Utveckling och tillämpning av experimentella metoder för klippning av stålplåt

Tisdagen den 20 december disputerar Emil Gustafsson, Högskolan Dalarna med avhandlingen "Design and application of experimental methods for steel sheet shearing" vid Luleå Tekniska universitet. 

Inom stålindustrin är ”klippning” den mest förekommande metoden för att dela plåt. Denna metod medför stora töjningar i plåten och stor belastning på verktyg och saxkonstruktion. Allt eftersom plåtmaterialen utvecklas och får en högre hållfasthet behöver också klippningsprocessen justeras och anpassas. Utprovning av dessa justeringar är dyrt och de separata experimenten kräver speciell utrustning för att hitta lämpliga klippningsparametrar. Det är därför önskvärt att snabbt kunna studera ett stort antal parametrar i en finita elementmodell. För att validera en sådan modell krävs tillgång till pålitlig experimentell data, som idag är mycket sällsynt.

Krafter på verktygen som mäts i industriella processer är oftast överskattade på grund av friktionsförluster. Dessutom mäts endast den pålagda kraften, medan klippning även medför en kraft som verkar för att sära på verktygen och öka spalten. Verktygsspalten är den klippningsparameter som mest frekvent justeras, beroende på vilket plåtmaterial och vilken plåttjocklek som klipps, för att påverka krafterna och egenskaperna hos den klippta plåten.

Detta arbete innefattar allt från konstruktion till utvärdering av en experimentell metod för klippning som kan leverera tillförlitliga verktygskrafter och förskjutningar. Kraven på metoden grundades på en finita elementbaserad störningsanalys av identifierade parametrar till klippningsprocessen. Det konstaterades att en symmetrisk experimentuppställning med två samtidiga klipp och intern balansering av krafter var ett bra sätt att uppfylla kravet på hög mätbarhet av krafter tillsammans med en stabil verktygsspalt.

Stålplåt av olika hållfasthetsgrad klipptes i experimentuppställningen med olika kombinationer av verktygsspalt, fasthållning av plåten och vinklar på verktygen. Resultaten visade att verktygens inträngning i plåten före slutbrott minskade med ökad hållfasthet. När en sida av plåten fick vara fri att röra sig under klippet så minskade kraften som behövdes läggas på för att driva klippet framåt samtidigt som kraften som verkar för att öka spalten blev större. Den maximala klippkraften minskade och vankanten på den klippta plåten blev större när verktygsspalten ökades.

Digital bildkorrelering användes för att mäta deformationerna på plåtens yta. Utifrån dessa mätningar kunde töjnings- och spänningsfält beräknas. En jämförelse mellan dessa mätningar och resultat från simuleringar av klippningsprocessen visade att den effektiva töjningen på plåtens yta väl överensstämde med den inuti plåten.

– Experimenten visade att det var möjligt att beräkna kraften vid klippning med vinklade verktyg utifrån kraften uppmätt med parallella verktyg med hjälp av en enkel modell. Detta innebär även att kraften vid klippning med vinklade verktyg kan beräknas från en finita elementsimulering under antagande om plan töjning, säger Emil Gustafsson doktorand i materialvetenskap vid Högskolan Dalarna.

– Detta arbete har lett fram till en stabil symmetrisk experimentuppställning med intern balansering av krafter som kan användas för att göra tillförlitliga mätningar av krafter och förskjutningar hos verktygen samt deformationer i plåten. Effekten på verktygskrafter och deformationer i plåten från ändringar av några viktiga klippningsparametrar har studerats och gett en ökad förståelse för töjnings- och spänningstillstånden i plåten vid sprickinitiering. Uppmätt data från experimenten kan användas för validering av klippningsmodeller, avslutar Emil.

För mer information kontakta Emil Gustafsson, telefon 023-77 80 54 eller e-post egu@du.se.