Cold forging is probably the most representative among the net-shape forming techniques which are considered the key technology in order to produces finished components. For this reason it is object of great industrial interest. Cold forged parts are utilized in many industries encompassing: domestic products, aerospace, electronics, automotive and the latter represents the greatest market leading the demand increasing since the last decade. Cold forging is capable for complex geometry and high dimensional accuracy and is indicated especially for large production batches of small parts. Some of its main advantages are here summarized as follows: net shape, high accuracy, improved material strength due to strain hardening, minimum waste material, high production capacity and elevated automation. Cold forged components of small dimensions are usually produced by means of horizontal progressive headers, in which the material is progressively shaped through subsequent deformations starting from wire coils. At the process beginning it is pushed inside the forging area by means of feeding rolls. The first operation is the billet cropping process which is devoted to prepare a slug characterized by the proper volume. This is then moved towards the first forging station in which the deformation sequence begins. All the component movements through the forging area are controlled by means of a mechanical transfer system synchronized with respect to the forging blows. It is then evident that from a general point of view the high quality characterizing cold forged components may be directly related to the heredity of the initial billet. In particular for mini- and micro- components the cropping process become critical since it strongly affects the billet volume and its properties, in terms of geometrical distortion and strain hardening homogeneity. All these features may affect the final result determining unwanted defects. In fact many factors affect the cropping process and although general guidelines are available, as soon as new materials or sequences are adopted, its optimization and the analysis of how it affects the forged part is still based on trials and experience. On the basis of these remarks the main objective of this thesis is the development of a calibrated numerical model of the billet cropping process as reliable tool to be integrated in the whole forging sequence simulation. An experimental billet cropping device was developed with the aim to analyze how the stress state affects the material separation mechanisms. Afterward its effect on billet microstructure was investigated. On the basis of these results the fundamental role of the deviatoric stress component was recognized. As consequence a proper experimental campaign for material workability investigation was carried out through tensile and torsion testing techniques. The obtained data were then used in order to model material workability on as function of the acting stress state. In particular the effect of deviatoric stress component was modeled according to the Tresca failure criterion. This approach led to the development of the material fracture locus which was subsequently implemented in the FE model of the cropping process. To this aim a linear damage accumulation counter was used. The proposed approach was then validated with particular emphasis on the prediction of the fracture propagation path of the cropped billet surface. In the final part of the work the effect of the integration of the billet cropping model in a cold forging sequence simulation is presented and discussed.

I processi di forgiatura di tipo net-shape o near net-shape sono da sempre oggetto di grande interesse industriale in quanto costituiscono una tecnologia chiave per la produzione di componenti finiti pronti per l’impiego. La forgiatura a freddo ne è senza dubbio la più rappresentativa e trova impiego in un ampio numero di settori industriali: automobilistico, aerospaziale, elettronica ed elettrodomestici. Nell’arco degli ultimi dieci anni la domanda di componenti di alta precisione forgiati a freddo è notevolmente aumentata, soprattutto grazie alla spinta del settore automobilistico che ne rappresenta il maggiore mercato. La capacità di produrre componenti caratterizzati geometria complessa ed elevata precisione dimensionale rende la forgiatura a freddo particolarmente adatta alla produzione di grandi lotti di componenti di piccole dimensioni. Di seguito ne sono riassunti i principali vantaggi: prodotti net-shape, elevata precisione, proprietà meccaniche del materiale migliorate a seguito dell’incrudimento, minimo scarto, alta capacità produttiva ed elevata automazione. La produzione di questi componenti avviene generalmente su presse meccaniche progressive multi-stazione, nelle quali il componente assume gradualmente la forma definitiva tramite una serie di deformazioni successive a partire da barra o filo. Questo alimenta la macchina sotto l’azione di un sistema di rulli che lo sospingono nella stazione di tranciatura dove viene preparata la billetta di partenza. Quest’ultima viene quindi spostata automaticamente alla prima stazione di forgiatura dove riceve la prima deformazione e così via. Un sistema meccanico di trasferimento automatico si occupa poi della movimentazione tra stazioni adiacenti. Requisito fondamentale per il buon funzionamento del sistema è il sincronismo tra le fasi di tranciatura, forgiatura ed il l’apparato di trasferta. In considerazione della sequenza appena descritta ne deriva che la qualità della billetta iniziale può potenzialmente influire sulla precisione finale del componente forgiato. Questo aspetto è fondamentale soprattutto nella produzione di mini e micro componenti, dal momento che la troncatura della billetta ne determina il volume totale e le proprietà, sia in termini di distorsioni geometriche che di incrudimento. Queste possono essere direttamente responsabili della comparsa di difetti indesiderati sul componente finale. Questa fase è influenzata da numerosi parametri di processo e nonostante siano disponibili linee guida di carattere generale, la sua ottimizzazione e l’analisi degli effetti sul componete finito sono essenzialmente basati su prove industriali e sull’esperienza. Infatti nonostante l’impiego della simulazione agli elementi finiti stia assumendo un peso crescente durante la fase di progettazione ed ottimizzazione delle sequenze, la preparazione della billetta viene esclusa dall’analisi nella quasi totalità dei casi. E’ evidente che questo riduce notevolmente l’accuratezza delle previsioni numeriche soprattutto nei casi sopra menzionati. Alla luce di queste considerazioni l’obiettivo di questo lavoro di tesi è lo sviluppo di un modello numerico calibrato del processo di troncatura di billette al fine di proporre uno strumento affidabile che possa essere agevolmente integrato nella simulazione numerica dell’intera sequenza di forgiatura. Attraverso il progetto e la costruzione di un prototipo di troncatrice da laboratorio, è stato analizzato come per diverse tecniche di taglio lo stato di sollecitazione influenzi i meccanismi di separazione del materiale. Successivamente l’analisi microstrutturale condotta sui campioni prodotti ne ha evidenziato gli effetti in termini di distribuzione della deformazione ed incrudimento. Tali risultati, messi in relazione con lo stato di sollecitazione agente, hanno permesso di distinguere chiaramente l’effetto della componente deviatorica del tensore di stress. Da ciò è stato possibile definire un campagna sperimentale idonea alla caratterizzazione della lavorabilità del materiale condotta tramite prove differenti di trazione e torsione. Dai dati raccolti è stato proposto un modello analitico della lavorabilità del materiale, nel quale l’effetto della componente deviatorica della sollecitazione è stato modellato secondo l’ipotesi di Tresca. La sua implementazione nel modello numerico di troncatura è stata quindi realizzata mediante un criterio di accumulo lineare del danneggiamento. La validazione dell’approccio proposto è stata infine condotta rispetto ai risultati sperimentali per quanto riguarda la previsione dei diagrammi di forza caratteristici del processo e i profili di frattura risultanti. Nella parte conclusiva è stato inoltre evidenziato l’impatto dell’integrazione del processo di troncatura nel modello numerico di una sequenza di forgiatura.

