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STUDIO DEL PROCESSO DI IMBUTITURA PER COMPONENTI DEL SETTORE AUTOMOTIVE
- 1. POLITECNICO DI TORINO Corso di laurea In Ingegneria Meccanica TESI DI LAUREA STUDIO DEL PROCESSO DI IMBUTITURA PER COMPONENTI DEL SETTORE AUTOMOTIVE Relatore Prof. Alessandro Salmi Candidato Daniele Lo Piccolo
- 2. Obiettivi della tesi • Analisi delle criticità di un componente automobilistico realizzato in stampaggio profondo • Proposte di risoluzione allo scopo di ottenere un «robust process» • Valutazione numerica attraverso software di simulazione virtuale (metodo FEM) • Valutazione qualitativa attraverso verifiche sperimentali di stampaggio
- 3. Rivestimento esterno cofano – IVECO New Daily Presentazione del componente
- 4. Ciclo produttivo Layout linea di produzione Elemento imbutito
- 5. Rotture ed eccessivo assottigliamento lamiera Caratteristiche meccaniche materiale non costanti Eccessivi fermi macchine e scarti a riparare Criticità e alternative di risoluzione
- 6. Proposta risolutiva: cambio materiale FEE 220 BH FEE 210 IF Criticità e alternative di risoluzione Aumento di : Rm A% r n Riduzione di : Rp0.2
- 7. Caratterizzazione meccanica del materiale Estrazione campioni FEE 220 BH FEE 210 IF
- 8. Caratterizzazione meccanica del materiale Realizzazione provini
- 9. Caratterizzazione meccanica del materiale Prove di trazione e estrazione curve
- 10. Metodologia Valutazione numerica Dal modello fisico al modello CAD Matrice Punzone Premilamiera
- 11. Metodologia Valutazione numerica Dal modello fisico al modello CAD
- 12. Metodologia Valutazione numerica Attribuzione degli elementi ai corrispondenti utensili dello stampo Importazione del modello nel software Stampack
- 13. Valutazione numerica del Processo di stampaggio : STAMPACK • Cinematica di processo • Contatto tra elementi dello stampo e il blank • Pressione esercitata sul premilamiera • Forza applicata sui bordini rompigrinza • Coefficiente d’attrito della lamiera Importazione dei parametri di processo:
- 14. Valutazione numerica del Processo di stampaggio : STAMPACK
- 15. Analisi dei risultati e confronto Condizione materiale TYPICAL CASE WORST CASE Assottigliamento lamiera Formabilità (FLD) Springback Aspetti di valutazione :
- 16. TYPICAL CASE : ASSOTTIGLIAMENTO FEE 220 BH FEE 210 IF
- 17. TYPICAL CASE : FLD FEE 220 BH FEE 210 IF
- 18. WORST CASE : ASSOTTIGLIAMENTO FEE 220 BH FEE 210 IF
- 19. WORST CASE : ASSOTTIGLIAMENTO FEE 220 BH
- 20. WORST CASE : FLD FEE 220 BH FEE 210 IF
- 21. TYPICAL CASE : SPRINGBACK FEE 220 BH FEE 210 IF
- 22. Valutazione qualitativa del processo di stampaggio Prove di stampabilità eseguite con : 6 lotti di materiale FEE 220 BH 6 lotti di materiale FEE 210 IF
- 23. Valutazione qualitativa del processo di stampaggio Valutazione scarti di produzione: Meno Pezzi a riparare : 6,35 % Meno Pezzi rotti : 5,7 % Riduzione % scarti con FEE 210 IF : FEE 220 BH FEE 210 IF
- 24. • Attendibilità dei risultati numerici proposti dallo strumento di simulazione • Il materiale FEE 210 IF ha permesso di ottenere: Riduzione assottigliamenti Formabilità più in sicurezza; Minore ritorno elastico Riduzione scarti di produzione Miglioramento nell’ottica del «Robust process» • Convergenza tra risultati numerici e qualitativi • Avanzamento proposta del cambio di materiale al cliente CONCLUSIONI
Editor's Notes
- Il seguente elaborato mostra i risultati di uno studio condotto su un componente automobilistico realizzato per stampaggio profondo di lamiera
- Gli Obiettivi preposti sono stati in primo luogo l’analisi del componente, a partire dal processo di realizzazione (quali sono le operazioni che più influiscono sul risultato finale), per passare quindi alle criticità che caratterizzano l’elemento, delle idee ed iniziative intraprese allo scopo di portare miglioramenti nel ciclo produttivo e contemporaneamente valutare l’utilità degli strumenti di cui ci si è serviti per lo scopo.
