Dottorato di Ricerca in Ingegneria Meccanica
A.A. 2010/2011 - XXVI CICLO
Titolo della
ricerca
Sviluppo ed applicazione di una metodologia per la simulazione dei processi di stampaggio a
caldo di lamiere in acciaio altoresistenziale
Responsabile
della proposta
Ing. DdR. Gianfranco Palumbo
Gruppo di ricerca
Prof. Luigi Tricarico, Ing. DdR. Donato Sorgente, Ing. Leonardo Scintilla
Collaborazioni
con centri di
ricerca non
PoliBA
Centro Ricerche Fiat
Abstract
Il presente tema di ricerca ha come obiettivo principale la corretta progettazione del processo di
stampaggio a caldo di lamiere per la produzione di componenti automobilistici attraverso un
approccio numerico sperimentale. La simulazione agli Elementi Finiti, strumento questo oggi
sempre più diffuso e potente per la ingegnerizzazione e messa in produzione di prodotti e
processi nuovi, specie nel campo delle lavorazioni della lamiera, necessita di una corretta
modellazione del comportamento termico, meccanico, metallurgico e tribologico del processo di
stampaggio a caldo. Le caratteristiche meccaniche, ma anche quelle termiche e tribologiche
sono altamente dipendenti dalla temperatura: appare dunque fondamentale riuscire a simulare
correttamente il processo di stampaggio al fine di ottenere risultati affidabili, per esempio in
termini di distribuzione dello spessore sul componente, dal momento che assottigliamenti
localizzati si traducono solo in elementi di debolezza, in quanto, a differenza di quanto avviene in
un processo a freddo, la maggiore deformazione localizzata non si traduce in un maggiore
incrudimento e dunque in un aumento della resistenza. Se si pensa che questi componenti
hanno un ruolo fondamentale per il comportamento ad urto del veicolo, si capisce bene
l’importanza prima evidenziata di una corretta simulazione del processo di stampaggio a caldo.
La fase preliminare di questo studio deve dunque essere mirata alla acquisizione di dati accurati
sia per la modellazione del processo che per la relativa calibrazione, cosa che implica la
progettazione di apposite attrezzature strumentate. La fase sperimentale, da condurre su
geometrie scalate ma aventi caratteristiche tali da poter essere assimilato ad un componente
industriale, sarà realizzata presso il laboratorio di Advanced Forming & Manufacturing
(http://afmlab.poliba.it) della Rete TRASFORMA utilizzando le macchine di prova e gli strumenti
di misura di cui esso dispone e che permetterà la validazione dei modelli numerici nonché delle
strategie di controllo del processo.
Stato dell'arte
La tecnologia di produzione basata sullo stampaggio di lamiere ad elevata temperatura di
componenti automobilistici in leghe di alluminio, magnesio ed in acciai alto-resistenziali ha le
caratteristiche per superare le limitazioni legate alla bassa formabilità ed al ritorno elastico non
trascurabile che questi materiali, reputati molto interessanti per le loro enormi potenzialità in
termini di alleggerimento, presentano quando lavorati a temperatura ambiente.
Le elevate temperature (condizioni di deformazione a tiepido e/o a caldo a seconda del
materiale) alle quali la lamiera viene lavorata garantiscono una formabilità molto maggiore
rispetto a quella a temperatura ambiente. Mediante i processi di stampaggio ad elevata
temperatura possono essere prodotti componenti più sottili e più complessi di quelli ottenibili con
la tecnologia attuale, ottenendo un maggiore rapporto resistenza/peso. Inoltre, grazie alla
significativa riduzione del ritorno elastico che può essere ottenuta con l’incremento della
temperatura di formatura, le geometrie dei componenti prodotti risultano molto più accurate e
precise.
L’acciaio comunemente adoperato per le applicazioni di stampaggio a caldo è l’acciaio al boro
22MnB5, commercialmente noto come Usibor™ 1500P (Arcelor). Le lamiere di 22MnB5 sono
solitamente fornite con un rivestimento di alluminio-silicio per prevenire l’ossidazione ad elevata
temperatura. Il materiale in condizioni di fornitura presenta una microstruttura ferritico-perlitica ed
è caratterizzato da un tensione ultima UTS pari a circa 600 MPa; viene riscaldato fino oltre la
temperatura di austenitizzazione, rapidamente trasferito in pressa, e simultaneamente formato e
temprato in stampi convenientemente raffreddati. Il componente formato presenta una
microstruttura completamente martensitica (questi acciai sono anche noti come press hardenable
steels), con tensione ultima dell’ordine dei 1500 MPa. Questa tipologia di acciai rientra nella
classe degli acciaia alto resistenziali (High Strength Steel, HSS) ma è solitamente contraddistinta
come Mega High Strength Steel (MHSS). Grazie alle eccellenti proprietà meccaniche che si
possono ottenere, questi acciai sono generalmente adoperati per realizzare componenti
strutturali fondamentali per la sicurezza passiva del guidatore, come per esempio barre antiintrusione e traverse (per gli urti laterali) o la struttura del tettuccio (in caso di ribaltamento).
