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Documento PDF - Università degli Studi di Padova

1. elettrica 44 3 5 Analisi mediante programma FLUX 47 34 220 CONUSUTAZIONE del Test aaa be 55 3 7 Situazione AU da 57 ct Eolie 58 Verse EUST CUN 61 PRN Es vaa ill naar 63 Sub OSEE E 65 Sommario Il fenomeno dell elettroplasticit ossia l aumento di plasticita di alcuni materiali sottoposti a stress fisico e contemporaneamente percorsi da elevata corrente impulsiva sta diventando negli ultimi anni un argomento di grande interesse In Italia nessun centro di ricerca se non pochissimi si ancora cimentato lasciando far strada a Universit di Paesi come Cina Russia e Stati Uniti Ecco perch si deciso di fare richiesta per un PRAT Progetto di Ricerca di Ateneo all interno del Dipartimento di Ingegneria Industriale che coinvolga Ingegneria Elettrica Meccanica e dei Materiali con lo scopo comune di iniziare una seria ricerca scientifica in questo ambito La bibliografia dal punto di vista elettrico su esperimenti sull elettroplasticit gi svolti da equipe estere risulta molto approssimativa se non addirittura lacunosa Prima d intraprendere le sperimentazioni si reso necessario uno studio pi accurato di tale aspetto Si cercando quindi di far luce sulla predisposizione e il design di questi sistemi sperimentali con l obiettivo finale di progettarne per nostri test fut
2. 2 3 2 T 1 321 2 4 Per evitare possibili problemi di saldature indesiderate alle basi e per ragioni di convenienza realizzativa si pensato di fornire la tensione agli estremi della lamina mediante calze in rame fissate al campione con delle viti e non pi alla basi d appoggio Se consideriamo di applicare la tensione alle estremit del pezzo i valori cambiano leggermente Con J 30A mm L o da plJ S 0 72 127 10 30 0 864 12 38 880W 2 5 880 0 864 12 38 I n 3204 0 72 127 1073 2 6 880 2 7 Con J 20A mm P 5 391W 2 8 Ps 213 213 2 9 f 2 75V 2 10 25 2 3 Scelta e caratteristiche della macchina adottata La macchina scelta preliminarmente come possibile alimentatrice piegatrice un prototipo di puntatrice che riproduce il funzionamento del banco di saldatura in dotazione alle macchine industriali Mesh Line BB e Mesh Line BC destinato alla produzione di per cemento armato costruita dall azienda Schnell SpA di Montemaggiore al Metauro PU Fig 2 7 Puntatrice selezionata L alimentazione trifase 400V 50Hz La tensione di funzionamento dei circuiti ausiliari di 24VDC La conversione dell energia elettrica effettuata mediante un inverter a media frequenza tipo 1506RW prodotto dalla Tecna di Castel San Pietro BO alime
3. durata periodo 20s 30s 60s densit 30A mm durata impulso 2s Wa 38 1mm Top Platen Punch with insulation Sheet Specimen Electrical Cable Adjustable Bending Die with insulation Insulation Load Cell Bottom Platen Fig 2 6 Configurazione del test 4 2 2 Analisi dell esperimento Per effettuare 1 calcoli preliminari presentati nel seguito stato necessario decidere che materiale adottare in modo da definire le sue caratteristiche fisiche Si scelto lo stesso metallo dell esperimento precedentemente descritto acciaio AISI 304 304 stainless steel Le sue propriet fisiche principali e le percentuali dei suoi componenti sono riportate nella Tabella 2 1 e Tabella 2 2 23 Tabella 2 1 Caratteristiche fisiche peculiari dell acciaio AISI 304 ACCIAIO AISI 304 Permeabilit magnetica Tabella 2 2 Composizione fisica dell acciaio AISI 304 Simboli Silicio lt 0 030 Si proceduto con una valutazione analitica per determinare alcuni parametri ancora incogniti Se si considera l applicazione della tensione alle basi d appoggio e la configurazione del pezzo ancora allo stato di riposo si ottiene 127mm Wa 50 6mm 5 a b 0 864 12 38 mm 10 70mm 0 720 mm m J 304 mm 24 Wa P p pw4 5 0 72 50 8 10 302 0 864 12 38 352W 5 2 2 PS 880 0 864 12 38 I 321A 0 72 50 8 107
