Engatillado mediante conformado electromagnético

Abstract

This thesis develops a new application for the Electromagnetic Forming (EMF) technology: the autobody and white panels hemming operation for aluminium alloys. It is a completely new application for this high speed forming technology so the main variables governing this new hemming process had to be identified. After the identification, a more exhaustive experimental plan was designed to evaluate the possibilities of the EMF technology for hemming applications and the experiments were carried out. Quality parameters like crack appearance or conventional hemming quality defects were selected and analyzed to evaluate the input variables. The main goal of this study is to provide an alternative hemming process for the automotive industry. Due to the required precision and quality on the hemming process and the complexity of the parts, most of the bending, flanging and hemming dies are designed based on experience and on lengthy and costly die tests. Besides, cracking problems arise when hemming light alloys like aluminum. The EMF is a high speed forming technology providing especially good results when used for aluminum alloys. So this study aims to develop and characterize a new and more agile hemming solution that saves time as well as money without damaging the quality of the hem joint, especially when using aluminum alloys. The study can be divided in three parts. The first part is devoted to define and analyze the apparently main input variables of this process. After the first experiments two conclusions come up. The first one establishes the possibility to obtain quality hemmed parts using the EMF technology. The second one is the identification of the main variables. The less influent ones are ruled out. The basic concepts for designing EMF hemming coils were established. The second part is the experimental one. After identifying the main variables of the EMF hemming process, an experimental plan was designed and carried out to develop this new hemming technology. The results were analyzed. Material changes associated to the deformation process were analyzed to finish with this second part. The quality obtained with the conventional hemming processes was matched adjusting the input EMF hemming variables. This quality was established analyzing the process output parameters. This result takes on a higher relevance if we consider that the process time has been reduced and the pre-hemming operation eliminated. A hemmability increase was observed for the alloy used in this thesis. The samples hemmed using the EMF technology have less damage compared to the mechanically hemmed ones for the same final geometry. The inertial effects of the EMF produce a larger distribution of the total deformation around the hemming union instead of concentrating it on the edge. On the third part a new finite element simulation was developed and validated. There is no commercial software simulating the EMF process. The solution reached consists on using an un-coupled simulation method to transfer the electromagnetic pressure from the electromagnetic software to the mechanical software to obtain the deformations. This methodology has been and agile solution for the simulation of the EMF bending and hemming processes giving satisfactory results when comparing with the experimental samples.

Tesi honetan Konformatu Elektromagnetikorako (EMF) aplikazio berri bat garatzen da: automozio karrozeriako kanpoko piezen kakoztadura (“engatillado”) aluminiozko aleazioentzat. Garapen hau guztiz berria izanik, ez dago aurretik egindako ikerketarik. Ondorioz prozesu berri honen bariableak zeintzuk diren ezagutzeko lehen azterketa bat egin da. Bariable nagusiak aukeratu ondoren plan experimentala gauzatu zen EMF-ak kakozteko dituen gaitasunak aztertzeko. Aukeratutako eta ondorioz aztertutako irteerako parametroak kalitatearekin zerikusia dute. Kakoztadura, automozioko kanpo piezei bereziki aplikatutako prozesua denez, exijitutako kalitatea oso altua da. Lan honetan gaur egun automozio industriak dituen kakoztatzeko prozesu mekanikoentzat alternatiba bat bilatzen da. Prozesu mekaniko hauek “puesta a punto”-rako denbora asko behar dute eta gainera arazoak dituzte aluminioa bezelako pisu gutxiko aleazioak kakozterako orduan. EMFa aluminioarekin bereziki ondo funtzionatzen duen abiadura handiko deformazio prozesu bat da. Ikerketa honen helburu nagusia kakozteko prozesu berri eta azkar bat garatu eta karakterizatzean datza. Hau dena aluminiozko piezekin sortzen diren arazoak murriztuz eta beti pieza tipo honi eskatzen zaien kalitate maila mantenduz. Garapen prozesu honen barruan hiru fase nagusi bereiztu dira. Lehenengoan EMFrako aplikazio berri honetan parte hartzen duten bariable desberdinak aztertu dira. Lehenengo fase honetatik bi ondorio atera dira. Lehenengoa EMF teknologiaren baliotasuna ezartzea izan da aluminozko piezak kakoztatzeko. Bigarrena influentzia gehien duten bariableak aukeratzea eta influentzia gutxienekoak baztertzea izan da. Bukaerako kalitate parametroetan influentzia gehien duten bariable horiekin plan experimentala diseinatu da eta bukaeran ondorioak atera dira. Bigarren fasearekin amaitzeko, teknologiaren ondorioz materialeak jasandako aldaketak bai propietate mekanikoetan zein mikroestrukturan aztertu dira. Aztertutako EMF bariableak ondo ajustatuz, prozesu mekanikoekin lorturiko kalitate bereko kakoztadurak lortu dira EMF-z. Kalitate hori prozesu irteerako parámetroak neurtuz ezarri da. Lorpen honek garrantzia handiagoa dauka pre-kakoztadurako operaziorik gabe gauzatu dela kontutan hartzen bada, prozesu denbora murriztuz. Erabilitako aluminiozko aleazioan kakoztadura ahalmenaren haundiagotze bat nabarmendu da EMF teknologia erabiltzerakoan. Bukaerako geometria berbererako, EMF-z kakoztutako piezak min estruktural gutxiago dute mekanikoki kakoztutakoak baino. Fenomeno hau EMF teknologian agertzen diren efektu inertzialen ondorio bat da. Efektu hauek deformazioaren distribuzio desberdin bat egiten dute prozesu mekanikoak baino zona haundiago batetan. Hirugarrengo fasean elementu finitozko simulazio metodo berri bat garatu eta balioztatu da. Gaur egun ez dago software komertzialik EMFa simulatzeko kapazidadea duenik. Ondorioz bi softwarekin desakoplaturiko simulazio metodo bat garatu da. Batak parte elektromagnetikoan sorturiko presioak kalkulatzen ditu eta bigarrenak parte mekanikoan sorturiko deformazioa. Garatutako simulaziozko prozedura hau soluzio azkar eta efiziente bat suertatu da EMF-ren bidezko bai tolestaketa zein kokaztadura prozesuak simulatzeko, lorturiko erantzunak experimentu fisikoetatik oso gertu egonik.

