INDUSTRIA DEI METALLI/METAL INDUSTRY APPIATTIMENTO DI ACCIAIO AD ALTA RESISTENZA/ FLATTENING OF HIGH STRENGTH STEEL di Filippo Tagliabue

APPIATTIMENTO DI ACCIAIO AD ALTA RESISTENZA

L’acciaio è uno dei materiali più importanti nell’industria pesante. Nell’automotive gli acciai ad alta resistenza, il cui utilizzo assicura nuovi design, massima sicurezza contro gli urti e diminuzione del peso del veicolo, costituiscono circa il 60% del peso di un’auto moderna. L’ottimizzazione delle tecniche di taglio e finitura migliora enormemente il rapporto tra investimenti e prestazioni.

Filippo Tagliabue*

Come per qualsiasi processo tecnologico, le linee di finitura e in particolare le linee di taglio a misura non sfuggono ad una continua ed impegnativa tendenza alla crescita delle prestazioni in termini di qualità, produttività e affidabilità. Infatti, l’acciaio ad alta resistenza laminato in rotoli è diventato significativo nella produzione del mercato automobilistico fin dal 1994, quando venne commercializzata la prima auto completamente in alluminio, ovvero il modello Audi A8. Oggi la domanda del mercato dell’HSS (High speed steel, Acciaio Super Rapido) è in crescita e le applicazioni si stanno ampliando in quasi tutti i settori, come l’energia, l’edilizia navale, le infrastrutture, l’agricoltura e i veicoli pesanti per autotrazione. Fin dall’inizio i problemi di svolgitura, appiattimento, distensione e taglio di materiale con un carico di snervamento di almeno 700 N/mm2 (oggi il limite inferiore della gamma HSS) hanno evidenziato ai progettisti nuovi problemi peculiari e limiti fisici della meccanica, che dovrebbero essere risolti con un approccio di processo completamente

nuovo e nuove tecnologie rispetto a quelle applicate al normale acciaio al carbonio. Inoltre, i semilavorati in acciaio utilizzati per i processi produttivi a valle sono prodotti principalmente con linee di taglio laser e di formatura a pressa, che richiedono severi requisiti di planarità delle lamiere e di alleggerimento delle tensioni interne, di conseguenza le norme EN utilizzate per i normali acciai al carbonio stanno perdendo importanza nelle applicazioni in HSS. Alla base dell’approccio c’è un concetto semplice: bisogna appiattire, e lo stress allevia il materiale senza modificare le sue proprietà fisiche e dimensionali.

Fig. 1 Composizione dei vari tipi di acciaio nella scocca di una Volkswagen Up

La tecnica di produzione

La necessità di contenere l’effetto molla generato da una bobina in HSS liberata dalle sue cravatte realizzate con un alto numero di fascette e talvolta con l’aggiunta di piastre saldate è un punto critico. Una robusta struttura in acciaio dotata di rulli di contenimento in connessione all’utilizzo di un carrello portabobina con rulli motorizzati per la rotazione delle bobine in posizione di sbobinatura è la risposta corretta, questa operazione può essere eseguita di linea o con la bobina posizionata sul mandrino di sbobinatura, nel secondo caso il sistema antirotolamento della bobina e un dispositivo di apertura del dente contribuiscono al taglio / rimozione della reggia e all’inserimento della testa nell’alimentare rulli a pressione. Entrambe le soluzioni evitano il pericolo che la bobina si sviluppi con conseguenze negative sulla sicurezza del personale e sulle operazioni di svolgitura. Il taglio delle reggette può essere eseguito in automatico dal dente di apertura o nel caso più complesso da un robot antropomorfo, oppure manualmente dall’operatore ma in condizioni di totale sicurezza. La raccolta delle reggette tagliate può essere sia un’operazione automatica, grazie ad un sistema dotato di un dispositivo di sfrido per evacuare e stoccare facilmente il filo, sia ancora un’operazione manuale, lasciando cadere le reggette in un’apposita fossa ed evacuandole alla fine del turno. La moderna tecnica di produzione di HSS a laminazione a caldo ha un effetto collaterale che consiste nella rilevante, sottile formazione di scaglie sulla superficie della bobina, dovuta ai processi termici a cui l’HSS è soggetto durante e dopo la laminazione. Su una linea CTL (Cut-To-Length) questa formazione di calcare è una preoccupazione da parte dello svolgitore, infatti il sistema anti-coil break installato sull’alloggiamento del mandrino, che viene utilizzato per eliminare il set di bobine, incrina il calcare dalla superficie dell’acciaio, appena prima dell’ingresso del prelevatore, che il prelevatore stesso amplifica l’effetto con svantaggi per il trimmer dei bordi (se presente) e per i livellatori a valle. La rottura della riga senza la sua immediata e corretta rimozione è fondamentale per la qualità della superficie del materiale e per la durata dei rulli di lavoro del pre e delle livellatrici. Inoltre, genera molta polvere che è pericolosa per gli operatori e per le attrezzature installate. La soluzione è il posizionamento strategico di efficaci macchine spazzolatrici collegate ad un sistema pneumatico di raccolta della polvere, in grado di rimuovere la riga sia sulla superficie superiore che su quella posteriore. I filtri a secco a cestello sono utilizzati per pulire l’aria e raccogliere la polvere in appositi contenitori per lo smaltimento. A