Se confrontata con quella dei processi tradizionali dello stampaggio lamiera, una corretta
progettazione del processo di stampaggio a caldo necessita di una grande quantità di dati, dal
momento che le trasformazioni di fase che accompagnano il processo di stampaggio cambiano il
comportamento del materiale in termini di: (i) coefficiente di scambio termico, (ii) coefficiente di
espansione, (iii) capacità termica, (iv) coefficiente di attrito, (v) reologia, (vi) formabilità, (vii)
anisotropia.
Descrizione delle
attività
ATTIVITÀ 1: Definizione del comportamento meccanico a caldo di lamiere MHSS
Verranno condotte prove di trazione monoassiale prevedendo un riscaldamento preliminare del
materiale oltre la temperatura di austenitizzazione (per un tempo tale da uniformare il campo
termico nella zona utile, ma evitando l’eccessivo ingrossamento del grano) e dunque un rapido
raffreddamento (necessario per evitare la formazione di bainite ed assicurare una struttura
completamente martensitica alla fine dello stampaggio) fino alla temperatura di prova, mantenuta
costante durante l’applicazione del carico. Le prove di trazione saranno condotte a diverse
temperature e velocità di deformazione, al fine di individuare l’effetto di questi parametri sul
comportamento meccanico del materiale e poterlo modellare correttamente all’interno del codice
agli EF. Le prove dovranno inoltre essere ripetute su provini ricavati secondo orientazioni
differenti (rispetto a quella di laminazione) al fine di poter valutare i parametri di anisotropia
(normale e planare) al variare delle condizioni di processo (temperatura e velocità di
deformazione).
Al fine di poter eseguire le prove sperimentali sarà necessario: (i) condurre prove preliminari di
riscaldamento, utili per valutare la temperatura di austenitizzazione ed il relativo mantenimento in
grado di garantire una microstruttura omogenea e fine; (ii) progettare una apposita attrezzatura
sperimentale con un sistema di riscaldamento in grado di raggiungere sul provino la temperatura
di austenitizzazione (circa 900°C) in tempi rapidi ed un sistema di raffreddamento mediante getto
di aria compressa, un sistema (basato su software LABVIEW) per la conduzione della prova in
condizioni isoterme ed infine l’integrazione con il sistema di misura ottico delle deformazioni
ARAMIS; la temperatura durante la prova potrà infine essere monitorata attraverso l’utilizzo di
pirometri e di termocoppie elettro-saldate sul provino.
ATTIVITÀ 2: Definizione delle condizioni deformative limite a caldo di lamiere MHSS e dei
coefficienti di scambio termico
Per valutare i limiti di formabilità dell’acciaio 22MnB5 al variare dei parametri di processo,
dovranno essere eseguite prove di formabilità a caldo (test di Nakajima). Le prove di formabilità
saranno condotte anche in questo caso riscaldando preventivamente oltre la temperatura di
austenitizzazione il provino, quindi raffreddandolo velocemente (mediante getto di aria
compressa) fino alla temperatura a cui eseguire la deformazione che lo porta a rottura. A tal fine,
gli utensili dovranno essere forniti di cartucce riscaldanti per mantenere costante la temperatura
del provino durante la deformazione. Le prove saranno condotte a differenti livelli di temperatura
e di velocità del punzone, al fine di poter acquisire le deformazioni principali minima e massima
sulla superficie del provino e ricavare dunque il diagramma Limite di Formabilità (FLD) del
materiale in differenti condizioni di processo grazie al sistema di misura ottico delle deformazioni
ARAMIS. Le prove di formabilità permetteranno di acquisire dati per la costruzione di FLD (a
strizione e a rottura).
