cours du procédé de laminage, ce qui a pour conséquence de perturber la position du mandrin 2. On a en effet empiriquement constaté que l’épaisseur e réelle de la couronne 5 était en générale supérieure à l’épaisseur e théorique. Il a été identifié que l’unité de contrôle 10 du laminoir circulaire 1 ne prenait pas en compte la déformation de la cage du mandrin 2 dans le pilotage au cours du procédé de laminage.
La déformation élastique de la cage du mandrin 2 peut être modélisée simplement comme la déformation d’un ressort fixé entre le mandrin 2 et le vérin 21 permettant le mouvement de translation selon la deuxième direction X du mandrin 2.
On peut considérer que la cage du mandrin 2 se comporte comme un ressort de raideur k, exerçant radialement une force sur la couronne 5 dépendant de la position du mandrin 2 selon l’axe de deuxième direction X. Dans cet exemple de réalisation, on obtient les valeurs du troisième jeu de paramètres par l’ajout d’un décalage, positif ou négatif (en anglais « offset »).
Le décalage appliqué en correction peut dépendre de la force radiale calculée par le code de calcul par éléments finis. En particulier, dans l’exemple où le jeu de paramètres comprend la vitesse d’accroissement s de l’épaisseur s de la couronne 5, qui dépend directement du mouvement de translation du mandrin 2, l’ajout de cette deuxième modélisation mécanique est pertinent car le fait de prendre en compte la raideur du mandrin 2 permet de changer la course théorique de ce dernier, qui est notamment influencée par la déformation virtuelle de la cage.
De préférence, ce deuxième modèle mécanique peut être entièrement intégré par Transvalor dans le code de calculs Forge.
La figure 8 illustre une comparaison entre l’effort radial calculé par le procédé de modélisation proposé, en comparaison avec une modélisation de l’art antérieur ne prenant pas en compte ce deuxième modèle mécanique, et avec des mesures d’efforts expérimentales. On constate que le procédé de modélisation proposé permet de rendre compte de manière plus fiable de l’effort radial sur le mandrin 2.
Ainsi, le procédé de modélisation du comportement du laminoir circulaire 1 tel que présenté permet d’obtenir un modèle complet prévoyant le comportement de l’installation de laminage circulaire.
Pour expliquer au mieux l’apport de ce qui a été développé, nous pouvons comparer les résultats de la modélisation en utilisant un modèle d’asservissement du laminoir de l’art antérieur et en utilisant le nouveau modèle présenté prenant en compte les deux modèles mécaniques traduisant les caractéristiques mécaniques du mandrin 2 et du rouleau conique 3.
Les figures 9 et 10 illustrent la comparaison entre l’évolution du diamètre externe D de la couronne 5 et de la vitesse d’accroissement D du diamètre externe de la couronne 5, calculés par un modèle de l’art antérieur, par le modèle présenté et obtenus par des mesures expérimentales.
On peut constater que le procédé de modélisation décrit permet d’obtenir un nouveau modèle suivant de manière plus réaliste les évolutions réelles des paramètres. Ainsi, pour une consigne correspondant à une nouvelle gamme de forge, il est possible de prévoir l’ensemble des paramètres caractérisant l’évolution de la pièce à laminer et du comportement du laminoir 1.
En particulier cela permet l’optimisation de l’opération de laminage sans réaliser des pièces réelles. Il est ainsi possible de diminuer les coups de conception de gammes de forge.
Enfin, il est possible grâce au procédé de modélisation proposé de prévoir la durée du procédé de laminage, qui n’est pas a priori connue et dépend de la pièce à laminer. Notamment cela permet de savoir s’il y a un risque de forger la pièce à froid. Ce modèle de pilotage permet également de limiter les risques de rebut de pièces en production.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de modélisation de comportement d’un laminoir circulaire (1 ), destiné à laminer une pièce cylindrique à partir d’une consigne, le laminoir circulaire comprenant au moins un rouleau conique (3), configuré pour avoir un mouvement de translation selon une première direction (Y), et un mandrin (2), configuré pour avoir un mouvement de translation selon une deuxième direction (X), la consigne comprenant une consigne en vitesse d’accroissement d’un diamètre externe de ladite pièce cylindrique en fonction dudit diamètre externe, et une consigne en hauteur de la pièce cylindrique selon la première direction en fonction d’une épaisseur de la pièce cylindrique selon la deuxième direction, comprenant les étapes de :
E1- obtention d’un premier jeu de paramètres caractéristiques du comportement du laminoir circulaire (1 ) au moyen d’une formule de pilotage reliant une vitesse de translation du mandrin (2) selon la deuxième direction de translation à la vitesse d’accroissement du diamètre externe et fonction de la consigne ;
E2- Calcul par éléments finis d’une valeur d’effort exercé sur le rouleau conique (3) à partir du premier jeu de paramètres ;
E3- Comparaison de la valeur d’effort exercé sur le rouleau conique (3) calculé avec au moins une valeur seuil d’effort admissible par le laminoir circulaire (1 ), et si la valeur d’effort exercé sur le rouleau conique est supérieure à la valeur seuil d’effort admissible, obtention d’un deuxième jeu de paramètres, de sorte que la consigne en vitesse d’accroissement n’est pas respectée, correction du deuxième jeu de paramètres afin d’obtenir un troisième jeu de paramètres ; si la valeur d’effort exercé sur le rouleau conique calculé est inférieure à la valeur seuil d’effort admissible, correction du premier jeu de paramètres par prise en compte d’une raideur du mandrin afin d’obtenir un troisième jeu de paramètres ; ledit troisième jeu de paramètres étant caractéristique du comportement du laminoir circulaire pour la consigne donnée.
2. Procédé de modélisation selon la revendication 1, dans lequel le premier jeu de paramètres obtenu par la formule de pilotage comprend une vitesse de déplacement du rouleau conique h et une vitesse de translation du mandrin s.
3. Procédé de modélisation selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la formule de pilotage est donnée par : avec s la position du mandrin, s la vitesse de translation du mandrin, D la vitesse d’accroissement du diamètre externe D de la pièce à laminer (5).
4. Procédé de modélisation selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, lors de l’étape de comparaison E3, l’au moins une valeur seuil d’effort admissible dépend du diamètre extérieur de la pièce cylindrique.
5. Procédé de modélisation selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, lors de l’étape de correction, une déformation d’une cage du mandrin, modélisé comme un ressort de constante de raideur k est prise en compte, de sorte que le troisième jeu de paramètres est obtenu par un décalage d’au moins un paramètre caractéristique du comportement du mandrin du laminoir circulaire.
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