Hot metal gas forming of manganese-boron steel tubes

The intention of this thesis is to investigate the hot metal gas forming (HMGF) process, a new industrial technology capable of realizing high performance parts as never done before. This new process finds its origins in the well-known hydroforming, where parts are formed thanks to an active media (commonly water) injected at high pressures that shapes the work-piece pushing it against the tool. The main HMGF innovation is that the temperature becomes an active process actor; through heating it is possible to go beyond the formability limits of the cold version and to perform a steel press-hardening while forming. In this paper, after introducing the process and defining what is necessary to perform it, a practical case-study will be presented: the production of press-hardened camshaft made of 34MnB5 steel. The case-study has been chosen because it is suitable for testing a forming process and because it has been used in previous testing at the Fraunhofer IWU, giving a chance to evaluate the improvements gained and to better comprehend the advantages of HMGF respect to the previous technologies. The final aim is to use the experimental results to define general relationships between the process parameters and the final part characteristics. This will expand the actual knowledge about the HMGF, leading to a more feasible usage of this new technology in the production industry and identifying further researches’ directions.

Questo lavoro di ricerca si pone come obiettivo lo studio e lo sviluppo del processo di hot metal gas forming (HMGF). Esso rappresenta una delle ultime tecnologie approdate nel mondo dell’industria manifatturiera, nella quale si sta imponendo grazie alla possibilità che dà di realizzare parti ad alte performance come mai prodotte prima. Le origini di questa tecnologia risiedono nell’affermata idroformatura, dove le parti semi-lavorate sono poste in uno stampo negativo per poi essere formati a temperatura ambiente tramite l’iniezione di un fluido idraulico (comunemente acqua) ad alta pressione. La componente innovativa dell’HMGF risiede nell’introduzione della temperatura come parametro attivo di processo. Il riscaldamento del componente e, eventualmente ma non obbligatoriamente, dell’utensile consente di superare i limiti della formatura convenzionale a freddo e, in certe condizioni, alla realizzazione del trattamento termico di press-hardening. Il tutto si manifesta in parti finite caratterizzate da maggiori rapporti carico-peso ed una maggior resistenza meccanica del pezzo. Proprietà molto apprezzate in applicazioni dinamiche come automotive ed aerospace. Incrementare la temperatura del semilavorato ne migliora notevolmente la formabilità. I principali vantaggi derivanti consistono in una maggiore espansione realizzabile per ogni singolo step di formatura (ciò riduce il numero di steps necessari per dare al semilavorato la forma finale desiderata), nella possibilità di formare materiali alto-resistenziale difficilmente formabili a freddo (es. leghe al titanio) e a un globale downsizing dell’impianto produttivo in quanto ora le forze necessarie a lavorare i componenti sono minori. Inoltre in certe condizioni termo-dinamiche è possibile temprare il materiale mentre viene formato; tale processo viene definito press-hardening. Grazie ad esso si raggiungono proprietà meccaniche che, con una semplice lavorazione a freddo, sarebbero realizzabili solo a posteriori con l’introduzione di un trattamento termico post-formatura (con conseguente aumento di tempi di produzione e costi). Nella presente tesi, dopo aver introdotto il tema e aver analizzato lo stato dell’arte, l’attenzione è focalizzata su un caso tecnologico pratico: la formatura di alberi a camme press-hardened, realizzati in acciaio 34MnB5. La scelta dell’albero a camme come case-study è dettata dalla lunga esperienza del dipartimento di macchine utensili del Fraunhofer Institute sul tema. Tali conoscenze precedenti han funto da punto di partenza per l’attuale ricerca e han permesso di valutare con miglior perizia i vantaggi dell’HMGF rispetto le altre tecnologie convenzionali. Lo scopo finale della tesi consiste nel definire relazioni generali tra i parametri di processo e le caratteristiche del prodotto finale. Ciò porterà ad espandere l’attuale conoscenza del processo, con l’obiettivo di avvicinarlo alla realtà manifatturiera industriale ed ad individuare l’indirizzo delle future ricerche sul tema.