seconda del mix di produzione della linea, è possibile installare fino a quattro di queste unità di spazzolatura: una appena prima della prelivellatrice, la seconda a valle di essa, la terza dopo la prima livellatrice e l’ultima dopo la seconda, se applicabile. Questa configurazione assicura, nel peggiore dei casi, la rimozione totale della scala con effetti sulla qualità, la durata e la pulizia della linea.

Il controllo della coppia variabile e della velocità

Per appiattimento efficace e alleggerimento delle sollecitazioni HSS si intendono principalmente le dimensioni geometriche delle livellatrici e l’elevata trasmissione della coppia attraverso la catena cinematica. La forza da esercitare tra il pacco superiore e inferiore dei rulli, a seconda della resistenza allo snervamento in relazione allo spessore, può facilmente superare le 2.200 tonnellate, ma sorprendentemente non è questo il vero problema. Infatti, con l’utilizzo di appositi strumenti di calcolo, come i modelli ad elementi finiti e i modelli di dimensionamento basati sull’esperienza, è possibile realizzare telai appiattitori e pacchi di rotoli con modulo elastico contenuto ed effetto di flessione controllato. Pertanto, il problema principale risiede nel necessario trasferimento di coppia dal motore ad ogni rotolo. La rimozione dello stress interno del materiale è data dalla percentuale calcolata di plastificazione generata dal foglio che scorre attraverso una serie di rulli dimensionati in numero, diametro, distanza tra gli assi e penetrazione. Tutte queste variabili determinano la curvatura applicata al foglio per ottenere la corretta variabile di processo, di conseguenza il diametro dei rulli deve essere contenuto. Tuttavia, con l’HSS che supera un certo rapporto tra resistenza allo snervamento e spessore, assumendo una larghezza fissa, il valore di coppia necessario da trasmettere ad ogni rotolo supera i limiti dimensionali e fisici dell’albero. Inoltre, la richiesta di coppia non è distribuita uniformemente su ogni rotolo, ma il picco è su quelli all’ingresso dell’appiattimento e diminuisce sui successivi con una formula che dipende dall’angolo di inclinazione tra il gruppo dei rotoli inferiore e superiore. La questione sembra già abbastanza complicata, ma c’è un’altra variabile che influenza il processo: anche la velocità dei rulli non è costante, e per evitare lo scivolamento e/o l’accumulo di materiale all’interno dell’appiattitore, i rulli del lato di uscita devono ruotare più velocemente di quelli del lato di entrata.

Fig.2 Rulli per laminatoi HSS

Soluzioni elettromeccaniche

Dopo diversi esperimenti effettuati nei primi anni novanta, le aziende hanno raggiunto la soluzione per risolvere in una sola volta il problema della coppia variabile e della velocità. Non

