Development of procedures and analytical-numerical models for incremental forming processes of metallic materials

Per oltre 150 anni, i processi di formatura e forgiatura dei metalli sono stati il cuore della produzione di industrie pesanti, sia per la produzione annuale sia per un numero di lavoratori, dipendenti e ingegneri coinvolti in questo settore. Sebbene la formatura di metalli sia stata utilizzata dai fabbri per molti millenni, solo negli ultimi 60 anni l'importanza della comprensione del comportamento materiale e della sua interazione con i parametri di processo e le condizioni di fabbricazione hanno iniziato a essere studiate approfonditamente dagli studiosi. Durante il processo di stampaggio del metallo, il materiale può essere soggetto a deformazioni piccole o grandi che influiscono sia sulla sua forma che sulle proprietà meccaniche del prodotto finale. Per questo motivo, al fine di seguire la tendenza sempre crescente di migliorare le prestazioni di prodotti e processi, l'obiettivo della ricerca dovrebbe essere orientato alla comprensione dell'influenza dell'approccio di produzione, vale a dire in termini di condizioni e parametri di processo, sulle caratteristiche del prodotto finale. Questo approccio bottom-to-top consente una più profonda comprensione delle interazioni tra materiale e processo, aprendo la strada a una strategia di produzione più efficiente, non solo basata sull'esperienza, ma anche su basi meccaniche e fisiche. A tal fine, i modelli analitici che tengono conto dei principi fondamentali della meccanica e della termodinamica del processo, collegati ai parametri di processo, sono un potente e conveniente approccio per analizzare l'impatto delle strategie di progettazione e delle scelte dei parametri di processo sul prodotto finito (come, ad esempio, l'evoluzione della geometria, la temperatura e le forze, etc.). Il lavoro di ricerca presentato in questa tesi è relativo allo sviluppo di modelli analitici per la laminazione degli anelli, un processo di forgiatura utilizzato per la produzione di anelli piccoli, medi, grandi, utilizzati in varie applicazioni, come ad esempio il campo aerospaziale, navale, eolico, etc. I modelli analitici sviluppati riguardano i seguenti aspetti chiave nella fase di progettazione del processo di laminazione ad anello, ovvero: i) calcolo degli range ammissibili per i parametri di processo più importanti, ii) stima dell'evoluzione della geometria dell'anello durante il processo, iii) calcolo del tensore di deformazione 3D nell'anello durante il processo, vi) modello di temperatura a parametri concentrati per la stima della caduta di temperatura dell'anello dovuta per convezione, conduzione e trasferimento di calore di radiazione durante il processo, v) calcolo della geometria di contatto tra rulli e anello nei due gap di deformazione, e vi) stima delle forze di processo, per entrambi i gap di deformazione, utilizzando un modello di forza basato sulla teoria delle slip line. I risultati dei modelli sviluppati sono stati confrontati, ove disponibili, con quelli della letteratura precedente, mostrando il miglioramento in termini di accuratezza, soprattutto per quanto riguarda la stima della geometria evoluzione dell'anello e per il calcolo delle forze di processo. I risultati dei modelli sviluppati sono stati anche confrontati con gli esperimenti di laboratorio eseguiti su un laminatoio di piccole dimensioni su anelli realizzati con lega Pb75-Sn25 e con simulazioni agli elementi finiti implementate nel software commerciale Simufact.Forming. L'accuratezza dei modelli sviluppati è stata calcolata, ove possibile, confrontando i risultati delle stime analitiche con i risultati sia sperimentali che numerici e non erano possibili, come nel caso della stima del tensore delle deformazioni, solo con i risultati delle simulazioni numeriche. I principali risultati dell'utilizzo combinato dei modelli numerici sviluppati sono legati alla stima dell'evoluzione della geometria dell'anello durante tutto il processo, che può essere stimata, in termini di diametro esterno dell'anello, con un'accuratezza superiore o pari al 97%. Inoltre, utilizzando insieme tutti i modelli sviluppati, la tensione di flusso del materiale può essere stimata analiticamente sulla base del modello di flow stress scelto, con una precisione superiore o uguale al 93%. Nel presente lavoro di tesi, il background matematico, richiesto per la piena comprensione degli algoritmi, i procedimenti analitico-matematici per tutti modelli sviluppati, i risultati degli esperimenti di laboratorio e delle simulazioni numeriche nonché, dove possibile, il confronto con i modelli di letteratura, sono presentati in dettaglio, consentendo una piena comprensione di entrambi i fondamenti e l'attuazione degli approcci sviluppati. L’insieme degli algoritmi proposti consente una approfondita comprensione dell'influenza dei parametri di processo, delle condizioni al contorno e delle dimensioni iniziali e finali dell’anello su importanti variabili di processo come, ad esempio, l'espansione geometrica, la caduta di temperatura e le forze. Nella fase di progettazione del processo di laminazione degli anelli, nonché di tutti i processi di fabbricazione, diverse combinazioni di parametri di processo devono essere testate per determinare la preforma iniziale, i parametri di processo ottimali da utilizzare durante la produzione, nonché la pressa o macchinario da utilizzare. Attraverso gli algoritmi sviluppati, diverse combinazioni di parametri di processo possono essere testate in un tempo relativamente breve, grazie alla tipologia modelli proposti (closed-form equations). Successivamente, le simulazioni agli elementi finiti possono essere eseguite solo su una piccola parte delle combinazioni di parametri di processo e configurazioni geometriche della preforma che hanno permesso di ottenere buoni risultati nella fase preliminare di test con i soli modelli analitici. L'approccio proposto consente di risparmiare tempo prezioso durante la fase di progettazione, consentendo di concentrare l'attenzione solo su poche opzioni di progettazione e, per questo motivo, può essere di interesse sia degli studiosi che degli ingegneri industriali che si occupano della messa a punto e del controllo del radiale. anello-anello di laminazione di anelli piani.