Damage Modelling in Cold Forging Process Chains(2010 Jan 30).

Damage Modelling in Cold Forging Process Chains

-
2010

Abstract

I processi di forgiatura di tipo net-shape o near net-shape sono da sempre oggetto di grande interesse industriale in quanto costituiscono una tecnologia chiave per la produzione di componenti finiti pronti per l’impiego. La forgiatura a freddo ne è senza dubbio la più rappresentativa e trova impiego in un ampio numero di settori industriali: automobilistico, aerospaziale, elettronica ed elettrodomestici. Nell’arco degli ultimi dieci anni la domanda di componenti di alta precisione forgiati a freddo è notevolmente aumentata, soprattutto grazie alla spinta del settore automobilistico che ne rappresenta il maggiore mercato. La capacità di produrre componenti caratterizzati geometria complessa ed elevata precisione dimensionale rende la forgiatura a freddo particolarmente adatta alla produzione di grandi lotti di componenti di piccole dimensioni. Di seguito ne sono riassunti i principali vantaggi: prodotti net-shape, elevata precisione, proprietà meccaniche del materiale migliorate a seguito dell’incrudimento, minimo scarto, alta capacità produttiva ed elevata automazione. La produzione di questi componenti avviene generalmente su presse meccaniche progressive multi-stazione, nelle quali il componente assume gradualmente la forma definitiva tramite una serie di deformazioni successive a partire da barra o filo. Questo alimenta la macchina sotto l’azione di un sistema di rulli che lo sospingono nella stazione di tranciatura dove viene preparata la billetta di partenza. Quest’ultima viene quindi spostata automaticamente alla prima stazione di forgiatura dove riceve la prima deformazione e così via. Un sistema meccanico di trasferimento automatico si occupa poi della movimentazione tra stazioni adiacenti. Requisito fondamentale per il buon funzionamento del sistema è il sincronismo tra le fasi di tranciatura, forgiatura ed il l’apparato di trasferta. In considerazione della sequenza appena descritta ne deriva che la qualità della billetta iniziale può potenzialmente influire sulla precisione finale del componente forgiato. Questo aspetto è fondamentale soprattutto nella produzione di mini e micro componenti, dal momento che la troncatura della billetta ne determina il volume totale e le proprietà, sia in termini di distorsioni geometriche che di incrudimento. Queste possono essere direttamente responsabili della comparsa di difetti indesiderati sul componente finale. Questa fase è influenzata da numerosi parametri di processo e nonostante siano disponibili linee guida di carattere generale, la sua ottimizzazione e l’analisi degli effetti sul componete finito sono essenzialmente basati su prove industriali e sull’esperienza. Infatti nonostante l’impiego della simulazione agli elementi finiti stia assumendo un peso crescente durante la fase di progettazione ed ottimizzazione delle sequenze, la preparazione della billetta viene esclusa dall’analisi nella quasi totalità dei casi. E’ evidente che questo riduce notevolmente l’accuratezza delle previsioni numeriche soprattutto nei casi sopra menzionati. Alla luce di queste considerazioni l’obiettivo di questo lavoro di tesi è lo sviluppo di un modello numerico calibrato del processo di troncatura di billette al fine di proporre uno strumento affidabile che possa essere agevolmente integrato nella simulazione numerica dell’intera sequenza di forgiatura. Attraverso il progetto e la costruzione di un prototipo di troncatrice da laboratorio, è stato analizzato come per diverse tecniche di taglio lo stato di sollecitazione influenzi i meccanismi di separazione del materiale. Successivamente l’analisi microstrutturale condotta sui campioni prodotti ne ha evidenziato gli effetti in termini di distribuzione della deformazione ed incrudimento. Tali risultati, messi in relazione con lo stato di sollecitazione agente, hanno permesso di distinguere chiaramente l’effetto della componente deviatorica del tensore di stress. Da ciò è stato possibile definire un campagna sperimentale idonea alla caratterizzazione della lavorabilità del materiale condotta tramite prove differenti di trazione e torsione. Dai dati raccolti è stato proposto un modello analitico della lavorabilità del materiale, nel quale l’effetto della componente deviatorica della sollecitazione è stato modellato secondo l’ipotesi di Tresca. La sua implementazione nel modello numerico di troncatura è stata quindi realizzata mediante un criterio di accumulo lineare del danneggiamento. La validazione dell’approccio proposto è stata infine condotta rispetto ai risultati sperimentali per quanto riguarda la previsione dei diagrammi di forza caratteristici del processo e i profili di frattura risultanti. Nella parte conclusiva è stato inoltre evidenziato l’impatto dell’integrazione del processo di troncatura nel modello numerico di una sequenza di forgiatura.