sorprende che la convergenza alla soluzione possa essere raggiunta a partire dalla prospettiva meccanica o elettrica: La soluzione meccanica, che permetteva di utilizzare un unico azionamento motore con un distributore era quella di sviluppare a valle del distributore una coppia scorrevole basata sul principio di un pacco di diversi dischi a frizione sinterizzati, pre-caricati con un carico regolato, in grado di scorrere in modo controllato, il sistema è con funzione di memoria per mantenere lo stesso parametro di carico nel tempo. Ogni albero del rullo è dotato di questa coppia, quindi quando si raggiunge il carico massimo di coppia sul primo rullo, la coppia inizia a scorrere trasmettendo la coppia in eccesso al rullo a monte. Se sul rullo a monte il valore massimo di coppia calcolato viene superato di nuovo, il processo si ripete sul rullo successivo. Questo flusso della coppia a monte e, nello stesso tempo, riducendo la velocità nella direzione opposta, si autoadatta automaticamente ai valori corretti lungo tutto il montaggio dei rulli. Questo dovrebbe garantire le condizioni di coppia/velocità di lavoro perfette e continue secondo le variabili di processo preimpostate.

Nuove linee in grado di livellare bobine in HSS con resistenza allo snervamento di 1200 N/ mm2 a 8 mm con una qualità di taglio laser completa sono state progettate e messe in funzione sia da produttori europei che americani. Questo tipo di prestazioni eccezionali si ottengono anche grazie all’applicazione di una filosofia di livellamento che consiste nel contributo progressivo di ogni macchina livellatrice. A seconda della gamma di produzione, le linee sono dotate di un minimo di due macchine, prelevatrice e livellatrice, fino ad un massimo di tre macchine, prelevatrice con due livellatrici in cascata. L’applicazione di una tensione calcolata tra le macchine dà un contributo costante alla plastificazione del materiale.

Il ruolo degli algoritmi

Algoritmi altamente avanzati stanno preimpostando tutte le macchine della linea semplicemente inserendo le dimensioni del materiale e la resistenza allo snervamento. Il software di livello 1 è generalmente fornito con HMI di facile comprensione basato sul programma di appiattimento richiamato memorizzato nel sistema, inoltre le caratteristiche di autoapprendimento stanno stimolando i produttori e la filosofia di processo dell’utente.

Fig.3 Linee CTL

Il secondo si basa su un sistema di controllo elettronico completo di azionamento che equipaggia ogni rullo con un motore separato con controllo di coppia e velocità. La regolazione della coppia e della velocità viene effettuata dal software con doppio anello di retroazione e funzioni PID.

Fg.4 Quadro di controllo

Conclusioni

La soluzione corretta per tagliare una scanalatura media e pesante HSS è la cesoia volante, anche in questo caso l’uso di moderni strumenti

per il dimensionamento del telaio e la simulazione delle sollecitazioni sono i fattori chiave di costruzione della rigidità e della durata e qualità del taglio. Le caratteristiche standard sono la regolazione automatica del gap e il blocco idraulico in posizione delle lame, che permette un rapido cambio delle stesse per la sostituzione, o semplicemente per la rotazione mentre ogni gruppo ha quattro lame ottenute da ogni angolo della sezione quadrata. Riassumendo, l’attenta analisi e il follow-up della domanda di mercato, insieme ad una collaborazione di successo con partner e produttori, permettono ai moderni Centri di Assistenza di sviluppare lo stato dell’arte del processo per livellare l’HSS più forte e spesso con un sorprendente rapporto tra investimento e prestazioni in termini di qualità, ripetibilità, disponibilità, affidabilità e durata.

*Filippo Tagliabue, Consulente/Advisor

Keywords: HSS, taglio laser, PID, coppia variabile, cesoia volante, CTL

Approfondimento

L’acciaio super rapido, conosciuto con la sigla HSS (high speed steel) è un materiale molto usato nella fabbricazione di utensili per la lavorazione dei metalli (frese e utensili per il tornio, punte da trapano, dischi per il taglio di pezzi in metalli ecc.). Le proprietà di taglio degli utensili in HSS sono nettamente superiori a quelli in acciaio al carbonio, inoltre può lavorare a temperature più alte senza perdere le proprietà di taglio. Si differenzia dai cosiddetti “acciai rapidi” per la presenza di cobalto nella lega, assente in questi ultimi. Proprio per la presenza di tale alligante, gli acciai super rapidi non possono venire impiegati per utensili sottoposti a urti ripetuti, in quanto troppo fragili. Sostituisce gli acciai temprati, usati in pre

cedenza, ma meno resistenti all’usura. Deve la sua elevata durezza, insieme agli acciai rapidi, non solo alla tempra martensitica, ma anche al cosiddetto fenomeno della durezza secondaria conseguente ad una tempra di soluzione.

