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Wednesday, 18 Ottobre 2017
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Graffatura di acciai altoresistenziali sottili (AHSS)

La ricerca della leggerezza gioca un ruolo importante nell’industria automobilistica in particolare per la riduzione del consumo di carburante e delle emissioni di CO2. Nell’attuale sviluppo delle carrozzerie per
autoveicoli i principali materiali utilizzati sono acciai alto e ultra alto resistenziali assieme all’alluminio. Questi materiali permettono ai costruttori di auto lo sviluppo di veicoli più leggeri che rispettino le sempre più stringenti normative di sicurezza. L’uso di questi materiali pone ulteriori difficoltà e per ciascun elemento stampato il materiale selezionato deve assicurare le prestazioni richieste.

di Mario Lepo

Giugno Luglio 2017

Sebbene gli acciai alto resistenziali avanzati, o AHSS, siano usati in modo estensivo nelle carrozzerie, lo sviluppo di pannelli esterni in “Classe A” è limitato all’uso di acciai dolci e resistenti alle ammaccature. La formabilità degli AHSS è considerata insufficiente per gli esterni graffati delle parti mobili. Questo limita lo sviluppo di progetti che utilizzino questi acciai molto resistenti e leggeri. Di recente, la Auto/Steel Partnership ha condotto un progetto chiamato Graffatura di Acciai Sottili ad Alta Resistenza (AHSS), che era focalizzato sulla graffatura di acciai alto-resistenziali sottili per ottenere benefici di peso. L’obiettivo principale del progetto era di dimostrare che gli acciai AHSS sottili sono adatti per l’utilizzo delle parti mobili delle autovetture. AutoForm ha partecipato a questo progetto fornendo il software AutoForm-HemPlannerplus, che permette in modo semplice la definizione e la ottimizzazione delle operazioni di graffatura.

Obiettivi del progetto
Istituito nel 1987, Auto/Steel Partnership è un consorzio formato da aziende automobilistiche Nord Americane e l’Automotive Application Council dell’Istituto per lo Sviluppo del Mercato dell’Acciaio. La partnership si avvale delle risorse delle industrie automobilistiche e delle materie prime per condurre ricerche, validazione e formazione per supportare i produttori nel miglioramento della sicurezza dei veicoli, del risparmio di carburante e nel miglioramento della progettazione e della costruzione. Questo significativo progetto porta nuove conoscenze nell’uso efficiente di acciai AHSS nell’industria automobilistica.
Come primo passo il team di progetto ha fissato gli obiettivi. Giovanni Costa, project leader per il progetto di graffatura di acciai AHSS sottili per il consorzio A/SP e specialista di graffatura alla FCA US LLC ha dichiarato: “Abbiamo approcciato questo progetto con grande interesse ed entusiasmo. Per noi del team era molto importante definire obiettivi chiari. Il principale era di dimostrare che acciai AHSS possono essere graffati nelle forme tipiche che si ritrovano negli assemblaggi delle parti mobili. In aggiunta, volevamo dimostrare che risultati affidabili potevano essere raggiunti usando acciai AHSS sottili con l’utilizzo di software appropriati che potessero accuratamente prevedere i risultati delle operazioni di graffatura”. Ha poi aggiunto: “L’accuratezza delle operazioni di graffatura è molto importante dato che ha influenza sull’aspetto e sulla qualità della superficie del pannello. Il nostro gruppo alla Auto/Steel Partnership ha individuato nel software AutoForm-HemPlannerplus della AutoForm il software scelto per condurre il progetto. Con AutoForm-HemPlannerplus le operazioni di graffatura possono essere definite efficientemente e i tipici difetti che possono avvenire durante il processo di graffatura essere correttamente risolti”.

