Geometrical accuracy improvement in flexible roll forming process by means of local heating

Abstract

In the last decade the tendency to reduce vehicle weight due to rising fuel prices and environmental requirements, have pushed two main trends of research in the field of vehicle structure manufacturing. On the one hand, the development of new high strength steels allowed to reduce weight and increase the structural performance of vehicles. However, these materials exhibit low formability and high springback effect at room temperature, making dificult to form high strength steel accurate parts. For all these reasons it is necessary to develop exible and consumer-oriented manufacturing processes in order to allow the manufacturing of accurate parts in an economic way. In this context, the flexible roll forming process was developed, which combines all the advantages of conventional roll forming, allowing to manufacture continuously, profiles with variable cross section along its longitudinal direction. However, the flexible roll forming process is still under development and characteristic geometrical error of the process must be solved. Therefore, the current dissertation proposes and studies the reduction of geometrical errors created during the manufacture of flexible profiles using a thermo-mechanical process called heat-assisted flexible roll forming. Three have been the main fields of research conducted for this purpose. In the first section of the present dissertation, the quasi-static mechanical behavior of three ultra high strength steel sheets (MS1200, CP800 and DP600) and a soft steel sheets (DC01) are characterized by means of uniaxial tensile tests. These materials are used to validate the numerical models developed during the thesis. On the other hand, the CP800 material, selected to perform heat-assisted flexible roll forming experiments, is mechanically characterized at high temperatures. In order to determine the microstructural changes that take place and identify possible deformation mechanisms at high temperatures, the microstructure of the specimens tested at high temperature are analyzed by optical microscopy and X-ray diffraction methods. In the second section, numerical models of the conventional roll forming process and heat assisted flexible roll forming process are developed. Numerical models are used to develop and optimize the heat assisted flexible roll forming process. However, in order to check the reliability of the models, conventional roll forming trials results are compared with numerical results. In the last section, heat assisted flexible roll forming experiments are carried out using the flexible roll forming machine developed within the European Proform project. The results show a significant decrease of the web warping when the flexible profile is heat assisted.

Ibilgailuen pisua gutxitzeko joera garbia izan da azken hamarkadan, ingurugiroarekiko legediak eta arrazoi ekonomikoak bultzatuta. Helburu horrek ibilgailuen egitura nagusien ikerkuntza bi norantza nagusitan bideratu du. Batetik, material arinen azterketan eta garapenean, eta bestetik, material berri horiek eraldatzeko prozesu berritzaleen ikerkuntzan. Alde batetik, erresistentzia espezifiko handiko materialeen erabilerak ibilgailuen pisuaren jaitsiera eta ezaugarri estrukturalen hobekuntza ekarri du. Halere, material hauek oso konformabilitate baxua eta errekuperazio elastiko handia dutenez, zaila egiten da geometrikoki forma egokia duten profilak ekoiztea. Arrazoi horiek guztiak direla eta, ekonomikoa den eta kontsumitzaileari egokituriko fabrikazio prozesu berrien garapena beharrezkoa egiten da. Ingurumari honetan, eta eskakizun guzti horiei erantzuna emateko, profilaketa arruntaren abantaila guztiak eta sekzio aldakorreko profilak sortzeko aukera uztartzen dituen prozesu berria sortu da, profilaketa aldakorra. Halere, profilaketa aldakorra oraindik garapen prozesuan izanik, prozesua berarenak diren akats geometriko bereziak konpontzeko beharra dago. Horregaitik, doktorego tesi honetan, akats geometriko horiek gutxitzeko helburuarekin, termikoki lagunduriko profilaketa aldakorra izeneko irtenbide termiko-mekanikoa proposatzen eta ikertzen da. Hiru ikerketa lerro nagusi jarraitu dira helburu hori lortzeko asmotan. Ikerkuntza lan honen lehenengo atalean, erresistentzi altuko hiru altzairuren (MS1200, CP800 eta DP600) eta altzairu arrunt baten (DC01) karakterizazio mekanikoa burutu da, trakzio saiakuntza kausiestatikoak burutuz. Material horiek doktoradutza tesian zehar garatu diren eredu matematikoak egiaztatzeko erabili dira. Bestalde, CP800 altzairua, termikoki lagundutako profilaketa aldakorreko esperimentazioa burutzeko aukeratua izanik, tenperatura altuetan ere mekanikoki karakterizatu da. Tenperaturak mikroegituran duen eragina eta eman daitezkeen deformazio mekanismoak aztertzeko asmotan, tenperatura altuetan entseatutako probetak mikroskopio optikoaz eta X-izpien difrakzioaz aztertu dira. Bigarrengo atalean, profilaketa arruntaren eta termikoki lagundutako profilaketa aldakorraren eredu matematikoak garatu eta egiaztatu dira. Eredu matematikoen emaitzak helburu horretarako sortu den profilatzeko makina arrunt batetan buruturiko entsegu esperimentalen emaitzekin aldaratu dira. Bestalde, entsegu hauek profilaketa prozesuan materialaren gogortasunak nola eragiten duen aztertzeko ere balio izan dute. Azkenik, termikoki lagunduriko profilaketa aldakorreko entsegu esperimentalak burutu dira, Proform Europear proiektuan zehar garatutako profilaketa aldakorreko makinan. Lortutako emaitzek akats geometrikoen hobekuntza adierazgarri bat erakusten dute, sekzio aldakorreko perfila termikoki lagundua izan denean.

