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

2/13

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

11/13

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

12/13

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)

fabio.lenzi5@unibo.itgiampaolo.campana@unibo.it

dir.quality@proterm.it