4. 1 5 107 0 012 2 0012 0215 gt 1 5 1 17 0 203 10 m 1 373 10 m 3 7 C y V A0 P At 3 8 500 8000 1 373 10 AQ 1000 Ar 3 9 O EN 3 10 Ar 5 492 3 3 Macchinario test di trazione A differenza di quanto scelto nel primo test descritto nel precedente Capitolo non si pu pi adottare un unico macchinario E necessario assemblare due macchine come hanno fatto gli autori delle esperienze prese come riferimento uno per applicare le forze di deformazione al provino e uno per fornire la corrente impulsiva adeguata Per quanto concerne la selezione del macchinario atto a creare le forze di stress sul pezzo si verificata la disponibilit di attrezzatura del laboratorio d Ingegneria Meccanica stata scelta la MTS 322 Test Frame Si tratta di una macchina per effettuare prove di trazione ed impiegata dal gruppo di ricerca del laboratorio di Net Shape Forming Il modello in dotazione Hydraulic wedge grips 647 10 riportato in Fig 3 5 in grado di esercitare lungo l asse verticale una forza statica di 120kN e una forza dinamica di nostro interesse di 100kN non raggiungibili nella pratica in quanto la cella di carico adoperata di tipo piezoelettrico ha come limite massimo di funzionamento 50kN La pressione idraulica necessaria al funzionamento del sistema di presa del campione e di trazione viene fornita al circuito dall alimentatrice Hydraulic Grip Supplies 685 prodotta sempre dall MTS Norm
5. Np la densit di dislocazioni n la densit di elettroni e la densit di corrente Durante l EPR la velocit di movimento del bordo dato da M Me 2 87 6 dove la mobilit del bordo funzione della temperatura T la temperatura assoluta una costante l energia di attivazione del bordo di migrazione e la costante dei gas L effetto di tutte e tre le forze in gioco determinante per la velocita di movimento del bordo Gli studi mostrano come P e Pan crescano rapidamente Grazie quindi alla maggiore energia immagazzinata e alla maggiore velocita la ricristallizzazione dinamica avvenire a basse temperature gt 17 18 2 Test di piegatura Come primo esperimento da replicare si scelto la piegatura di una lamina di acciaio puro effettuato da Salandro e la sua equipe presso la Clemson University di Greenville USA nel 2012 4 Dalle pubblicazioni del test sono stati raccolti 1 seguenti dati tecnici Thermal Prexs Temperature d use re rs Prat E Force amd s Lum Gum n DAL r vem Fig 2 1 Schema funzionale del test di EPB 4 21 Dati dell esperimento scelto Campione Materiale acciaio puro 304 Dimensioni 12 38mm x 0 864mm x 127mm tagliato lungo la direzion
6. e 30A mm Periodo p 60s 30s 20s e 15s Impulso At 25 3s Isolante per isolare elettricamente il macchinario sono stati usati quattro pezzi di fibra di vetro sull incisore sui due dadi di appoggio del pezzo entrambi in tensione e tra la base e la cella di carico Sono 1 componenti color rosa distinguibili in Fig 2 6 Misurazioni Forza Posizionato al di sotto dei supporti del campione vi un sensore capacit 22250N con risoluzione 4 45N per registrate istantaneamente il valore della forza applicata Temperatura Camera a infrarossi FLIR Le temperature massime misurate nella prova con impulso di durata 2s sono state 115 C con 20A mm e 335 C con 30A mm Test condotti Verifica modello densit 20 A mm 30A mm Wa 38 1mm durata impulso 2s durata periodo 30s Effetto densit di corrente sulla forza densit 20 A mm 30A mm wa 38 1mm 50 8mm durata impulso 2s durata periodo 30s Effetto densit di corrente sullo springback densit 0 20 A mm 30A mm durata impulso 2s durata periodo 30s wa 38 1mm 22 Effetto dura impulso sulla forza Effetto dura impulso sullo springback Effetto periodo pulsazione sulla forza Effetto periodo pulsazione sullo springback durata impulso 2s 3s densit 30A mm durata periodo 60s Wa 38 lmm durata impulso 2s 3s densit 30A mm durata periodo 30s Wa 38 lmm durata periodo 20s 30s densit 30A mm durata impulso 2s Wa 38 lmm