En la última década la tendencia a reducir el peso de los vehículos debido al encarecimiento de los combustibles y a los requerimientos medioambientales han marcado dos principales vías de investigación en el campo de la fabricación de estructuras para vehículos. Por un lado, el desarrollo de nuevos aceros de alta resistencia ha permitido la reducción del peso y el aumento de las prestaciones estructurales de los vehículos. Sin embargo, estos materiales presentan una baja conformabilidad y una gran recuperación elástica a temperatura ambiente, dificultando el conformado de piezas de acero de alta resistencia geométricamente precisas. Por todo ello, se hace necesario el desarrollo de procesos de fabricación flexibles y orientados al consumidor que permitan el conformado de piezas geométricamente precisas de una forma económica. En este contexto, se ha desarrollado el perfilado flexible o de sección variable, donde se combinan todas las ventajas del perfilado convencional, permitiendo la fabricación de forma contínua de perfiles con secciones cambiantes a lo largo de su dirección longitudinal. Sin embargo, al ser un proceso de fabricación todavía en proceso de desarrollo, existen errores geométricos característicos del proceso que deben ser resueltos. Por todo ello, en la presente te sis se propone y estudia la disminución de los errores geométricos creados durante la fabricación de perfiles flexibles mediante un proceso termo-mecánico, llamado perfilado flexible asistido térmicamente. Han sido tres las principales vías de investigación llevadas a cabo para para conseguir este objetivo: En un primer apartado, se ha caracterizado el comportamiento mecánico de tres tipos chapas de acero de ultra alta resistencia (MS1200, CP800 y DP600) y chapas de acero de embutición convencional (DC01), mediante ensayos de tracción uniaxial cuasi-estáticos. Estos materiales, han sido empleados para validar los modelos numéricos desarrollados durante la tesis doctoral. Por otro lado, el material CP800, elegido para realizar ensayos de perfilado flexible asistido térmicamente, se ha caracterizado mecánicamente a altas temperaturas. Con el objetivo de determinar los cambios microestructurales e identificar los mecanismos de deformación a altas temperaturas, se han analizado las microestructuras de las probetas ensayadas mediante microscopia óptica y difracción de rayos X. En un segundo apartado, se han desarrollado y validado modelos de simulación numérica del proceso de perfilado convencional y perfilado flexible asistido térmicamente. Los resultados de los modelos numéricos han sido contrastados mediante ensayos experimentales realizados en una perfiladora convencional desarrollada con este objetivo. Por otro lado, los ensayos de perfilado convencional han servido para determinar la influencia de la resistencia del material en los diferentes parámetros de proceso analizados. Los resultados de la simulación del proceso de perfilado asistido termicamente han servido para optimizar el proceso y la estrategia de calentamiento utilizada. En el último apartado, se han realizado ensayos experimentales de perfilado asistido térmicamente, en la perfiladora flexible desarrollada en el seno del proyecto Europeo Proform. Los resultados obtenidos, muestran una significativa disminución del error en la base del perfil, cuando el perfil flexible ha sido asistido térmicamente.