Evoluzione dimensionale di componenti meccanici sottoposti ... · meccanici sottoposti a tempra...
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Evoluzione dimensionale di componenti meccanici sottoposti a tempra tradizionale ed assistita da stampo in pressa: disegno dell’esperimento e modellazione multi-fisica di processo
F. Lenzi1, G. Campana1, A. Zanotti2
1 Dipartimento di Ingegneria Industriale, Viale del Risorgimento 2, (Bo)2 Proterm S.p.A, Via piretti 4A, Calderara di Reno (Bo)
Perché è nata questa attività:
Processo di tempra
Proprietà MeccanicheDurezza
MicrostrutturaMartensitica
Distorsioni:
-sovrametalli-op. di finitura
Compensazione Previsione
1/13
modellazione
sperimentazione
Distorsioni: Caratteristiche generali
Raffreddamento uniforme
Flusso di olio non omogeneo
curve di raffreddamento: gradienti termici
Deformazioni =def. termiche + def. microstrutturali
Durante il processo di tempra le distorsioni dipendono da:
gradienti termici e trasformazioni microstrutturali.
-Riduzione sovrametalli-Contenimento operazioni di post-trattamento
Ci sposteremo verso:-Processo controllato e ripetitivo
-NO operazioni di ri-lavorazione dopo tempra
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Tempra assisitita da stampo in pressa
-Progettazione dell’attrezzatura e del processo-Costo maggiore rispetto alla tempra libera:-Vincolo sulla dimensione dei componenti
-Raffreddamento controllato-Stampo ad-hoc: su misura-Processo ripetitivo e controllato
internopressore
esternopressore
espansore
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Tempra assisitita da stampo in pressa
-Progettazione dell’attrezzatura e del processo-Costo maggiore rispetto alla tempra libera:-Vincolo sulla dimensione dei componenti
-Raffreddamento controllato-Stampo ad-hoc: su misura-Processo ripetitivo e controllato
Limitati sovrametalliNo o ridotte op. post-trattamento
internopressore
esternopressore
espansore
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Attività sperimentale1
Processo di tempra: ottenere martensite à à aumento di volume à aumento dimensioni.
5GeometrieM%=(V/S)
2,08
Serie A M=100%
Serie B M=99%
Serie C M=95%
Serie D M=82%
Serie E M=71%
3replicheDati statistici:media±dev. st
3MaterialiMat1: 100CrMo7Mat2: 20MnCr5
Mat3: 18NiCrMo5
45Campioni
Operazioni di TT
5x3x3
Previsione = misurazioni + modellazione
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Attività sperimentale2Evoluzione dimensionale
-Op01 Lav. Mecc-Op02 Tempra Libera-Op03 Rinv. di dist.-Op04 Ric. Glob/Cem.-Op05 Tempra assistita-Op06 Rinv. di dist
Misurazione di componentisottoposti a sequenza di
operazioni TT
stesso posizionamentostesso programma di misura
stesso ciclo tecnologicomedesimo piazzamento
p=37bar
Pressore esterno
Componente
Tempra assistita da stampo in pressaPiano Macchina
12 3 54
Pia
no A
zzer
amen
to
Definizione modalità di investigazioneper processo e misurazioni
Attività sperimentale controllata
Risultati non estendibili:Modellazione di processo
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Modellazione di processo1
Modellazione Tempra
Inizio
1Tem
p.
2Def
. Ter
m.
3Tra
sf. M
icro
st
4Var
. Vol
umet
rich
e
Costruire un modello FEM di previsione delle distorsioni significa:
• Implementare equazioni al fine di riprodurre il fenomeno in esame;
• Accoppiare l’attività di modellazione ad uno studio sperimentale;
• Validazione del modello matematico.
MicrostrutturaVar. Volumetriche
Deformazioni
Raffr
eddam
ento
Temperatura
Grad
ienti
termi
ci
Raffreddamento
Materiale: TTT
T(°C)
t(h)
Ac3
T_amb
riscaldo
Mantenimentoraffreddo
Sim. processo
Dato sperimentale Op02Tempra libera
Dato sperimetale Op01Lav meccanica
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Modellazione di processo1
Modellazione Tempra
Inizio
1Tem
p.
2Def
. Ter
m.