FLATTENING OF HIGH STRENGTH STEEL

Steel is one of the most important materials in heavy industry. In the automotive industry, high-strength steels, whose use ensures new designs, maximum impact safety and reduced vehicle weight, account for about 60% of the weight of a modern car. The optimization of cutting and finishing techniques greatly improves the relationship between investment and performance.

As for any technological process, finishing lines and in particular Cut to length lines are not escaping a continuous demanding performances growing trend in terms of quality, productivity and reliability. In fact, high strength steel rolled in coils became significant in production to serve the automotive market as the steel producers answer to the presentation, in 1994, of the first car completely made of aluminium, i.e. Audi A8. Nowadays, the HSS market demand is boosting and applications are widening in almost all sectors, such as energy, naval construction, infrastructures, agriculture and heavy automotive vehicles. From the very beginning the problems of uncoiling, flattening, stress relieving and cutting material with a yield strength of minimum 700 N/mm2 ( nowadays the lower edge of the HSS range) evidenced to the designers new peculiar problems and physical limits on the mechanics, which should be solved with a completely new process approach and new technologies compared to the ones applied to normal carbon steel. In addition, the steel semi-finished pieces used for downstream manufactory processes are mainly produced using laser cutting and press forming lines, which demand strict requirements in sheets flatness and internal stresses relieving, as a consequence the EN norms used for normal carbon steel are loosing significance in HSS applications. At the base of the approach there is a simple concept. You have to flatten, and stress relieve the material without modifying his physical and dimensional properties.

The production technique Let’s go to describe the process from upstream; The necessity to contain the spring effect generated by a HSS coil freed by his ties made with high number of straps and sometimes with the addition of welded plates is a real concern. A robust steel structure equipped with containing rolls in connection of the use of a coil car with motorized rolls to rotate the coils into unstrapping position is the correct answer, this operation can be performed of line or with the coil positioned on the uncoiling mandrel, in the second case the anti-coil break system and an opening tooth device are contributing to strap cutting/ removal and insertion of the head in the feeding pinch roll. Either solution avoid the danger of coil unfolding with negative consequences on the personnel’s safety and on the uncoiling operations. Straps cutting can be performed in automatic by the opening tooth or in the most complex case by an anthropomorphic robot, or manually by the operator but with conditions of total safety. Collection of the cut straps can be either an automatic operation, thanks to a system equipped with scrap baller to evacuate and easily stock the wire, or again a manual operation, by leaving the straps fall down into a proper pit and evacuating them at the end of the shift. Modern hot rolling HSS production technique have a side effect consisting in relevant, thin size, scale formation on the coil surface, which is due to the thermal processes HSS is subject to during and after rolling. On a CTL line this scale is a concern from the uncoiler, in fact the anti-coil break system installed on the mandrel housing, which is used to eliminate the coil set, cracks the scale from the steel surface, just before the pre-leveller entrance, than the pre-leveller itself amplifies the effect with disadvantages for the edges trimmer (if any) and the downstream levellers. Cracking the scale without immediate and proper removal of it is critical for the material surface quality and for the lifetime of pre and levellers working rolls. Moreover, it generates a lot of dust that is dangerous for the operators and the installed equipment. The solution is the strategic placement of effective brushing

machines connected to a pneumatic dust collection system, which is capable to remove the scale on both the upper and reverse side strip surfaces. Basket dry filters are used to clean the air and collect dust into proper containers for disposal. In accordance to the line production mix, it is possible to install up to four of these brushing units: one just before the pre leveller, the second one downstream of it, the third one after the first leveller and the last one after the second leveller, if applicable. This configuration is assuring, in the worst case, the total scale removal with effects on quality, lifetime and cleanness of the line.

