Active vibration control systems based on magneto-rheological fluids for sheet metal forming processes

Forming operations are among the most frequently used processes in sheet metal working. Dynamic phenomena occurring represent critical aspects for geometrical accuracy of products and service life of machines parts in high-tech forming machine sector. Stiff presses allow high repeatability and dimensional accuracies but, at the same time, determine rapid and excessive deterioration of tools by stresses and wear. On the other hand, softer ones improve the efficiency and the service life of tools, but with higher energy dissipation and bigger scatter in product dimensions that make processes unreliable with respect to precision. The right trade-off is often the main prerequisite for the technical and economic success of the whole process and must therefore be found, especially with complex non-symmetric geometry and if vibrations take place during the process. Since the interaction of different elements determines the dynamic efficiency of forming machines, controls systems for the compensation of elastic deformations result fundamental for the component accuracy and the required tolerances. Conventional actuators devices present strong limitations in both performances and reliability, with restricted possibilities of closed-loop controls. The best solution is represented by new technologies, able to enhance the control of phenomena process. Magneto-rheological (MR) fluids represent one of the most versatile and promising solutions for the development of high efficiency damping systems, capable to grant high versatility of configuration and effective closed-loop control capabilities. The main objective of this work is to study magneto-rheological fluids technology, used up-to-now especially in anti-seismic and automotive fields, in order to extend to the industrial material forming processes. Due to the complexity of the physics fields involved, the majority of models are based on analytical descriptions that, though easy and fast to implement, present strong limitations for the accurate design of the functional devices. A new approach is introduced, focused on a multi-physics coupled numerical model of the vibration dampers, based on calibrations by physical-simulation. Different damper prototypes are realized for the laboratory tests, in order to experimentally analyse fluid and device behaviours. On these bases, the application of these innovative damping systems and the evaluation of their performances are extended in the industrial context. The experimental tests, conducted on an hydraulic press using both commercially available hydraulic dampers and MR dampers, are analysed with particular focus on the excited frequencies, the vibrations and the powers to quantify the impact of dynamic phenomena on the quality of final parts. The developed prototypes are able to elevated damping performances without complex adjustment calibration when setting up a new process, making flexible its design.

Le operazioni di formatura sono tra i processi più diffusi nell’ambito della lavorazione della lamiera metallica. La presenza di fenomeni dinamici è critica per l’accuratezza geometrica dei manufatti e per la vita di servizio delle attrezzature, in particolare per le aziende ad elevata tecnologia nel settore della produzione di macchine utensili. Ottime ripetibilità ed accuratezze dimensionali sono ottenute grazie a presse ad elevata rigidezza strutturale a discapito, tuttavia, della vita degli utensili, esposti a rapidi ed eccessivi fenomeni di usura. Dall’altro lato, l’uso di architetture poco rigide permette di aumentare la durata degli utensili, ma con limiti di efficienza energetica e degli standard di precisione dimensionale. Pertanto il corretto bilanciamento dei differenti fattori rappresenta il prerequisito fondamentale per il successo tecnologico ed economico dell’intero processo. In particolare, nella produzione di geometrie complesse e non simmetriche, oppure quando fenomeni vibratori si manifestano durante il processo di lavorazione. Poiché l’efficienza dinamica di una macchina per formatura è il risultato dell’interazione di diversi fattori, risulta fondamentale un sistema di controllo avanzato per la compensazione delle deformazioni elastiche, soprattutto in relazione alle specifiche richieste dei prodotti. Gli attuatori tradizionali presentano grossi limiti sia nelle prestazioni sia in affidabilità, con poche possibilità di realizzare una catena chiusa nel controllo. La migliore soluzione è rappresentata dall’introduzione di nuove tecnologie, capaci di aumentare il controllo dei processi. I fluidi Magneto–Reologici (MR) rappresentano una delle più versatili e promettenti soluzioni per lo sviluppo di sistemi di smorzamento ad elevata efficienza, capaci di ottima versatilità e controllo continuo dei fenomeni dinamici. Il principale obbiettivo di questo lavoro consiste nello studio della innovativa tecnologia basata sui fluidi magneto–reologici, prevalentemente diffusa nell’ambito automotive e nei sistemi civili antisismici, in modo da estenderla anche ai processi di formatura dei materiali metallici. In seguito alla complessità dei molteplici campi fisici interagenti, la maggior parte dei modelli si basano su descrizioni analitiche che, sebbene relativamente semplici e veloci da implementare, presentano grossi limiti per un’accurata progettazione di dispositivi. Pertanto viene introdotto un nuovo approccio, basato su una modellazione multi-fisica accoppiata dei sistemi di smorzamento e una calibrazione mediante simulazione agli elementi finiti. Sono stati realizzati più prototipi di smorzatori magneto-reologici, in modo da analizzare le prestazioni sia dei fluidi che dei dispositivi stessi, attraverso test di laboratorio. Successivamente, l’applicazione di questi innovativi sistemi di smorzamento è estesa al contesto industriale e valutata mediante prove su una pressa idraulica per tranciatura. Attraverso test sperimentali che comprendono anche il confronto con dispositivi commerciali idraulici, le prestazioni degli smorzatori magneto-reologici vengono analizzate con particolare riferimento allo studio delle frequenze eccitate, alla tipologia di vibrazione e alle potenze in gioco, in modo da quantificare l’impatto dei fenomeni dinamici intervenenti sulla qualità dei prodotti finiti. I prototipi sviluppati sono in grado di elevare le performance di smorzamento senza complessi aggiustaggi durante il settaggio delle nuove sequenze di processo, rendendo flessibile la progettazione del processo stesso.