3Tra
sf. M
icro
st
4Var
. Vol
umet
riche
5Sim
. Cic
lo C
ompl
eto
6Val
idaz
ione
mod
ello
FE
M
MicrostrutturaVar. Volumetriche
Deformazioni
Raffr
eddam
ento
Temperatura
Grad
ienti
termi
ci
Raffreddamento
Materiale: TTT
T(°C)
t(h)
Ac3
T_amb
riscaldo
Mantenimentoraffreddo
Sim. processo
Dato sperimentale Op02Tempra libera
Dato sperimetale Op01Lav meccanica
Temperatura(K)
triscaldo traffredd.
Tforno
Tolio
tempo(s)
HTC(W/m
2 K)
triscaldo traffredd. tempo(s)
HTCaria
HTColio
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Modellazione di processo2
tempo (s)
Riscald
o
tempra
Evoluzione Termica
Tem
pera
tura
(K)
riscaldamento
raffreddamento
Mappa Termica75s
Tempo(s)
Evoluzione Microstrutturale: riscaldamento e raffreddamento
Fraz
ione
in m
assa
(%)
riscaldamento
raffreddamento
Tempo(s)
Variazioni di diametro esterno
Espan
sione
term
ica
Contrazione austenititca
Contrazione term
ica
Trasformazione m
icrostr. tempra
Spos
tam
enti
radi
ali(
mm
)
1valutazione delle temperature
2Microstruttura iniziale à regola della Leva
3Istruzioni If-Then à punti critici à Fe-C
4deftot = defterm + defstrutt
DurezzaT(K) HV
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Variazioni Dimensionali: Tempra libera
-0,10
-0,05
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
70 75 80 85 90 95 100
Δdi%
M%
18NiCrMo5 20MnCr5 100CrMo7
-0,15
-0,10
-0,05
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
70 75 80 85 90 95 100
Δs%
M%
18NiCrMo5 20MnCr5 100CrMo7
Variazioni di diametro interno Variazioni di spessore
-0,040
-0,020
0,000
0,020
0,040
0,060
0,080
0,100
0,120
0,140
0,160
70 75 80 85 90 95 100
Δde%
M%
18NiCrMo5 20MnCr5 100CrMo7
2,08
2,08
2,08
Variazioni di diametro esterno
-Espansione dei diametri interni eccetto per geometriaB 100CrMo7
-Cementazione: espansione diminuisce man mano che il modulo diminuisce.
-Espansione del diametro esterno
-Variazione dimensionale limitata acciai da cementazione.
-Aumento dello spessore nei campioni misurati
-Miglior trasformazione martensitica
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Variazioni Dimensionali: Tempra libera
Variazioni di Volume: Tempra libera vs Lav. Mecc
-0,2
-0,1
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
70 75 80 85 90 95 100
ΔV%
M%
18NiCrMo5 20MnCr5 100CrMo7
2,08
Calcolo sperimentale delle variazioni volumetriche
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Variazioni Dimensionali: Tempra in pressa
-100
-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
070 75 80 85 90 95 100
!planarità%
M%
18NiCrMo5 20MnCr5 100CrMo7
Variazioni di planarità tra Ph05 e Ph04
Variazione di planarità negative;Recupero della tolleranza geometrica.
-Aumento del volume nei campioni trattati
Controllo geometrico dei componenti
p=37bar
Pressore esterno
Componente
Tempra assistita da stampo in pressa
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
70 75 80 85 90 95 100
ΔV%
M%
18NiCrMo5 20MnCr5 100CrMo7
Variazioni Volumetriche Ph05 and Ph01
Miglior trasformazionemartensitica
Non solo PRESTAZIONI ma anche DIMENSIONI
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Conclusioni
Modellazione di processoTempra Libera
Attività sperimentaleTempra Libera
-0,08
-0,06
-0,04
-0,02
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
0,14
70 75 80 85 90 95 100
∆di%
M%Experimental Results Mathematical Model
2,08
Inversione del segno della deformazione
Contrazione del diametro interno
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F. Lenzi, G. Campana, A. Zanotti
1 Dipartimento di Ingegneria Industriale, Viale del Risorgimento 2 (Bo)2 Proterm S.p.A, Via piretti 4A, Calderara di Reno (Bo)
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