Damage Modelling in Cold Forging Process Chains

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.