- L’elemento su cui è stato incentrato lo studio è il rivestimento cofano montato sulle Vetture New daily Iveco. Il componente è realizzato dalla Magnetto automotive, società partecipante nel Gruppo industriale CLN. La MA si occupa principalmente di stampaggio di lamiera a freddo per componenti automotive.
- Il ciclo produttivo dell’elemento in linea di produzione è caratterizzato da operazioni (imbutitura, 2 rifila, 2 flangiatura), di cui la prima è una imbutitura, ed è anche quella su cui ci si sofferma per valutare la realizzazione dell’elemento Appare chiaro che proprio la prima operazione sia quella fondamentale. Come si evince dalle immagini il componente è caratterizzato da una profondità non indifferente pari a 235mm da cui scaturisce un compromesso al limite della fattibilità tra la corretta plasticizzazione da una parte ed eventuali insorgenze di rotture della lamiera dall’altra. Ci si è quindi concentrati sul processo iniziale di imbutitura.
- Sono evidenti criticità di realizzazione evidenti dovute al fatto che il materiale non risponde adeguatamente alle sollecitazioni di stampaggio a causa di un comportamento poco costante ed uniforme, nonostante la lamiera provenga dalla stessa bobina madre ; questo ha prodotto in linea di produzione continui interventi di regolazione del macchinario per tentare di ridurre la % di scarti, ed ovviamente bisogna considerare anche le ore di lavoro con sono andate perse a causa dei ripetitivi fermi macchina. L’ipotesi di risoluzione considerata è di procedere con un materiale che meglio si presti alla operazione di profondo stampaggio. si spieghino le caratteristiche.
- Sono evidenti criticità di realizzazione evidenti dovute al fatto che il materiale non risponde adeguatamente alle sollecitazioni di stampaggio a causa di un comportamento poco costante ed uniforme, nonostante la lamiera provenga dalla stessa bobina madre ; questo ha prodotto in linea di produzione continui interventi di regolazione del macchinario per tentare di ridurre la % di scarti, ed ovviamente bisogna considerare anche le ore di lavoro con sono andate perse a causa dei ripetitivi fermi macchina. L’ipotesi di risoluzione considerata è di procedere con un materiale che meglio si presti alla operazione di profondo stampaggio. si spieghino le caratteristiche.
- La procedura di caratterizzazione meccanica ha previsto innanzitutto l’estrazione di campioni per ogni pacco di lamiera (ne sono stati ordinati 6 di bh e di if, tutti originari delle rispettive bobine madri). si è proceduto alla estrazione dei provini per ogni lamiera, lungo le 3 direzioni fondamentali rispetto al senso di laminazione, in modo da fornire il materiale completo per la generazione delle curve Con la prova di trazione si ricava la curva sigma epsilon reale del materiale, con cui è possibile estrarre il criterio di resistenza di( Von mises) in caso di tensione multiassiale e il forming limit diagram rappresentativo dello stato di deformazione superficiale del materiale
- La procedura di caratterizzazione meccanica ha previsto innanzitutto l’estrazione di campioni per ogni pacco di lamiera (ne sono stati ordinati 6 di bh e di if, tutti originari delle rispettive bobine madri). si è proceduto alla estrazione dei provini per ogni lamiera, lungo le 3 direzioni fondamentali rispetto al senso di laminazione, in modo da fornire il materiale completo per la generazione delle curve Con la prova di trazione si ricava la curva sigma epsilon reale del materiale, con cui è possibile estrarre il criterio di resistenza di( Von mises) in caso di tensione multiassiale e il forming limit diagram rappresentativo dello stato di deformazione superficiale del materiale
