Warm tube hydroforming of 6082 aluminium alloy

Abstract

Nowadays, the requirements demanded to many of the parts used in such industries as the aeronautic or the automotive industry are increasingly higher: more complex shapes, previously unimaginable, lower and lower radii, impossible geometries, etc., all of this combined with high values of mechanical strength, corrosion resistance, impact absorption, fatigue resistance, etc. In addition, the increasingly more severe environmental regulations regarding the minimization of the CO2 emissions as well as the increase in energetic efficiency claim for lightweight materials able to lighten the currently known structures without penalizing their mechanical properties, i.e., materials of high specific mechanical properties. High specific strength steels, some aluminium alloys and some magnesium alloys are within this category. All of these materials answer properly the requirements of high mechanical properties and low weight; however, all of them exhibit a low formability at room temperature, so they are not able to answer the current geometric requirements. To answer both requirements simultaneously (high mechanical properties and complex geometries), new advanced forming process to manufacture materials of high mechanical properties have been researched; that is the case of the hydroforming processes. Strategies of increasing forming temperature are used in order to increase the formability of the materials of high specific strength; in the case of the previously mentioned processes, this leads to the so-called Warm Hydroforming (WH). It is a process currently under research so the development and improvement possibilities are many: identification of optimal process parameters, development of working methodologies, optimization of process times, identification of process control strategies, etc. Thereby, this thesis answers some of those development and improvement possibilities of Warm Tube Hydroforming processes (WTHF); the research is focused on the application of those kinds of processes to 6xxx series aluminium alloys (6082 alloy to be precise) in a tubular format; these alloys have high specific mechanical properties and they are currently used in the automotive industry. The correct characterization of the material to be formed is a key factor for the development and improvement of WTHF processes. Therefore, in order to understand better the material behaviour, in the first stage of this research the manufacturing process of the raw material is analysed and its dimensional tolerances are verified; besides, the material is also characterized by means of conventional testing techniques: hardness, uniaxial tensile test and microstructural analysis. In a parallel way, that alloy is characterized by means of a specific test for hydroforming processes: the so-called bulge test, hydraulic bulge test or biaxial free expansion test, where an incremental analytical model is applied to calculate the thickness of the tube. The differences observed between the results achieved by means of the uniaxial and the biaxial way show the need to develop specific hydroforming tests for material characterization. On the other hand, that characterization is carried out for different material conditions of thermal treatment, thickness, strain rate and temperature. This helps to the selection of the optimal forming conditions for this alloy: annealed condition, 2 mm thickness and 250ºC temperature. In a second stage, in order to predict the maximum formability of the material in the process (without failure), different failure criteria representative of the material and the process are applied to the finite element analysis (FEA) of the thermo-mechanical problem; this analysis allows to identify the values of the input variables of the process as well as the optimal control strategies. Besides, by means of the application of different analysis procedures to simple problems (bulge test) and complex problems (WTHF process) a simulation methodology is developed for these kinds of processes. In a parallel way, thanks to the acquired knowledge of material and simulation, different numerical models and analysis strategies are developed for the FEA of WTHF processes. Once the inputs of the process are obtained through FEA, they are applied to the hydroforming of a generic part of aluminium alloy. By means of an iterative trial-and-error process, a working methodology is developed for these kinds of processes as well as the optimal values of the process variables and the control strategies are identified. Finally, once the desired part is achieved, through the comparison of the FEA prediction and the experimental results, the validity and accuracy of the numerical models developed for WTHF processes is discussed.

