Studio numerico e sperimentale dei limiti tecnologici di un'operazione di tranciatura fine

This thesis has been conducted because of need of the Company E. Malvestiti S.P.A. to upgrade their internal feasibility criteria regulations regarding the production of fine blanked pieces. Firstly the basic principles of Traditional and Fine Blanking have been investigated. Later the attention focused on an in-depth research of the technological limit in fine blanking. This has been possible through the try-out of a tool that blanked a thin slice of material on a high thickness metal sheet. This brought to the definition of the ratio (R) obtained by dividing the width of our slice (a) by the material thickness (S). The purpose of this paper is to find the limit of R by keeping “a“ fixed and increasing “S”. This limit wants to be found throughout the production of 10.000 consecutive pieces without any sort of problem on the punch. The analysis has been done by the usage of a FEM simulation system and by a testing experience that helped to confirm or contradict the simulation. At this point the piece shape was decided. This choice was well thought, giving to the thin part of the shape a 2 mm thickness and keeping it fixed for the entire project. Instead, the material thickness changed, ranging from an initial 4 mm gauge increasing 1mm per experiment. Having designed the tool, attention moved towards the modelling of the active parts useful for the finite elements analysis. It has been decided to use a 2D model considering it was enough precise to describe the stress applied by the punch on the slice side. The simulation results confirmed the feasibility of the process for the thicknesses 4, 5,6 and 7 mm. In this cases the compression stress increased proportionally with the thickness blanked while in the case of same “R” the stress was mainly the same. Beside the FEM analysis the experimental blanking campaign started. The “R” ratio limit was fixed to 0,4 granting 10.000 strokes without any breakages with the 4 and 5 mm thicknesses. In the case of the 6 mm gauge the punch broke after approximately 5.000 strokes with a calculated “R” ratio of 0,33. Moreover, comparing the data obtained by the simulation with the ones measured by the actual blanking it has been possible to notice the general accuracy, regarding blanking stress, the maximum stress peak and the material behaviour that influences the final piece shape, of the Finite element analysis program. An example of this is surely the material die roll on the inner side of the slice. Lastly attention was given to the causes that influence punch breakdowns proposing some recommendations to improve the punch behaviour. The suggested proposals could be: punch cutting surface polish, change of heat treatment to find the best compromise between hardness and toughness (improving the punch behaviour fatigue) and a punch geometry modification throughout the strengthening of the inner side slice (this would surely distribute better the forces).

Questa tesi di laurea magistrale nasce dall’esigenza aziendale della Malvestiti S.P.A. di aggiornare una normativa interna riguardante alcuni criteri di fattibilità di pezzi prodotti mediante tranciatura fine. Dopo una prima parte di approfondimento riguardante i principi della tranciatura tradizionale e fine, l’attenzione si focalizza sul problema in indagine: cercare il limite tecnologico nella tranciabilità di una parete sottile con materiale di elevato spessore. Viene definito così un rapporto R calcolato come larghezza parete sottile (a) diviso lo spessore del materiale da tranciare (S). Si vuole trovare il limite di questo rapporto avendo fissato come obiettivo la produzione di 10.000 pezzi consecutivamente senza riscontrare problemi sul punzone figura. Si è proceduto all’analisi di questo problema sia utilizzando una simulazione FEM sia con una prova sperimentale che verificasse la bontà della simulazione. E’ stato quindi definito un pezzo, scelto ad hoc, in cui la parete sottile è spessa 2 mm e gli spessori tranciati variano fino a trovare il limite sopracitato, partendo da uno spessore di 4 mm e aggiungendo di volta in volta un millimetro. Progettato quindi lo stampo per tranciare questo pezzo sono stati modellati i componenti attivi dello stampo ed utilizzati per la simulazione ad elementi finiti. È stata scelto un modello 2D in quanto ritenuto sufficiente per descrivere lo sforzo sulla parete sottile del punzone con sufficiente precisione. I risultati delle simulazioni hanno confermato la fattibilità del processo per gli spessori di 4, 5, 6 e 7 mm: lo sforzo di compressione sulla parete sottile del punzone figura aumenta proporzionalmente con l’aumentare dello spessore tranciato, mentre a pari rapporto R gli sforzi risultanti sulla parete sottile sono pressoché uguali. Si è poi proceduto realizzando la campagna sperimentale di tranciatura che ha fissato il rapporto limite R a 0,4 garantendo così 10.000 colpi senza rotture del punzone sia con spessore 4 mm che con spessore 5 mm. Nel caso di spessore tranciato 6 mm (e quindi rapporto R pari a 0,33) il punzone si è rotto dopo circa 5.000 colpi. Confrontando infine i dati ricavati dalle simulazioni con quelli misurati sulla pressa possiamo constatare la generale bontà della simulazione FEM per quanto riguarda la stima della forza di tranciatura, l’istante temporale dove questa forza raggiunge il valore massimo e la modellazione del comportamento del materiale che determinerà la geometria finale del pezzo, come ad esempio la caduta di materiale sulla parete sottile. Si pone infine l’attenzione sulle cause che portano alla rottura del punzone proponendo alcuni accorgimenti per cercare di migliorare il comportamento del punzone figura, quali lucidatura delle superfici di taglio del punzone figura, cambiamento del trattamento termico per trovare il miglior compromesso tra durezza e tenacità (migliorando il comportamento a fatica del punzone) e una modifica alla geometria del punzone mediante un rinforzo della parete sottile in modo da distribuire meglio gli sforzi sulla parete stessa.