7. 540A 48 ISOVAL NO VACUUM 33 H17E 3 31 828 3 29 B39E 3 27 BS1E 3 25 B62E 3 23 B73E 3 21 884E 3 19 896E 3 17 907E 3 15 918E 3 13 928 3 11 941E 3 9 952E 3 d p o a gt D n n amp 5 8 H o D i amp 7 963E 3 AS 3 986E 3 1 997E 3 8 268E 6 Fig 3 9 Simulazione FLUX distribuzione della densit di corrente in transient magnetic della lamina con applicazione dell impulso di 1s di 540A Individuata e simulata la situazione piu spinta che per il momento ci si prefigge d attuare sotto il profilo elettrico si procede con l analisi termica Anche il riscaldamento che il campione avr sotto queste condizioni sar il pi critico Prima di giungere a questa configurazione si vogliono esaminare altre situazioni meno gravose ipotizzando durate dell impulso di 20ms 200ms 0 5s e 1s La Fig 3 10 che si riferisce ai risultati della prima di queste evidenzia lo scarso aumento di temperatura appena qualche grado rispetto alla temperatura ambiente ipotizzata di 20 C nonostante l ipotesi aria a convenzione naturale coefficiente di scambio termico pari a 10W m K I risultati della prova con riscaldamento per 200ms viene vengono mostrati in Fig 3 11 Si vede che la temperatura come prima non costituisce un parametro influente restando nettamente sotto 1 60 C Superiore il riscaldamento del campione dopo il passaggio di 540A di corrente per mezz
8. 6 16 Ringraziamenti Al relatore prof ing Michele Forzan Al tecnico di laboratorio ing Marco Bullo Al prof ing Renato Gobbo Alla prof ssa ing Stefania Bruschi Alla prof ssa ing Irene Calliari Al dottorando attivo nel laboratorio di Net Shape Forming ing Michele Novella All ing Ezio Toffano All ing Luca Gandolfi e all ing Mirco Rancan della Powerel s r l A tecnico di laboratorio di Net Shape Forming ing Stefano Girardi 63 64 Bibliografia 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 H Conrad Electroplasticity in metals and ceramics Materials Science and Engineering Department Campus Box 7907 North Carolina State University Raleigh NC 27695 7907 USA Materials Science and Engineering A pag 276 287 2000 H Conrad Some effects of an electric field on the plastic deformation of metals and ceramics Springer Verlag Mat Res Innovat 2 pag 1 8 Marzo 1998 L Guan G Tang P K Chu Recent advances and challenges in electroplastic manufacturing processing of metals Journal of Materials Research Vol 25 N 7 Luglio 2010 W A Salandro C Bunget L Mears Electroplastic modeling of bending stainless steel sheet metal using energy methods Clemson University International Center for Automotive Research Automotive Engineering Greenville SC 29607 Journal of Manufacturing Science and Engineering Vol 133
9. al tempo di assenza corrente Tutte queste tempistiche risultano regolabili al millisecondo tra Os e 1s Ovviamente Os una situazione ideale e anche settando tale valore non si riscontrer un impulso perfetto ma limitato dalle caratteristiche costruttive della macchina Nel funzionamento ad impulsi c il vincolo massimo di 9 impulsi per ogni operazione di saldatura In base all analisi del manuale condotta non possibile ripetere gli stessi test precedentemente elencati Questo non significa che non si possono effettuare esperimenti sull EP con questa saldatrice anzi se ne possono fare anche di migliori Le principali limitazioni emerse sono due quella del 23 numero d impulsi 9 il massimo per ogni lavoro il tempo di assenza corrente massimo 15 La prima non sembra essere un vincolo in quanto nell esperimento di riferimento se ne contano all incirca 4 per ogni piegatura Quindi 9 dovrebbero essere pi che sufficiente permettendo anche test piu interessanti con la possibilit anche del doppio d impulsi Le prove con periodi di 60s utilizzano infatti 4 impulsi quelle invece con periodi di 20s ne contano 7 Questo sommando anche il limite del tempo di attesa sembra compromettere irrimediabilmente l esperimento C per da dire che ci stiamo riferendo ad una saldatrice accoppiata con una macchina per test di piegatura Tale macchinario ha tempistiche di lavoro molto lente 6 35mm min Non nota la velocit di disce