Selezione del materiale
I produttori di acciaio presenti nel consorzio coinvolti in questo progetto hanno fornito tre AHSS con alti carichi di snervamento per verificare se essi potessero essere utilizzati nella produzione di pannelli esterni rispettando i richiesti livelli di qualità. I materiali usati sono stati BH280 con spessore 0,55 mm, BH440 con spessore 0,55 mm E DP 490 con spessore 0,50 mm. In tutti e tre i casi l’ossatura interna è stata costruita in acciaio dolce DC04 con spessore 0,7 mm. Il DC04 è un tipico acciaio da imbutitura che è incluso nella libreria di materiali AutoForm. Gli acciai usati in questo progetto sono sviluppi specifici ed era quindi essenziale che la simulazione potesse correttamente descriverne il comportamento reale. Per questa ragione i produttori hanno fornito dati che sono stati utilizzati per descriverne all’interno di AutoForm il corretto comportamento. Tre tipi di acciai sottili AHSS sono stati stampati in pannelli di test di dimensioni di 18”x 18” ottenendo i pannelli di test, contenenti forme e contorni che indirizzano molti dei problemi che si possono presentare nel processo reale di graffatura dei pannelli (Figura 1). Questi pannelli stampati per finalità di test sono stati graffati in assemblaggi che sono stati valutati con diversi criteri di qualità. Questi risultati sono stati poi comparati con quelli ottenuti dalle simulazioni con AutoFormplus R6 per verificare se la previsione era in accordo con i dati sperimentali.

Il processo di formatura
Il processo di stampaggio è stato simulato con AutoFormplus R6. La Figura 2 mostra le  operazioni di formatura e flangiatura. Una verifica della formabilità è stata condotta per avere informazioni su eventuali problemi di qualità della formatura, come rischio di rotture sul bordo durante il processo di graffatura, assottigliamento eccessivo e rischi di grinze. La formatura del pannello esterno mostra leggeri problemi di formatura legati al rischio di assottigliamento eccessivo che però rimane nell’ambito delle tolleranze accettate. La formatura dell’ossatura non ha segnalato problemi.

Ritorno elastico
Gli elementi stampati con acciai AHSS sono più soggetti a fenomeni di ritorno elastico di quelli stampati in acciaio convenzionale da imbutitura, di conseguenza una maggiore attenzione si è posta all’analisi del ritorno elastico sia del pannello sia dell’ossatura. I risultati sono mostrati nella Figura 3. La tendenza del ritorno elastico era molto simile in ciascuno dei tre acciai AHSS. Con tutti e tre i materiali il ritorno elastico dopo formatura variava da 2 a 5 mm come confermato dalle simulazioni. Allo stesso tempo la deviazione dell’ossatura variava da 1 a 3 mm così come previsto dal software AutoForm. In entrambi i casi il ritorno elastico non è stato compensato.

