Capitolo 2
Tailored Heat Treated Blanks
2.1
Analisi Preliminare
2.1.1
Imbutitura
Consideriamo l’operazione d’imbutitura. Essa permette di passare da una lamiera in forma piana ad una forma concava. E’ l’operazione che pi`u sollecita la lamiera durante la deformazione ma con cui vengono realizzati numerosi prodotti quali recipienti in lamiera e parti di carrozzeria per le auto.
Nel caso semplice di un contenitore cilindrico ottenuto da un disco di lamiera, fig2.1, si nota come le parti tratteggiate del materiale siano soggette a compressione e tendano a formare delle pieghe che vengono impedite dal premilamiera. Esso tiene infatti la lamiera premuta contro la matrice, controllandone la deformazione e lo scorrimento, grazie anche ad idonea lubrificazione.
Il corpo di lamiera in deformazione nello stampo si trova soggetto a forze di trazione lungo le pareti verticali, che possono in taluni casi portare a rottura, ed a forze di compressione nella parte compresa tra matrice e premilamiera. Inoltre, dato che il volume del corpo rimane costante, tali forze provocano variazioni di spessore ed in
Figura 2.1: Schema di uno stampo per imbutitura
particolare assottigliamento nella parte tesa ed ispessimenti nella parte compres-sa.
Considerando ora il lavoro precedentemente svolto in [2], si pu`o notare come le leghe Al-Mg-Si, per temperature che variano tra i 200◦ ÷ 400◦C, all’aumentare
della TM ax applicata al materiale, riducono le proprie caratteristiche meccaniche.
Partendo da tale considerazione, `e pensabile sfruttare questo fatto ai fini proget-tuali osservando in prima battuta che una riduzione del limite di snervamento comporta un ingresso pi`u semplice in campo plastico con riduzione delle forze di formatura.
Inoltre, se a questo punto si pensa di andare ad applicare tale criterio al solo con-torno della lamiera, dove andr`a a poggiare il premilamiera, si `e in grado di far entrarare prima tale porzione di materiale in campo plastico e far si che questo segua meglio la piegatura del corpo. In questo modo, la pi`u dolce deformazione del materiale, aumenta la formabilit`a della lamiera stessa e si `e in grado di evitare
possibili problemi di rottura.
2.1.2
Curve Limite di Formabilit`
a
Tali affermazioni vengono confutate in fase di prima analisi, tramite le CLF (Curve Limite di Deformabilit`a) e l’analisi agli elementi finiti tramite ABAQUS. Le CLF, conosciute anche come diagramma di Keeler-Goodwin, rappresentano il luogo geometrico, nel piano delle deformazioni principali max, min, delle rotture
che si verificano per diverse tipologie di sollecitazione a deformazione imposta.
Figura 2.2: Modi di deformazione sul grafico CLF
dallo spessore e consentono un’interpretazione completa degli stati di deformazione di ogni singolo elemento finito, nonch`e la valutazione dell’entit`a della criticit`a. Se consideriamo la fig 2.2 notiamo come sia possibile mettere in relazione la forma-bilit`a con lo stiramento del materiale secondo le varie direzioni.
Viene inoltre riportata, in fig 2.3, la curva ottenuta per uno stampo di portiera per automobili, dove `e possibile notare come la zona trattata termicamente vada a posizionarsi in una zona pi`u bassa del diagramma rispetto allo stesso materiale in stato T4 e quindi migliore dal punto di vista della formatura.
Figura 2.3: Curva CLF per una portiera di automobile
2.1.3
SYSTUS e ABAQUS
Inoltre per quanto riguarda una veloce e appropriata procedura di progettazione del sistema THTB `e stato opportuno simulare il processo considerando sia il trat-tamento termico, sia la successiva fase di formatura [3].
A tale scopo si `e utilizzato un approccio multistage dove in un primo stadio la simulazione termica `e stata affidata al software SYSTUS e quella meccanica ad ABAQUS. Successivamente, Sempre in ambiente ABAQUS i dati sono stati corelati per ottenete la simulazione completa del processo (fig 2.4):
Figura 2.4: Sistema interfaccia SYSTUS-ABAQUS
Inizialmente la simulazione `e stata applicata a semplici lamiere (fig 2.5), di cui sono anche state fatte prove di formatura (fig 2.6), per passare successivamente ad uno studio pi`u approfondito prendendo a riferimento una portiera per automobili, fig 2.7:
Da un’analisi dei risultati `e subito riscontrabile una effettiva riduzione delle tensioni e un miglioramento delle condizioni di formabilit`a, con scomparsa delle zone di frattura riguardo alla fig 2.6.