Variable torque and speed control Effectively flatten and stress relieve HSS primarily means the geometry dimensions of the levellers and the high torque transmission trough the cinematic chain. The force to be exercised between the upper and lower pack of rolls, depending on the yield strength related to the thickness, can easily exceed 2200 tons, but surprisingly this is not the real issue. In fact, with the use of proper calculation tools, such as finite elements models and dimensioning models based on experience, it is possible to manufacture flattener frames and roll packs with contained elastic modulus and controlled bending effect. Therefore, the main problem lies in the necessary torque transfer from the motor to each roll. The removal of the material internal stress is given by the calculated percentage of plasticization generated by the sheet flowing through a series of rolls dimensioned in number, diameter, inter axes distance and penetration. All these variables determine the curvature applied to the sheet to obtain the correct pp, as consequence the diameter of the rolls has to be contained. However, with HSS exceeding a certain ratio between yield strength and thickness, assuming a fixed width, the necessary pp’s torque value to be transmitted to each roll is exceeding the shaft dimensional and physical limits. Moreover, the torque demand is not uniformly distributed on each roll, but the peak is on the ones at the flattener entrance and decreases on the followings with a formula depending on the The matter appears to be already quite complicated, but there is another variable affecting the process: the rolls speed is not constant either, and to avoid material slipping and/or accumulation inside the flattener, the exit side rolls have to rotate faster than the ones at the entry side.

Electromechanical solutions After several experiments carried out in the early nineties, companies reached the solution to solve at one time the variable torque and speed problematic. Non surprisingly the convergence to the solution can be reached starting from the mechanical or electrical prospective: The Mechanical solution, allowing to use a single motor drive with a distributor (that I like less) was to develop downstream the distributor a sliding couple based on the principle of a pack of several sintered friction disks, pre charged with a regulated load, capable to slide in a controlled way, the system is with memory feature in order to maintain the same load parameter over the time. Each roll shaft is equipped with this couple thus when the maximum torque load is reached on the first roll, the couple starts to slide transmitting the exceeding torque to the upstream roll. If on the upstream roll the torque calculated maximum value is exceeded again, the process repeats on the next roll. This flowing of the torque upstream and in the same time reducing the speed in the opposite direction, automatically self-adapt the correct values all along the rolls assembly. This should grant the perfect and continuous working torque/speed conditions in accordance to the preset pp.

The second is based of full electronic drive control system equipping each roll with a separate motor with torque and speed control. The regulation of torque and speed is done by the software with double feedback ring and PID functions. New lines capable to level HSS coils with yield

strength of 1200 N/mm2 at 8 mm with a full laser cutting quality has been designed and put in operation by both European and US manufactures. These kinds of outstanding performances are also achieved by the application of a levelling philosophy consisting on progressive contribution of each levelling machine. Depending on the production range, lines are equipped with a minimum of two machines, pre-leveller and leveller, up to a maximum of three machines, pre-leveller with two levellers in cascade. The application of a calculated tension between the machines give a consistent contribution to the material plasticisation.

The role of algorithms Highly advanced algorithms are pre-setting all the machines of the line just inputting the material dimensions and yield strength. The Level 1 software is generally supplied with easy to understand HMI based on recalled flattening schedule stored in the system, moreover self-learning features are pacing manufacturer know how with and user process philosophy.

Conclusions The proper solution to cut medium and heavy gouge HSS is the flying shear, again the use of modern tools for frame dimensioning and stress simulation are the key building factors of stiffness and duration and quality of cut. Standard features are automatic gap regulation and hydraulic lock in position of the blades, allowing a quick change of them for substitution, or simply for rotation while each assembly has four blades obtained from each angle of the squared section. To sum up, the careful analysis and follow-up of the market demand together with a successful cooperation with you valued partners-manufacturers, allow the modern Service Centres to develop the state of the art process to level the strongest and thickest HSS with an astonishing ratio between investment and performances in term of quality, repeatability, availability, reliability and duration.

More information Super fast steel, known by the acronym HSS (high speed steel) is a material widely used in the manufacture of metalworking tools (cutters and lathe tools, drill bits, discs for cutting metal parts, etc.). The cutting properties of HSS tools are significantly higher than those of carbon steel, and it can also work at higher temperatures without losing its cutting properties. It differs from so-called “high speed steels” due to the presence of cobalt in the alloy, which is absent in the latter. Precisely because of the presence of this alligator, super high speed steels cannot be used for tools subjected to repeated impacts, as they are too brittle. It replaces previously used hardened steels, but less resistant to wear. It owes its high hardness, together with high speed steels, not only to martensitic hardening, but also to the so-called secondary hardness phenomenon resulting from solution hardening.

Keywords: HSS, laser cutting, PID, variable torque, flying shear, CTL