Optimization of the cold rolling process for a steel wire for minimizing distortions due to residual stresses

Retaining rings are mechanical fasteners that hold components or assemblies onto a shaft or in a housing. Their production is based on plastic cold deformation of pearlitic steels. This work has the objective of study the production process and analyse the distribution of residual stresses on the final product that can cause defects, like the helix effect, compromising the comply with the imposed tolerances. Considering a particular profile, as first, the material microstructure has been analysed; tensile test and micro hardness have been also carried out in order to obtain the mechanical properties of the material. Subsequently, a finite element method has been implemented to analyse the distribution of the residual stresses and the effects of different process parameters on the final product. It has been possible to notice that a too small round wire as input is responsible for a longitudinal disequilibrium, not acceptable, of stresses at the end of the machining process; machining speed changes influence the compression areas extension in the final product while the height reduction variation in the first rolling step does not produce visible changes in the final product. Changes regarding the shaped rolls geometry have been proposed, suggesting a higher symmetry between the upper and the lower part. The finite element model highlights that, in this way, is possible to avoid imbalances between tensile stresses on the upper surface and compression on the lower one of the final product, ensuring better mechanical characteristics.

Gli anelli di arresto sono elementi meccanici che fissano componenti o assemblaggi su un albero o in un alloggiamento. La loro produzione è basata sulla deformazione plastica a freddo di acciai perlitici. L’obiettivo di questo lavoro è lo studio del processo di produzione e l’analisi della distribuzione degli sforzi residui nel prodotto finale, che possono dare origini a difetti, come l’effetto elica, compromettendo il rispetto delle tolleranze imposte. Considerando un profilo in particolare, per prima cosa è stata analizzata la microstruttura del materiale; inoltre sono stati eseguiti test di trazione e micro durezze per ricavare le proprietà meccaniche del materiale. Successivamente un metodo ad elementi finiti è stato implementato per analizzare la distribuzione degli sforzi residui e gli effetti di alcuni parametri di processo sul prodotto finale. Si è potuto notare come una vergella troppo piccola in ingresso sia responsabile di uno squilibrio longitudinale, non accettabile, degli sforzi residui alla fine delle lavorazioni; le variazioni di velocità nella lavorazione influiscono sull’estensione delle zone di compressione nel prodotto finito mentre la variazione dello schiacciamento nella prima gabbia di laminazione non produce evidenti variazioni nel prodotto finale. Sono state proposte modifiche alla geometria dei rulli sagomati, suggerendo una maggiore simmetria tra la parte superiore e quella inferiore. Il modello ad elementi finiti evidenzia come, in questo modo, sia possibile evitare squilibri tra sforzi di trazione sulla superficie superiore e di compressione su quella inferiore del prodotto finito, garantendo migliori caratteristiche meccaniche.