2.2
Leghe d’Alluminio serie 6000
Le leghe di Alluminio prese in esame per lo studio del THTB sono leghe della serie 6000.
Queste sono leghe a tre componenti Al-Mg-Si che presentano una buona forma-bilit`a e sono ottimamente lavorabili plasticamente in termini di estrudibilit`a e
lam-Figura 2.5: Distribuzione delle tensioni per una lamiera formata in modo convenzionale a) e tramite THTB b).
Figura 2.6: Risultati sperimentali ottenuti tramite formatura convenzionale a) e tramite THTB b)
Figura 2.7: Deformazioni in una portiera d’automobile
inabilit`a. Sono anche perfettamente saldabili e si prestano bene alle lavorazioni per asportazione di truciolo.
La struttura `e relativamente semplice in quanto il principale costituente `e il com-posto M g2Si che si trova in soluzione, nel caso in cui ci siano stati trattamenti
termici, e a cui `e imputabile l’indurimento dopo invecchiamento artificiale o nat-urale.
Le propriet`a dei lavorati risultano essere estremamente sensibili al tipo di dis-tribuzione dei composti di M g2Si in quanto materiali con particelle grosse del
precipitato presentano una deformabilit`a migliore rispetto a distribuzioni pi`u fini in quanto si ostacola il movimento delle dislocazioni.
L’adeguato rapporto tra i componenti [4] risulta essere M g/Si = 1.73, ma questo `
e impossibile da realizzare con i normali processi produttivi, quindi si ha sempre un eccesso in lega di magnesio o silicio.
L’eccesso di magnesio porta ad un miglioramento della resistenza a corrosione ma riduce la resistenza e la formabilit`a. L’eccesso di Silicio produce, invece, un aumen-to della resistenza senza riduzione della formabilit`a e della saldabilit`a, ma presenta
una certa tendenza alla corrosione intergranulare.
Le leghe qui studiate sono la AA6181PX e la AA6016PX aventi la seguente com-posizione chimica:
2.3
Processo e Ipotesi di Studio
Per quanto riguarda i problemi insiti in questo tipo di processo, pensando anche ad un possibile impiego in campo automobilistico, possono essere riassunti in:
• Localizzare il trattamento termico nelle sole zone desiderate;
• Studiare come il materiale si comporta a seguito di tale trattamento termico; • Determinare eventuali fattori secondari che possano inficiare o migliorare il
trattamento stesso;
• Riportare, successivamente alla deformazione, le caratteristiche meccaniche del materiale a livelli tali per cui eventuali test di sicurezza non vengano inficiati.
Tali punti possono essere studianti andando a determinare le varie fasi del pro-cesso e come questo avviene nel suo insieme. Successivamente risulta necessario esplicitare il modello di studio per il trattamento termico evidenziando le ipotesi
fatte e considerando i possibili problemi correlati.
2.3.1
Tailored Heat Treated Blanks
Fondamento del processo `e l’utilizzazione del laser come strumento per la gen-erazione dell’energia termica necessaria al trattamento. Il laser infatti permette di avere a disposizione una gran quantit`a di energia facilmente reperibile, ripro-ducibile e soprattutto facilmente localizzabile nelle zone designate.
Partendo da una lamiera in stato T4, di cui si riportano le caratteristiche in tabella, tramite un semplice programma a controllo numerico si `e in grado di indirizzare il raggio laser nelle sole zone del contorno della lamiera dove `e richiesto il trattamen-to termico. L’energia termica solubilizza le parti della lega portandola allo statrattamen-to W riducendo le caratteristiche meccaniche in funzione della temperatura applicata.
Designazione Caratteristiche
W Solubilizzazione. Condizione instabile applicabile solo alle leghe che invecchiano a temperatura ambiente dopo solubilizzazione
T4 Solubilizzazione e invecchiamento naturale a con-dizioni sostanzialmente stabili. Si applica a quei prodotti che non sono stati deformati a freddo dopo solu-bilizzazione, o in cui l’effetto della deformazione plastica non `e associata a specifiche applicazioni
T6 Solubilizzazione ed invecchiamento artificiale. Si applica ai prodotti che non siano stati deformati a freddo, o in cui la deformazione plastica `e associata a specifiche applicazioni.