La possibilità di strumentare la prova con sensori di temperatura posizionati sia sulla lamiera che
all’interno di sedi ricavate all’interno degli utensili, consentirà la stima dei coefficienti di scambio
termico, anche in funzione della pressione esercitata dal premilamiera. Attraverso un modello agli
EF di tipo termico del sistema sarà inoltre possibile simulare il transitorio termico cui la lamiera è
soggetta durante la fase di raffreddamento; la stima dei coefficienti di scambio termico sarà
dunque effettuata attraverso una analisi inversa. Si prevede di effettuare la simulazione numerica
anche della fase deformativa della prova, al fine di poter individuare, tramite confronto con i dati
sperimentali di forza sul punzone e spostamento del punzone (analisi inversa), valori del
coefficiente di attrito in grado di riprodurre la condizione di contatto tra utensili e lamiera.
ATTIVITÀ 3: Studio numerico del processo di stampaggio a caldo di un prototipo da laboratorio
Al fine di mettere a punto una metodologia per la corretta progettazione di un processo di
stampaggio a caldo, verrà individuato in collaborazione con i colleghi del CRF un simulacro di
dimensioni tali da poter essere realizzato utilizzando le attrezzature presenti presso il laboratorio
Advanced Forming & Manufacturing della Rete TRASFORMA, ma aventi caratteristiche tali da
poter essere assimilato ad un componente industriale. La modellazione numerica potrà essere
effettuata utilizzando i dati sperimentali ricavati dalle precedenti attività. In particolare: (i) la
individuazione delle temperature di riscaldamento e dunque di inizio della fase di deformazione
potranno essere stimate attraverso le prove preliminari di riscaldamento e analisi microstrutturale
(attività 1); (ii) i modelli reologici in grado di descrivere il comportamento plastico del materiale
potranno essere ottenuti grazie alle prove di trazione a caldo condotte nell’ambito dell’attività 1;
(iii) una funzione di plasticizzazione in grado di contemplare l’effetto dell’anisotropia verrà scelta
sulla base dei risultati delle prove di trazione a caldo su provini con diversa orientazione (attività
1); (iv) il coefficiente di scambio termico (in funzione della pressione di contatto) ricavato dalle
prove di raffreddamento condotte nell’attività 2, verrà implementato all’interno del modello temomeccanico accoppiato; (v) il coefficiente di attrito (in funzione della temperatura) ricavato dalle
prove di formabilità condotte nell’attività 2, verrà implementato all’interno del modello temo-
meccanico accoppiato; (vi) le condizioni deformative limite cui il materiale puo essere soggetto
(ricavate dalle prove di formabilità) potranno essere adoperate per individuare l’insorgenza di
strappi o grinze durante la fase di stampaggio. Il modello termo-meccanico accoppiato in grado
di simulare il processo di stampaggio a caldo potrà dunque essere utilizzato per studiare le
condizioni di processo ottimali per lo stampaggio del componente, individuando opportuni cicli di
riscaldamento e raffreddamento del materiale, la temperatura degli utensili, la velocità del
punzone in grado di realizzare il processo di stampaggio sia evitando l’insorgenza di strappi o
grinze, ma anche facendo in modo che il materiale permanga per tutta la deformazione in campo
austenitico, mantenendo inoltre la velocità di raffreddamento in ciascuna delle zone della lamiera
al di sopra della velocità critica di tempra. Potrà inoltre essere investigato il fenomeno del ritorno
elastico subito dal componente attraverso la modellazione delle caratteristiche elastiche (anche
in funzione della temperatura) delle diverse fasi che caratterizzarono la lamiera durante il
processo di stampaggio (austenite) e a fine raffreddamento (martensite).
ATTIVITÀ 4: Prove sperimentali di stampaggio a caldo del prototipo da laboratorio
In accordo con i risultati numerici condotta nell’attività 3, sarà possibile realizzare prove
sperimentali del processo di stampaggio a caldo del simulacro oggetto dell’analisi agli EF presso
il laboratorio Advanced Forming & Manufacturing. Le prove sperimentali, condotte utilizzando i
parametri individuati tramite simulazione numerica, saranno mirate a validare i risultati numerici.
Le prove saranno strumentate in modo tale da acquisire valori di forza e temperature. Inoltre
attraverso l’utilizzo di uno spessimetro ad ultrasuoni potranno essere confrontati i valori dello
spessore del componente con quelli calcolati. Inoltre il sistema ARAMIS potrà essere adoperato
per misurare lo stato deformativo finale sul componente, al fine di confrontarlo con quello
ottenuto mediante simulazione agli EF. Esami della microstruttura del componente verranno
adoperati per analizzare l’efficacia delle condizioni di processo adottate. La misura della
geometria a fine processo ed il confronto con quella desiderata permetteranno anche di valutare
l’entità dei ritorni elastici.