30-gen-2010
Cold forging is probably the most representative among the net-shape forming techniques which are considered the key technology in order to produces finished components. For this reason it is object of great industrial interest. Cold forged parts are utilized in many industries encompassing: domestic products, aerospace, electronics, automotive and the latter represents the greatest market leading the demand increasing since the last decade. Cold forging is capable for complex geometry and high dimensional accuracy and is indicated especially for large production batches of small parts. Some of its main advantages are here summarized as follows: net shape, high accuracy, improved material strength due to strain hardening, minimum waste material, high production capacity and elevated automation. Cold forged components of small dimensions are usually produced by means of horizontal progressive headers, in which the material is progressively shaped through subsequent deformations starting from wire coils. At the process beginning it is pushed inside the forging area by means of feeding rolls. The first operation is the billet cropping process which is devoted to prepare a slug characterized by the proper volume. This is then moved towards the first forging station in which the deformation sequence begins. All the component movements through the forging area are controlled by means of a mechanical transfer system synchronized with respect to the forging blows. It is then evident that from a general point of view the high quality characterizing cold forged components may be directly related to the heredity of the initial billet. In particular for mini- and micro- components the cropping process become critical since it strongly affects the billet volume and its properties, in terms of geometrical distortion and strain hardening homogeneity. All these features may affect the final result determining unwanted defects. In fact many factors affect the cropping process and although general guidelines are available, as soon as new materials or sequences are adopted, its optimization and the analysis of how it affects the forged part is still based on trials and experience. On the basis of these remarks the main objective of this thesis is the development of a calibrated numerical model of the billet cropping process as reliable tool to be integrated in the whole forging sequence simulation. An experimental billet cropping device was developed with the aim to analyze how the stress state affects the material separation mechanisms. Afterward its effect on billet microstructure was investigated. On the basis of these results the fundamental role of the deviatoric stress component was recognized. As consequence a proper experimental campaign for material workability investigation was carried out through tensile and torsion testing techniques. The obtained data were then used in order to model material workability on as function of the acting stress state. In particular the effect of deviatoric stress component was modeled according to the Tresca failure criterion. This approach led to the development of the material fracture locus which was subsequently implemented in the FE model of the cropping process. To this aim a linear damage accumulation counter was used. The proposed approach was then validated with particular emphasis on the prediction of the fracture propagation path of the cropped billet surface. In the final part of the work the effect of the integration of the billet cropping model in a cold forging sequence simulation is presented and discussed.
cold forging, damage, process chain
Damage Modelling in Cold Forging Process Chains(2010 Jan 30).
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