Passiamo quindi alla fase di formatura generando la forma voluta e succes-sivamente, dopo aver applicato la vernice al pezzo finito, eseguiamo il processo di curing che, come ulteriore trattamento, fornisce ulteriore energia termica per portare la lega in stato T6 in modo da innalzare nuovamente le caratteristiche meccaniche ad un livello di picco.
Il processo qui descritto prende il nome di THTB (Tailored Heat Treated Blanks)
2.3.2
Analisi e Modellizzazione
L’analisi dell’andamento delle caratteristiche meccaniche del materiale al vari-are della temperatura viene fatta utilizzando provini standardizzati [5] aventi le dimensioni riportate in fig 2.8 :
Figura 2.8: Dimensioni del provino
La modellizzazione del trattamento termico locale prevede lo studio all’interno di un intervallo di temperature tra 200◦÷ 400◦C.
Come parametri di input vengono assegnate la potenza del laser che varia tra 1200 ÷ 4000 KW , uno Spot Diameter di 4.0 mm e una velocit`a di avanzamento del laser lungo il provino di vL = 33.0 mm/sec.
`
e di circa 290◦C, pertanto dopo aver raggiunto il valore massimo della potenza disponibile, il provino viene ricoperto con una vernice alla grafite in modo da rendera la superficie maggiormente assorbente alla radiazione e far innalzare la temperatura fino ad arrivare al massimo valore voluto.
Per quanto riguarda l’analisi, questa viene divisa in due fasi.
La prima prevede lo studio della variazione delle caratteristiche meccaniche succes-sivamente alla solubilizzazione, quindi nel passaggio del materiale allo stato W. Il provino viene quindi riscaldato e, dopo una determinata finestra temporale, viene fatta la prova di trazione.
La seconda fase studia la variazione delle caratteristiche meccaniche successiva-mente alla solubilizzazione e all’invecchiamento artificiale, quindi nel passaggio allo stato T6. Il provino viene inizialmente riscaldato, viene fatta trascorrere una determinata finestra temporale e successivamente viene immesso in un forno alla temperatura di 180◦C per un periodo di 20 minuti, in modo da simulare il pro-cesso di curing. Ultimata la fase di mantenimento a caldo nel forno, il provino si trova in una situazione stabile e la prova di trazione pu`o essere fatta in un secondo momento.
Notiamo come all’interno del processo risultano di fondamentale importanza l’ap-plicazione delle finestre temporali. Queste vanno a schematizzare i tempi morti che, in un normale processo produttivo, si verificano tra uno step e l’altro della catena di montaggio e che possono provocare, successivamente alla fase di solu-bilizzazione, un invecchiamento naturale del materiale che deve essere preso in considerazione.
Nella successiva figura viene mostrato il banco di lavoro con il quale vengono effettuate le prove.
Figura 2.9: Banco di lavoro al laser
Notiamo che lo strumento per la misurazione della temperatura, il pirometro, viene posto dal lato opposto rispetto al laser. Per fare in modo che il sensore misuri la temperatura del provino, nel fermo utilizzato viene creato un foro.
Per la struttura stessa con la quale `e stato strutturato il banco di lavoro, vengono applicate le seguenti ipotesi sul processo termico:
1. La temperatura rilevata, in corrispondenza del punto di mezzo della lunghez-za del provino dove risulta posizionato il pirometro, sia uniforme lungo tutta la lunghezza del provino stesso;
2. Dato lo spessore molto piccolo del provino, si ipotizza che la temperatura rilevata dal sensore sia la temperatura al cuore del provino stesso;
3. Si considera un gradiente di tensione nullo all’interno dello spessore del provino;
4. Si trascurano, per quanto detto al punto precedente, eventuali effetti di tensioni superficiali residue sul provino.
Si fa notare che le ipotesi fornite ai punto 3. e 4. sono tanto pi`u esatte tanto maggiore `e la temperatura applicata al materiale.