Esperienze
sull’argomento
“stampaggio a
caldo”
(pubblicazioni su
RI)
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
G. Palumbo, d. Sorgente, l. Tricarico, s.h. Zhang, w.t. Zheng, Numerical and experimental analysis of
the Warm Deep Drawing process for Mg alloys, J. of Achievements in Materials and Manufacturing
Engineering, Vol. 14, 2006, pp. 111-118.
G. Palumbo, l. Tricarico, Numerical and Experimental investigations on the Warm Deep Drawing
process of circular Aluminum alloy specimens, J. of Material Proc. Tech., Vol. 184, Issue 1-3, 2007, pp.
115-123.
G. Palumbo, d. Sorgente, l. Tricarico, Experimental procedure definition for evaluating the formability at
Warm Temperatures of AZ31 Magnesium Alloy, Key Engineering Materials, Vols. 344, 2007, pp. 39-46,
TTP Ltd, Uetikon-Zuerich.
S.h. Zhang, l.m. Ren, l.x. Zhou, y.c. Xu, g. Palumbo, l. Tricarico, Warm Hydroforming of Magnesium
Alloy AZ31 Sheets; Materials Science Forum, , Vols. 546-549, 2007, pp. 333-336, TTP Ltd, UetikonZuerich.
W.t. Zheng, d. Sorgente, g. Palumbo, l. Tricarico, l. M. Ren, l. X. Zhou, s.h. Zhang, Application of Blank
Optimization Method in Deep Drawing of Rectangular Magnesium Alloy Cups under Non-isothermal
Condition, Key Engineering Materials, Vols. 344, 2007, pp. 333-339, TTP Ltd, Uetikon-Zuerich.
G. Palumbo, d. Sorgente, l. Tricarico, s.h. Zhang, w.t. Zheng, Numerical and experimental investigations
on the effect of the heating strategy and the punch speed on the warm deep drawing of magnesium alloy
AZ31, J. of Material Processing Technology, Vol.191, Issue 1-3, 2007, pp. 342-346.
W.t. Zheng, s.h. Zhang, g. Palumbo, d. Sorgente, l. Tricarico, Approach of using a ductile fracture
criterion in deep drawing of magnesium alloy cylindrical cups under non-isothermal condition; Proc. of
the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture, 221 (6), 2007, pp.
981-986.
G. Palumbo, d.sorgente, l. Tricarico, Numerical-experimental analysis of thin magnesium alloy stripes
subjected to stretch-bending, Journal of Material Processing Technology, Vol.201, 2008, pp. 183-188.
G. Palumbo, d.sorgente, l. Tricarico, The design of a formability test in warm conditions for an AZ31
magnesium alloy avoiding friction and strain rate effects, Intern. J. of Machine Tools and Manufacture,
Vol. 48, Issue 14, 2008, pp. 1535-1545.
L.m. Ren, s.h. Zhang, g. Palumbo, l. Tricarico, Warm deep drawing of magnesium alloy sheets Formability and process conditions, Proc. of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of
Engineering Manufacture, Vol. 222, 2008, pp. 1347-1354, Professional Engineering Publishing
G. Palumbo, d. Sorgente, l. Tricarico, Tangential bending and stretching of thin magnesium alloy sheets
in warm conditions, Materials & Design, 30, 2009, pp 653–660.
L.m. Ren, s.h. Zhang, g. Palumbo, d. Sorgente, l. Tricarico, Numerical simulation on warm deep drawing
of magnesium alloy AZ31 sheets, Mater. Sci. and Engineering A - Structural Materials Properties
Microstructure and Processing, vol. 499 (1-2), 2009, pp. 40-44.
l. Tricarico, D. Sorgente, g. Palumbo, Evaluation of the AZ31 formability according to temperature using
a constant strain rate test, Advanced Mater. Research Vols. 83-86, 2010, pp. 375-383, TTP Ltd.
G. Palumbo, d. Sorgente, l. Tricarico, A numerical and experimental investigation of AZ31 formability at
elevated temperatures using a constant strain rate test, Materials & Design, Vol. 31 - 3, 2010, pp. 13081316.