Gaur egun, aeronautika eta automobilgintza sektoreetan erabiltzen diren pieza askori eskatzen zaizkien eskakizunak geroz eta zorrotzagoak dira: geroz eta forma konplexuagoak, lehen imajinaezinak, geroz eta erradio nabarmenagoak, ezinezko geometriak… Horri guztiari beste hauek ere gehitu behar zaizkio: erresistentzia mekaniko altua, korrosioarekiko erresistentzia, inpaktu xurgatzea, nekearekiko erresistentzia… Halaber, CO2 isurketak gutxitzera eta energi eraginkortasuna hobetzera bideratutako ingurumen arauek pisu gutxiko materialak eskatzen dituzte, gaur egun ezagutzen ditugun egiturak arintzeko gai izango direnak, baina propietate mekanikoak galdu gabe: erresistentzia espezifiko handiko materialak. Hain zuzen ere, azken multzo horren barruan erresistentzia handiko altzairuak, hainbat aluminio aleazio eta hainbat magnesio aleazio daude. Material horiek guztiek egoki erantzuten dizkiete propietate mekaniko handiak eta pisu gutxi izateko eskakizunei; aitzitik, giro tenperaturan konformagarritasun txikia dute eta ondorioz, ez dira gai gaur egungo eskakizun geometrikoei erantzuteko. Bi eskakizun hauei batera erantzun ahal izateko (propietate mekaniko handiak eta geometria konplexuak), propietate mekaniko handiko materialen transformaziorako konformazio prozesu aurreratuak ikertu izan dira (eta ikertzen ari dira); hidrokonformazio prozesuaren kasua adibidez. Erresistentzia espezifiko handiko materialen eta konformagarritasuna handitzeko erabiltzen den estrategia, konformazio tenperaturaren igotzea dira. Aurretik aipatutako prozesuen kasuan honek, tenperatura moderatuetan hidrokonformazio izena hartzen du. Gaur egun, ikerketa fasean dagoen prozesu bat denez, garapen eta hobekuntza aukerak asko dira, hala nola: prozesuetako parametro hoberenak identifikatzea, lan metodologien garapena, teknologia honen bidez konformatu daitezkeen material hoberenak identifikatzea, prozesu zikloen optimizazioa, prozesua kontrolatzeko estrategiak identifikatzea,… Zentzu honetan, tesi honek Warm Tube Hydroforming (WTHF) prozesuen garapen eta hobekuntza aukerei erantzuten die; azterketa tutu-formako 6xxx serieko (zehazki 6082) aluminio aleazioei aplikatutako prozesu motetan zentratzen da, propietate mekaniko espezifiko handiko aleazio motak direlako, eta baita, automobil-industrian erabiltzen direlako ere. WTHF prozesuak garatu eta hobetzeko gakoetako bat konformatu beharreko materialaren karakterizazio egokia egitea da. Hortaz, bere portaera hobeto ulertzeko, hasiera batean materiala lortzeko prozesua ikertzen da eta bere perdoi dimentsionalak egiaztatzen dira; halaber, ohiko entseguen bidez karakterizatzen dira: gogortasuna, trakzio uniaxiala eta mikroegituren azterketa. Modu paraleloan, aleazio hau hidrokonformazio prozesuen entsegu espezifiko bidez karakterizatzen da: hedapen libreko entsegu biaxiala edo bulge test, zeinetan metodo inkremental bat aplikatu behar den hodiaren lodiera kalkulatzeko. Modu uniaxialan eta biaxialan lortutako emaitzen artean antzematen diren ezberdintasunek, prozesu hauetarako materialaren karakterizazio entseguak garatzeko beharra erakusten dute. Beste alde batetik, karakterizazio hau egiten da materialaren tratamendu termiko, gogortasunerako, deformazio abiadura eta tenperatura ezberdinetan egiten da. Honek aleazio hau konformatzeko baldintza hoberenak aukeratzen laguntzen du: suberaketa egoera, 2 mm-ko lodiera eta 250ºC-ko tenperatura. Hurrengo etapan, materialak prozesuan gehienez ere izango duen deformazio ahalmena aurreikusteko xedearekin (akatsik gabe), materialaren eta prozesuaren erakusleak izango diren akatsari buruzko hainbat irizpide inplementatzen dira arazo termomekanikoa den analisi horretan, elementu finituen bidez; analisi horrek aukera ematen du prozesuaren sarrerako aldagaien balioak eta kontrolerako estrategia ezin hobeak identifikatzeko. Halaber, azterketak egiteko hainbat prozedura aplikatuz, bai problema errazei (bulge test) bai problema konplexuei (WTHF prozesua), simulazio metodologia bat garatzen da prozesu mota hauetarako. Paraleloki, materialaren eta simulazioetatik jasotzako ezagutzarekin, WTHF prozesuen azterketarako eredu numerikoak eta simulazio estrategiak garatzen dira. Behin prozesuaren sarrerak simulazio bidez jaso ondoren, aluminio aleaziozko pieza generiko bati hidrokonformazioa aplikatzen zaio. Akats-proba prozesua errepikatuz, prozesu mota honetarako lan metodologia bat garatzen da, eta prozesu hau gauzatzeko aldagaien balio eta estrategia ezin hobeak identifikatzen dira. Azkenik, nahi dugun pieza lortutakoan, simulazioaren bidez lortu ditugun aurreikuspenak eta emaitza esperimentalak konparatuz, WTHF prozesuetarako garatutako eredu numerikoen baliagarritasuna eta zehaztasuna aztertzen dira.