I test prevedono che per entrambi i materiali, AA6016PX e AA6181PX, per en-trambi gli stati, W e T6, e relativamente agli intervalli temporali esaminati, siano effettuate per ogni blocco un totale di circa 120 prove.
I risultati, per ogni singolo blocco, vengono inizialmente raccolti in dei grafici, in fig 2.10 ne viene riportato un esempio, in cui vengono riportati tramite punti tutti i risultati delle prove.
In questo modo `e possibile rendersi conto dell’effettiva bont`a dei test effettuati, in quanto ad una determinata temperatura deve risultare un determinato valore della variabile associata ottenuta tramite la successiva prova di trazione, nell’esempio il limite di snervamento.
Se per tale temperatura la prova viene ripetuta una o pi`u volte, il valore ottenuto non deve discostarsi pi`u di tanto da quello gi`a trovato in quanto se cos`ı non fosse, significherebbe che durante il trattamento termico sono intercorse delle variabili aggiuntive o degli errori, che vanno ad inficiare il risultato della prova stessa.
Figura 2.10: Esempio dei risultati ottenuti per prova di trazione della lega AA6181PX con finestra temporale di 24 ore
A questo punto la regolamentazione [6] prevede che i dati siano condensati definendo la Temperatura Classificata, ottenuta considerando intervalli di temper-atura di 20◦C percui ogni temperatura all’interno di questo intervallo va consid-erato come un’estemo dell’intervallo stesso, e calcolando la deviazione standard associata.
2.4
AA6181PX
Vengono ora esposti ed esaminati i risultati sperimentali ottenuti la Lega di alluminio AA6181PX.
2.4.1
Risultati per lo stato W
Si riportano di seguito le curve ottenute per lo stato W con i relativi intervalli temporali.
Figura 2.12: AA6181PX W: Tensione di rottura
Da una prima analisi dei grafici possiamo notare come, all’aumentare della temperatura applicata, ci sia una riduzione delle carateristiche meccaniche che, mano a mano che la finestra temporale aumenta, tendono a risalire tornando nuo-vamente ad una condizione d’equilbio. Risulta oltremodo da evidenziare il fatto che l’allungamento percentuale decresce, in una prima fase, per poi tornare a salire.
2.4.2
Risultati per lo stato T6
Si riportano di seguito le curve ottenute per lo stato W con i relativi intervalli temporali.
Figura 2.15: AA6181PX T6: Tensione di rottura
Figura 2.17: AA6181PX T6: Allungamento percentuale a rottura
Anche in questo caso notiamo come le curve presentino sia una riduzione delle caratteristiche del materiale associate alla temperatura applicata, che un successi-vo innalzamento delle stesse a causa delle finestre temporali. Inoltre risulta ancora una volta evidente il fenomeno legato alla riduzione delle curve riguardanti l’al-lungamento percentuale e l’all’al-lungamento percentuale a rottura, con successivo reinnalzamento delle stesse.
2.5
AA6016PX
Vengono ora esposti ed esaminati i risultati sperimentali ottenuti la Lega di alluminio AA6016PX.
2.5.1
Risultati per lo stato W
Si riportano di seguito le curve ottenute per lo stato W con i relativi intervalli temporali.
Figura 2.19: AA6016PX W: Tensione di rottura
Anche per la lega AA6016PX da una prima analisi dei grafici notiamo come, all’aumentare della temperatura applicata, ci sia una riduzione delle carateris-tiche meccaniche che, mano a mano che la finestra temporale aumenta, tendono a risalire tornando nuovamente ad una condizione d’equilbio. Risulta ancora che l’allungamento percentuale decresce, in una prima fase, per poi tornare a salire.
2.5.2
Risultati per lo stato T6
In questo caso per problemi legati alla logistica e alla mancanza di provini, si riporta l’unica curva ottenuta relativamente ad un intervallo temporale di 24 ore.
Figura 2.22: AA6016PX T6: Tensione di rottura
Anche per l’unica curva analizzata `e riscontrabile il fenomeno della riduzione delle caratteristiche meccaniche all’aumentare della temperatura, mentre non `e riscontrabile un eventuale innalzamento delle stesse al variare degli intervalli tem-porali, e tale verifica dovr`a essere ripresa in successivi studi.
Per quanto riguarda l’allungamento percentuale a rottura, si ripresenta ancora una riduzione iniziale ed un successivo innalzamento.