Il processo di graffatura
Uno dei maggiori interessi di questo progetto era provare che i materiali AHSS sono formabili e possono essere graffati. Questo perché i pannelli esterni in classe-A sono visibili e le deformazioni causate dalla formatura e dalla graffatura sono attentamente analizzate. Giocano un ruolo fondamentale nell’industria automobilistica nell’attrarre l’attenzione di potenziali clienti. Per esempio la qualità della superficie e la sua perfetta finitura sono essenziali nel caso di auto di lusso prodotte in basso numero. Comunque sono fattori dominanti anche per vetture di fascia media di alta produzione. D’altrocanto, l’aspetto della superficie e il risparmio di materiale hanno un ruolo fondamentale nelle auto di fascia più bassa dove si possono avere enormi risparmi ad ogni grammo di materiale risparmiato. L’operazione di graffatura è stata simulata con AutoFormplus R6. Per questo progetto è stata scelto un processo di graffatura a rullo con robot. In questo processo un robot industriale è usato per condurre il rullo di graffatura e deformare le flange dalla posizione aperta alla posizione graffata (Figura 4). La graffatura a rullo è una soluzione molto flessibile che usa un’attrezzatura con un costo significativamente inferiore rispetto ai più classici processi di graffatura su tavolo piano ed inoltre permette di gestire diversi modelli di vettura. AutoForm-HemPlannerplus permette due approcci, definiti simulazioni “quick hemming” e “advanced hemming”. Le simulazioni di quick hemming sono usate nelle prime fasi dello sviluppo prodotto e nella impostazione della produzione, quando non sono ancora disponibili le geometrie degli stampi di imbutitura e formatura. L’advanced hemming è usato nella definizione avanzata del processo di graffatura quando la geometria degli stampi è stata definita. L’accuratezza della simulazione risulta così incrementata tenendo conto della storia delle deformazioni subite dal materiale nel corso delle diverse operazioni di formatura. Tenuto conto di questo Costa ha spiegato: “Le possibilità fornite da AutoForm-HemPlannerplus si adattano perfettamente alle necessità di questo progetto. L’advanced hemming è stato usato per validare il processo d graffatura cioè: validare la progettazione, controllare che le operazioni di graffatura non causassero deformazioni delle superfici o rotture sulla linea di chiusura.  Il software ha validato sia il percorso della rotella valutando possibili difetti sia il ritorno elastico dei componenti assemblati”. Sia l’esterno sia l’ossatura sono stati importati con la completa storia delle deformazioni subite durante il processo con i reali valori di assottigliamento, inspessimento, tensioni e deformazioni dovute al ritorno elastico prima della operazione di graffatura. Sono state simulate tre passate di rotelle, la prima a 60° di apertura, la seconda a 30° e la passata finale a flangia completamente chiusa (Figura 5). La deformazione del materiale che compare durante il processo di graffatura può portare a variazioni dimensionali ed ad altri tipici difetti di graffatura tra cui rotture e grinze nella flangia, sovrapposizione di materiale negli angoli ed effetti di rullatura. I risultati della simulazione effettuata con AutoForm-HemPlannerplus mostrano rullatura, fessurazioni e assottigliamenti della flangia (Figura 6). Questi valori sono simili per tutti e tre i materiali AHSS utilizzati.  Questi tipici problemi sono stati rilevati nelle zone attese. Grinze nella flangia graffata compaiono negli angoli esterni dove il materiale tende ad accumulare effetti di compressione. Gli angoli interni dove la flangia graffata è in allungamento mostrano una tendenza alla rottura. AutoFormplus R6 ha dato risultati accurati che sono stati confermati nella realtà sulle parti graffate.

Difetti estetici e valutazione dimensionale
Usando AutoFormplus R6, i difetti estetici degli elementi assemblati possono essere facilmente individuati. La Figura 7 sottostante mostra differenze nella curvatura del pannello e lo stoning digitale che permette una facile visualizzazione delle imperfezioni della superficie. Questo metodo emula il movimento avanti ed indietro della pietra sulla superficie esterna del pannello stampato. Tutti i pannelli usati per il test sono stati scanditi con un rilevatore ottico prima della graffatura e questa procedura è stata ripetuta sull’assemblaggio dopo graffatura. Le scansioni prima e dopo il processo di graffatura sono state comparate con i risultati delle simulazioni del software AutoForm. Variazioni dimensionali, ritorno elastico e altri problemi che possono essere state causati dal processo di graffatura sono stati attentamente valutati. L’assemblaggio è stato accuratamente ispezionato alla ricerca di rotture, fessurazioni, assottigliamenti inspessimenti e qualsiasi altro difetto della superficie.

Conclusioni
Questo progetto ha dimostrato che gli acciai AHSS sottili usati come pannelli esterni delle parti mobili possono essere correttamente graffati e che questa è una strada e percorribile per ottenere risparmi di peso nelle parti mobili automobilistiche.  La graffatura di acciai sottili AHSS usati nei pannelli esterni non ha mostrato errori dimensionali maggiori di quelli che vengono solitamente riscontrati nella graffatura di parti mobili con i comuni acciai dolci da imbutitura. “I risultati ottenuti dal team sono stati eccezionali ed il software AutoFormplus R6 allineato con i risultati reali ha dimostrato di essere un valido strumento per lo sviluppo del progetto fin dalle sue prime fasi. Questo progetto va oltre i confini della normale implementazione di acciai AHSS e getta una nuova luce sul loro utilizzo in parti graffate di parti mobili” ha detto Giovanni Costa. “Noi abbiamo ottenuto nuovi traguardi per la graffatura e siamo felici di vedere che gli acciai AHSS possono essere utilizzati efficacemente nel settore molto difficile delle parti mobili. Noi siamo confidenti che il suo ulteriore utilizzo porterà benefici tangibili nella disponibilità di soluzioni più leggere per le parti mobili che potranno contribuire fino al 30% dell’alleggerimento complessivo del veicolo”.

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