- La procedura di caratterizzazione meccanica ha previsto innanzitutto l’estrazione di campioni per ogni pacco di lamiera (ne sono stati ordinati 6 di bh e di if, tutti originari delle rispettive bobine madri). si è proceduto alla estrazione dei provini per ogni lamiera, lungo le 3 direzioni fondamentali rispetto al senso di laminazione, in modo da fornire il materiale completo per la generazione delle curve Con la prova di trazione si ricava la curva sigma epsilon reale del materiale, con cui è possibile estrarre il criterio di resistenza di( Von mises) in caso di tensione multiassiale e il forming limit diagram rappresentativo dello stato di deformazione superficiale del materiale
- Dal modello fisico si è passati alla matematizzazione del modello, in ambiente CAD con l’estrapolazione degli elementi attivi dello stampo nella esecuzione del processo, il modello è stato quindi filo matematizzato tramite l’attribuzione di elementi di tipo shell e consequenzialmente è stato importato nel software di simulazione stampack dove è avvenuta l’associazione logica di tutti gli elementi del modello ai rispettivi tool di cui lo stampo è caratterizzato
- Dal modello fisico si è passati alla matematizzazione del modello, in ambiente CAD con l’estrapolazione degli elementi attivi dello stampo nella esecuzione del processo, il modello è stato quindi filo matematizzato tramite l’attribuzione di elementi di tipo shell e consequenzialmente è stato importato nel software di simulazione stampack dove è avvenuta l’associazione logica di tutti gli elementi del modello ai rispettivi tool di cui lo stampo è caratterizzato
- Dal modello fisico si è passati alla matematizzazione del modello, in ambiente CAD con l’estrapolazione degli elementi attivi dello stampo nella esecuzione del processo, il modello è stato quindi filo matematizzato tramite l’attribuzione di elementi di tipo shell e consequenzialmente è stato importato nel software di simulazione stampack dove è avvenuta l’associazione logica di tutti gli elementi del modello ai rispettivi tool di cui lo stampo è caratterizzato
- La valutazione numerica ha richiesto l’attribuzione di determinati parametri quali l’impostazione della cinematica da impiegare nella simulazione (varia nel caso di semplice o doppio effetto). Impostazione dei contatti tra il modello del blank , la lamiera, e le superfici degli altri utensili, la pressione esercitata sul premilamiera e quindi le forze di restrizione sui bordini : la scelta adottata è stata quella di impostare un valore di pressione quasi al limite delle possibilità della pressa, cosa che nella realtà già avviene a seguito della necessità di stirare al meglio il materiale, ed infine l’attrito tra le superfici a contatto suggerito dal’ software in base alle condizioni di oleatura della lamiera.
- La valutazione numerica ha richiesto l’attribuzione di determinati parametri quali l’impostazione della cinematica da impiegare nella simulazione (varia nel caso di semplice o doppio effetto). Impostazione dei contatti tra il modello del blank , la lamiera, e le superfici degli altri utensili, la pressione esercitata sul premilamiera e quindi le forze di restrizione sui bordini : la scelta adottata è stata quella di impostare un valore di pressione quasi al limite delle possibilità della pressa, cosa che nella realtà già avviene a seguito della necessità di stirare al meglio il materiale, ed infine l’attrito tra le superfici a contatto suggerito dal’ software in base alle condizioni di oleatura della lamiera.
- Il confronto tra i due materiale è stato in buona parte imposto sulla base di due condizioni meccaniche rappresentative dello stato della lamiera: un tipic case ed un worst case. Entrambe le due condizioni risultano conformi alle normative FIAT cui l’azienda si attiene, tuttavia si considera il caso peggiorativo difficilmente accettabile in sede di produzione. Il confronto si è basato sugli aspetti fondamentali in un processo di stampaggio, quali..
