In-line control of tube bending processes by means of smart tools

I profili cavi sono utilizzati sia a scopo strutturale sia come tubazioni in diverse applicazioni tecniche. Questi elementi grazie alla distribuzione del materiale sulla sezione sono leggeri e allo stesso tempo conservano un alta rigidezza a flessione. Sono ampiamente utilizzati nei settori energetico, civile, automobilistico e aerospaziale e del bianco per diversi scopi. Data questa grande varietà di applicazioni sono richiesti tubi con un altrettanto ampia varietà in termini di materiali, dimensioni e forme. Nella maggior parte dei casi non sono richiesti componenti dritti, ma tubi piegati con forme complesse. Per far fronte alle diverse richieste del mercato, nel corso degli anni sono state sviluppate diverse tecnologie di piegatura. Ognuna di queste è in grado di ottenere diversi raggi di curvatura e angoli di piega con caratteristiche differenti. Tra i processi di piegatura possibili, si distinguono i processi di stiropiegatura e di calandratura su tre punti che sono utilizzati contemporaneamente sulle moderne macchine piegatrici per ottenere un’ampia varietà di forme. Il processo di stiropiegatura è adatto ad ottenere pieghe accurate e ripetibili con raggi di curvatura da 0.5 a 10 volte il diametro del tubo. Mentre il processo di calandratura è adatto ad ottenere raggi di curvatura superiori a 10 volte il diametro del tubo. Questi processi sono soggetti a diverse criticità, tipici delle operazione di piegatura, tra cui: il ritorno elastico, le grinze, l’ovalizzazione della sezione o la rottura del componente. Tutti questi fenomeni sono stati oggetto di numerosi studi in letteratura, in cui vengono proposti diversi metodi analitici o numerici per prevederne l’entità. Tuttavia questi fenomeni sono fortemente influenzati non solo dal materiale e dalla geometria del tubo, ma anche dalle condizioni al contorto di processo. Queste condizioni sono difficili e costose da valutare ed inoltre soggette ad un elevato valore di incertezza. Di conseguenza, i modelli proposti sono utili per valutare la sensibilità dei processi al variare delle condizioni al contorto, ma non sono utilizzabili nella pratica aziendale per ottimizzare ogni singolo processo produttivo. Una revisione della letteratura scientifica ha evidenziato come questo sia un problema comune a molti settori produttivi e a molte operazioni di formatura dei metalli. Un modo per superare questo problema è quello di controllare il processo tramite un sistema a ciclo chiuso invece che tramite un sistema di controllo a ciclo aperto. Per attuare un simile approccio, è necessario misurare con continuità durante il processo le proprietà del pezzo che si intende controllare. Nel processi di piegatura dei tubi la proprietà di interesse è la geometria finale del tubo, ma non esistono sistemi in grado di monitorare la geometria dei tubi piegati attualmente implementati con successo in ambiente industriale. Per questo motivo lo scopo di questa tesi di dottorato è quello di sviluppare uno strumento per monitorare in-linea la geometria del tubo. Dopo un’attenta osservazione di entrambi i processi è possibile notare come il mandrino sia l’unico utensile comune ad entrambi che durante il processo si muove come il tubo. Di conseguenza è stato realizzato un mandrino intelligente, fissando un sensore inerziale al suo ultimo anello che permette di calcolare l’orientazione durante le varie fasi del processo produttivo. Assieme al mandrino intelligente sono stati sviluppati l’hardware e il software di acquisizione, la procedura di calibrazione del sensore, la procedura per il campionamento e analisi dei dati di macchina e sensore e infine le metodologie di analisi dei dati. Queste ultime consentono di elaborare i dati al fine di calcolare in tempo reale: il raggio di curvatura in calandratura, l’angolo di ritorno elastico in stiropiegatura e l’insorgenza di grinze in entrambi i processi. Infine per verificare le capacità del sistema sono stati effettuate delle operazioni di piegatura utilizzando il sistema sviluppato. Sono state eseguite sia operazioni di calandratura al variare del raggio di curvatura che operazioni di stiropiegatura variando l’angolo di piega. In entrambi i casi sono stati ottenuti sia componenti integri che componenti grinzati per verificare la capacità del sistema nell’identificazione dei difetti. Tutti i tubi piegati sono stati misurati una volta scaricati dalla piegatrice con una macchina di misura a coordinate e con un goniometro digitale. I valori delle misurazioni effettuati in questo modo sono stati considerati come valori di riferimento e confrontati con i risultati ottenuti dal sistema sviluppato, dimostrando di essere in buon accordo. Il sistema si è dimostrato capace di identificare anche la presenza delle grinze nei tubi piegati utilizzando entrambi i processi di piegatura.