Experimental and finite element analysis of cryogenic punching process

This work comes from the need to make the tube punching suitable to be fast reconfigured according to a more flexible production. The idea consists in the elimination of the internal die, that typically represents the bottleneck to a rapid change of the punching set-up. In order to assure the achievement of acceptable quality of the processed tube in a die-less punching, the change of the rheological material behavior can be exploited. More specifically ,the idea is to use the Ductile Brittle Transition, that occurs in specific material at cryogenic condition. Evident improvement has been noted out of preliminary tests done in BS Punching Company using liquid nitrogen to cool down the workpiece before the punching process. The target of the thesis was the possibility to investigate, adopting both experimental and numerical approaches, the industrial feasibility of a cryogenic di-less tube punching. In order to have a correct set-up and the possibility to validate the FEM model, series of test and simulations have been done. The procedure can be summarized as: • Tensile tests at ambient and cryogenic temperature; • Cryogenic Punching tests: in the entire session pressure and thermal data have been stored; • FEM updating; • FEM simulation. Finally, in the validation section, the FEM results have been compared to the experimental ones.

Questo lavoro nasce dall’esigenza di rendere più velocemente riconfigurabile un processo di punzonatura, sull’inda di una produzione più flessibile. L’idea consiste nell’eliminare la matrice interna, la quale rappresenta il rallentamento durante un rapido cambio di set-up. Il raggiungimento del risultato qualitativo desiderato vuole essere raggiunto sfruttando un cambiamento del comportamento reologico del materiale e in particolare si intende sfruttare la transizione duttile fragile, che tipicamente avviene in certi materiali in condizioni criogeniche. Dai test preliminari fatti in BS Punching Company usando azoto liquido per raffreddare il pezzo da lavorare prima della punzonatura, si è notato un evidente miglioramento. L’obbiettivo di questa tesi è analizzare, sperimentalmente e numericamente, la fattibilità industriale di un processo criogenico senza matrice. Sono state eseguite due sessioni di test e diverse simulazioni per creare e validare un modello FEM attendibile. L’intera procedura può essere riassunta come segue: • Prove di trazione a temperatura ambiente e criogenica; • Prove di punzonatura criogenica: durante l’intera sessione di pressione e temperature sono stati acquisiti; • FEM updating; • Simulazioni FEM. Infine i risultati FEM sono stati confrontati con le prove sperimentali per valutarne l’attendibilità e validare il modello.