- Il bh mostra segni di assottigliamento eccessivo in coincidenza del perimetro del cofano nella regione laterale, si registrano valori di ass massimo intorno al 18% e questo può produrre dei difetti nella successiva operazione di flangiatura ed in sede di lastratura durante l’unione con l’ossatura. Complessivamente l’if mantiene un assottigliamento più uniforme con valori di massima al di sotto dell’8%
- L’assottigliamento trova conferma nell’fld. Il bh in cond tipiche mostra stati di deformazione che, come esprime la leggenda, rientrano in zone non più di sicurezza e questo rappresenta un segnale di allarme per l’impiego dell’attuale formato. La situazione risulta più ottimale con il formato alternativo dove i punti dello stato di deformazione permangono comunque al di sotto della zona di sicurezza. Il motivo è sostanzialmente dettato dal fatto che la posizione delle flc varia in maniera inversa dall’andamento della tensione di snervamento del materiale che, nel caso dell’if, risulta minore , ovvero ne consegue un una traslazione delle curve verso l’alto
- In condizione peggiorativa vengono accentuate le criticità riscontrate nel BH con l’insorgenza di zone di rottura registrate sulla parete verticale posteriore. In effetti a tale risultato si giunge anche in sede di produzione come è possibile vedere dalle immagini. La simulazione offre quindi una convergenza di risultato che attesta la validità dei risultati numerici. Nell’if invece la distribuzione risulta leggermente meno omogenea, con aumento del valore massimo di pochi punti percentuali, senza che venga compromessa l’esito del risultato finale.
- In condizione peggiorativa vengono accentuate le criticità riscontrate nel BH con l’insorgenza di zone di rottura registrate sulla parete verticale posteriore. In effetti a tale risultato si giunge anche in sede di produzione come è possibile vedere dalle immagini. La simulazione offre quindi una convergenza di risultato che attesta la validità dei risultati numerici. Nell’if invece la distribuzione risulta leggermente meno omogenea, con aumento del valore massimo di pochi punti percentuali, senza che venga compromessa l’esito del risultato finale.
- Nel worst case si assiste appunto ad una situazione di rottura in cui la deformazione oltrepassa completamente i valori limite consentiti, mentre per quanto riguarda l’if , compaiono solo alcuni punti isolati in condizione di criticità, legati alla zona in cui l’assottigliamento risulta maggiore.
- Relativamente al ritorno elastico si assite anche in questo caso ad una situazione più gravosa da parte del bh. Valutando il progetto iniziale realizzato in azienda, ci si accorge che il ritorno elastico appare della stessa entità nella regione posteriore, ma allo stato attuale i valori registrati sul lato anteriore suggeriscono l’insorgere di criticità funzionali ed estetiche. L’if invece garantisce valori più contenuti rispetto quelli originali, favorendo quindi un minor rilascio delle tensioni.
- Parallelamente alle verifiche numeriche sono state condotte delle prove qualitative in cui si è realizzato l’elemento e comparato i risultati ottenuti coi due materiali sulla base degli scarti ottenuti. Sia per i pezzi rotti per quelli destinati a successive lavorazioni di riparazione si è registrata una diminuzione percentuale significativa, la quale converge con i risultati numerici ottenuti in fase di simulazione.
- Parallelamente alle verifiche numeriche sono state condotte delle prove qualitative in cui si è realizzato l’elemento e comparato i risultati ottenuti coi due materiali sulla base degli scarti ottenuti. Sia per i pezzi rotti per quelli destinati a successive lavorazioni di riparazione si è registrata una diminuzione percentuale significativa, la quale converge con i risultati numerici ottenuti in fase di simulazione.
- In conclusione è stato possibile affermare l’attendibilità e l’utilità dello strumento di valutazione impiegato per il confronto tra i due materiali. Esso ha per messo di dimostrare che è possibile arrivare ad un processo più robusto grazie alla sostituzione del materiale attuale con un altro che meglio si presta allo scopo. Insieme alle ulteriori valutazioni qualitative condotte in azienda, la volontà dei responsabili di produzione è quella di presentare al cliente una richiesta di cambio per passare dal formato bh al formato if. Non si esclude la possibilità di procedere ad un lavoro di ottimizzazione del processo.