Esta tesis desarrolla una nueva aplicación para la tecnología del Conformado Electromagnético (EMF): el engatillado de piezas de piel exterior de carrocería para aleaciones de aluminio. Al tratarse de una aplicación novedosa para la tecnología del EMF no existe ningún estudio anterior a éste. Ello implica una primera identificación de las variables que gobiernan este nuevo proceso de engatillado. Una vez identificadas esas variables, se realizó un plan experimental más exhaustivo que permitió evaluar las posibilidades de la tecnología del EMF para el engatillado. Los parámetros de salida que se han seleccionado y analizado son aspectos de calidad exigidos por la industria como aparición de grietas y defectos propios del engatillado. Al tratarse de un proceso orientado principalmente a piezas exteriores de automoción la calidad exigida es muy elevada. La problemática que se aborda es la de proporcionar a la industria automovilística en particular y a la del transporte en general, un proceso alternativo a los actuales métodos convencionales de engatillado mecánico. Estos procesos actuales, además de necesitar largos tiempos de puesta a punto, dan problemas de agrietamiento a la hora de engatillar aleaciones ligeras como el aluminio. El EMF es una tecnología de deformación a alta velocidad que funciona especialmente bien con las aleaciones de aluminio. El objetivo final de este estudio es el de desarrollar y caracterizar un proceso de engatillado más ágil, que reduzca los problemas que tienen las aleaciones de aluminio para ser engatilladas, sin perjudicar la calidad final del producto. Se han distinguido tres fases principales en el desarrollo. La primera fase consta de un estudio preliminar en el que se han definido y posteriormente analizado las posibles variables de entrada del nuevo proceso. De esta primera fase se extraen dos conclusiones. Por un lado se establece la posibilidad de obtener piezas engatilladas por EMF de calidad aceptable. Por otro lado se ha realizado una selección de las variables de menor y mayor influencia en los parámetros de salida del engatillado por EMF y se han establecido las bases para el diseño de bobinas eficientes. Una vez seleccionadas las variables de entrada más influyentes se ha diseñado un plan experimental para conocer y poder desarrollar esta nueva tecnología de engatillado. Posteriormente se han realizado los experimentos y se han analizado los resultados obtenidos. Para completar esta segunda fase se han comparado los cambios sufridos por el material tanto en la microestructura como en las propiedades mecánicas al ser engatillado por las distintas tecnologías. Se han conseguido engatillar por EMF uniones con los mismos parámetros de calidad final que las obtenidas por los métodos convencionales de engatillado ajustando las variables de entrada. Dicha calidad se ha establecido mediante el análisis de los parámetros de salida. Este hecho cobra mayor importancia si se tiene en cuenta que se ha eliminando la operación de pre-engatillado y reducido el tiempo de proceso. Se ha observado un aumento en la engatillabilidad de la aleación de aluminio estudiada al utilizar el EMF. Teniendo la misma geometría antes y después del engatillado con ambas tecnologías, las muestras engatilladas por EMF presentas un daño menor que las engatilladas mecánicamente. Esto se debe a los efectos inerciales que se producen en el EMF que hacen que la deformación no se concentre en el extremo de la unión sino que se distribuya en una zona mayor. La tercera fase se ha dedicado al desarrollo y validación de una herramienta de simulación. Al no disponer de ningún programa comercial capaz de simular el proceso del EMF, se ha desarrollado un método de simulación desacoplado entre dos programas. El primero calcula las presiones generadas en la parte electromagnética y un segundo la deformación sufrida en la parte mecánica. Dicha metodología ha resultado ser una solución ágil para la simulación tanto del doblado como del engatillado por EMF que además da resultados próximos a los obtenidos experimentalmente.