Hoy en día, los requerimientos exigidos a muchas de las piezas empleadas en sectores tales como el aeronáutico o el de automoción son cada vez mayores: formas cada vez más complejas, anteriormente inimaginables, radios cada vez más pronunciados, geometrías imposibles,… todo esto unido a elevados valores de resistencia mecánica, resistencia a la corrosión, absorción de impacto, resistencia a fatiga,… Asimismo, las cada vez más exigentes normativas medioambientales relativas a la reducción de emisiones de CO2 así como al incremento de la eficiencia energética, demandan materiales de bajo peso capaces de aligerar las estructuras actualmente conocidas sin detrimento de sus propiedades mecánicas, es decir, materiales de elevada resistencia específica. Dentro de este último grupo se encuentran los aceros de alta resistencia, ciertas aleaciones de aluminio y ciertas aleaciones de magnesio. Todos estos materiales responden adecuadamente a los requerimientos de elevadas propiedades mecánicas y bajo peso; sin embargo, todos ellos presentan una baja conformabilidad a temperatura ambiente, con lo que no son capaces de responder a los requerimientos geométricos actuales. Para conseguir dar respuesta a ambos requerimientos simultáneamente (elevadas propiedades mecánicas y geometrías complejas), nuevos procesos de conformado avanzados para la transformación de materiales de elevadas propiedades mecánicas han sido (y siguen siendo) investigados; tal es el caso de los procesos de hidroconformado. Para elevar la conformabilidad de los materiales de elevada resistencia específica se acude a estrategias de aumento de la temperatura de conformado; en el caso de los procesos anteriormente mencionados, esto da lugar a lo que se conoce como hidroconformado a temperaturas moderadas. Por tratarse de un proceso actualmente en fase de investigación, las posibilidades de desarrollo y mejora son varias, entre ellas: identificación de parámetros de proceso óptimos, desarrollo de metodologías de trabajo, identificación de materiales óptimos para ser conformados mediante esta tecnología, optimización de ciclos de proceso, identificación de estrategias de control del proceso,… En este sentido, esta tesis da respuesta a varias de esas posibilidades de desarrollo y mejora de los procesos Warm Tube Hydroforming (WTHF); el estudio se centra en la aplicación de este tipo de procesos a las aleaciones de aluminio de la serie 6xxx (en concreto, la 6082) en formato tubular, por tratarse de aleaciones de elevadas propiedades mecánicas especificas así como por utilizarse actualmente en la industria de la automoción. Una de las claves para el desarrollo y mejora de los procesos WTHF es la correcta caracterización del material a conformar. Por tanto, de cara a comprender mejor su comportamiento, en una primera etapa se estudia el proceso de obtención del material y se verifican sus tolerancias dimensionales; asimismo, se caracteriza a través de ensayos convencionales: dureza, tracción uniaxial y análisis microestructural. De manera paralela, esta aleación se caracteriza a través de un ensayo específico de los procesos de hidroconformado: el ensayo biaxial de expansión libre o bulge test, para el cual es necesario la aplicación de un método incremental de cálculo del espesor del tubo. Las diferencias observadas entre los resultados alcanzados de manera uniaxial y biaxial muestran la necesidad del desarrollo de ensayos de caracterización de material específicos para este tipo de procesos. Por otro lado, esta caracterización se lleva a cabo para diferentes condiciones de tratamiento térmico del material, espesor, velocidad de deformación y temperatura. Esto ayuda a la selección de las condiciones óptimas de conformado de esta aleación: estado recocido, 2 mm de espesor y 250ºC de temperatura. En un segunda etapa, de cara a predecir la capacidad máxima de deformación del material en el proceso (sin fallo), diferentes criterios de fallo representativos del material y del proceso se implementan en el análisis por elementos finitos del problema termomecánico; este análisis permite identificar los valores de las variables de entrada de dicho proceso así como las estrategias de control óptimas. Asimismo, a través de la aplicación de diferentes procedimientos de análisis tanto a problemas sencillos (bulge test) como a problemas complejos (proceso WTHF) se desarrolla una metodología de simulación para este tipo de procesos. Paralelamente, apoyándose en el conocimiento de material y de simulación adquirido, se desarrollan diferentes modelos numéricos y estrategias de simulación para el análisis de procesos WTHF. Una vez obtenidas las entradas del proceso mediante simulación, se aplican al hidroconformado de una pieza genérica en aleación de aluminio. A través de un proceso iterativo prueba-error se llega al desarrollo de una metodología de trabajo para este tipo de procesos así como a la identificación de los valores de las variables y de las estrategias óptimas para llevar a cabo este tipo de procesos. Por último, una vez obtenida la pieza deseada, a través de la comparación de la predicción hecha por la simulación con los resultados experimentales, se analiza la validez y precisión de los modelos numéricos desarrollados para los procesos WTHF.