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Studio della formabilità di lamiere con approccio numerico e sperimentale

In questo lavoro di tesi lo studio delle caratteristiche di formabilità delle lamiere è stato realizzato svolgendo un’attività sperimentale ed una numerica.
L’attività sperimentale è consistita nella progettazione e nella realizzazione di attrezzature per la realizzazione dei test, nonchè di sistemi computerizzati per una analisi dei risultati sperimentali automatica e flessibile. Sono stati in particolare realizzate le attrezzature per realizzare il test di Nakazima e quelle per la reticolatura delle lamiere con etching elettrochimico, per l’analisi delle deformazioni dei provini.
Tra le procedure software implementate per l’analisi dei dati sono state preparate opportune routine che, integrandosi con un software per l’analisi dell’immagine, hanno permesso la misura semi-automatica dello stato deformativo dei provini.
L’attività numerica ha visto la definizione di differenti modelli numerici finalizzati alla determinazione della FLC. Essi vanno dall’introduzione di un difetto geometrico locale in un modello, con l’obiettivo di indurre una strizione localizzata in un provino, alla simulazione delle prove di formabilità con il metodo agli elementi finiti.
In questo lavoro sono state affrontati entrambi gli approcci; nel primo caso, come esempio del metodo di Marciniack e Kuczynski è stato formulato un modello FEM che introduce un difetto geometrico in un semplice provino rettangolare sottoposto ad una definita storia deformativa.
Nel secondo caso sono stati sviluppati modelli FEM bidimensionali e tridimensionali per la simulazione del test di Nakazima; in particolare, per individuare le condizioni limiti di una simulazione FEM del test, sono state implementate routine di post-processing basate sul metodo di Bragard e successivamente è stato introdotto nel modelli FEM il concetto del danneggiamento del materiale (modello di Tvergaard e Needleman di nucleazione di micro cavità all’interno del materiale controllato dalla deformazione).
Attraverso la definizione di una serie di parametri caratteristici, il modello utilizzato racchiude nella relazione costitutiva del materiale, l’evoluzione del danneggiamento come la nucleazione dei microvuoti, la loro crescita e la loro coalescenza; in questo modo la strizione e la conseguente rottura del materiale diventano proprietà intrinseche del modello e non più un intervento “artificiale” introdotto dall’esterno. In questo lavoro, i parametri caratteristici del modello di danneggiamento sono stati definiti in modo univoco applicando un approccio di “caratterizzazione inversa” del materiale. Per questo si è utilizzato un metodo di ottimizzazione del “fitting” tra curve sperimentali e curve numeriche basato sostanzialmente su tecniche DOE (Design of Experiment) che permettono di minimizzare il numero di test numerici al fine dell’individuazione dei parametri indagati.
La parte finale della tesi è stata dedicata allo studio della formabilità dei Taylored Blanks, sviluppi compositi ottenuti saldando con fasci ad alta densità di energia (Laser, Electron Beam), singole parti costituite da lamiere di metalli differenti o diversamente rivestiti o che differiscono nello spessore. E’ stato in particolare formulato un modello teorico per la caratterizzazione meccanica indiretta della linea di saldatura dei TB; la validità del modello è stata successivamente confutata pianificando un’attività numerico sperimentale, basata su prove di trazione monoassiale e di piegatura. La fase sperimentale è stata effettuata su provini in acciaio da imbutitura, alcuni dei quali presentano una zona termicamente alterata parallela alla dimensione maggiore del provino ed ottenuta trattando la lamiera con Electron Beam; l’attività numerica ha visto la definizione di modelli agli Elementi Finiti (FEM) per la simulazione delle due operazioni. Con l’obbiettivo di introdurre il contributo della linea di saldatura in simulazioni numeriche di processi di formatura plastica dei TB, i risultati della caratterizzazione meccanica sono stati infine utilizzati nella simulazione FEM di un caso applicativo di imbutitura assialsimmetrica realizzata su un TB che presenta una linea di saldatura concentrica all’asse di imbutitura.

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Introduzione Il processo di formatura delle lamiere, conosciuto anche dalla terminologia anglosassone come sheet metal forming ha raggiunto una posizione preminente in numerosi settori della meccanica come per esempio quello dell’industria automobilistica e aerospaziale; come è ovvio, la tendenza è quella di ottenere, anche in produzioni di massa, pezzi finiti con ottime caratteristiche di qualità unitamente ad una riduzione degli scarti per rottura o difettosità superficiale o per il superamento dei limiti imposti dalle tolleranze geometriche. In questo scenario, la necessità di produrre semilavorati o parti finite con un basso indice di scarto generato da errori di processo o da difetti della superficie, ha determinato un forte impulso agli studi sperimentali, teorici e numerici inerenti lo sheet metal forming. La sopravvivenza di un pezzo in un processo di deformazione massiva (es.: forgiatura) può essere descritto tramite il concetto di lavorabilità (workability) che tiene conto della duttilità del materiale e dello stato di tensione imposto dal processo; in questo caso ciò che più si teme è la frattura. La sopravvivenza, invece, di un pezzo sottoposto a processi di sheet metalworking è legata al concetto di formabilità (formability), anche questa una proprietà di carattere complesso, che deve essere correlata ai motivi di insuccesso durante la lavorazione di laminati; di seguito se ne evidenziano alcuni: • la superficie del materiale durante la lavorazione può apparire "granulosa" con un effetto "buccia d'arancia". Questa è una naturale conseguenza della struttura policristallina dei metalli. Infatti, i singoli grani orientati lungo le diverse direzioni cristallografiche si deformano in maniera leggermente diversa l'uno dall'altro. Questo effetto non ha ripercussioni sull'integrità strutturale della parte ma può risultare esteticamente inaccettabile. Il problema può essere evitato con materiali che presentano grani molto piccoli per cui l'effetto non è percepibile ad occhio nudo; • in alcuni materiali lo snervamento può essere fortemente localizzato e visibile in superficie sotto forma di bande (linee di Lüders). Al procedere della deformazione la superficie sarà progressivamente attraversata da famiglie di queste bande che sono innocue ai fini della resistenza, ma inaccettabili sulle superfici esposte. Tuttavia una volta ricoperta tutta la superficie del pezzo non sono più distinguibili. • nel caso di strizione localizzata ne soffrono sia l'estetica che le proprietà funzionali; anche se non siamo in presenza di frattura, la resistenza ai carichi può essere ridotta, pur rimanendo le altre zone perfettamente funzionali. La scelta dei materiali è finalizzata ad ottimizzare i fattori che ritardano l'inizio della strizione o che ridistribuiscano l'incipiente strizione. Una volta innescatosi il fenomeno della strizione, l'ulteriore deformazione produce un assottigliamento localizzato fino alla frattura. Anticipiamo che nelle lavorazioni

Tesi di Dottorato

Dipartimento: Dip.to di Progettazione e Produzione Industriale

Autore: Michele De Cosmo Contatta »

Composta da 187 pagine.

 

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Disponibile in PDF, la consultazione è esclusivamente in formato digitale.