10. di garantire l isolamento anche con tensioni dell ordine di migliaia di Volt Ovviamente buone sono anche le sue propriet d isolante termico Restano comunque due incognite che tale materiale resista alla compressione delle morse ovvero che mantenga le prestazioni descritte e che il campione non scivoli durante la trazione Per scongiurare questi dubbi sono stati fatti alcuni test di trazione preliminari Coinvolgendo solo l MTS si provato a trazionare assieme all ingegnere Michele Novella alcuni provini standard interponendo tra il campione e le morse 1 blocchetti di legno adeguatamente tagliati e sagomati Si cos constatato per mezzo di un multimetro digitale il corretto mantenimento delle propriet d isolante elettrico e dall elaborazione dei dati meccanici il perfetto mantenimento del pezzo Il posizionamento degli elettrodi non pu essere lo stesso effettuato nei test di riferimento ovvero all interno delle pinze per l afferraggio Lo spazio a disposizione tra le morse non sufficiente perch trovino posto provino due strati d isolante e capicorda del cavo di alimentazione elettrodo Senza dover ricorrere all acquisto di nuove prese meccaniche si consiglia l inserimento tra le morse del provino e dei due strati di legno posizionando gli elettrodi esternamente Questi potrebbero essere allocati all estremit della zona a sezione ridotta 12mm magari imbullonandoli direttamente al campione Sorge a
11. elemento mettere in funzione la macchina per verificarne le prestazioni con tentativo di misura della corrente realmente erogata dalla macchina soprattutto in vista del fatto che ci si trover a lavorare nelle vicinanze del suo limite inferiore realizzando simulazioni del riscaldamento del provino in base ai tempi di erogazione di corrente della saldatrice determinare 1 possibili materiali da adottare per i provini al fine che non si raggiungano temperature elevate interpellare la ditta produttrice del controllo TE700 per la possibile modifica di esso in modo da ottenere periodi del segnale d impulso pi lungi almeno 5 105 a misura accurata delle tempistiche di accostaggio e piegatura del pezzo ovvero velocit d avanzamento del braccio con lo scopo di calcolare successivamente i tempi da impostare nel controllore TE700 realizzazione di un piano di lavoro e di un incisore simile a quello proposto nel Capitolo 2 ipotizzare d effettuare l esperimento col campione immerso in olio di raffreddamento Una volta che si saranno intrapresi 1 primi esperimenti si consiglia come obbiettivi futuri di passare allo studio del Titanio e delle sue leghe Come gi esposto le criticit nella formabilit che tale materiale ha rendono molto interessanti soluzioni alternative all uso di processi a calore Ancor pi rilevanti e anche audaci sarebbero studi sullo stampaggio del Titanio coadiuvato da corrente impulsiva
12. moduli sar necessario verificare come reagir il nuovo filtro e il controllo mediante analisi con oscilloscopio Ci hanno avvertito che il controllo permette l impostazione della durata dell impulso anche di qualche millisecondo senza modificare 1 filtri ma essendo la costante RC troppo alta non c il tempo di caricare e scaricare la capacit del filtro Il filtro non verr sostituito ma soltanto modificato non gravando cosi sul costo dell operazione Se si considera l attivazione del modo pulsato e la modifica del filtro unici interventi ad essere veramente necessari secondo il sottoscritto da considerarsi solo il costo della trasferta da Vicenza fino a Padova e della manodopera quantificabile in 30 l ora Tenendo conto che il lavoro comprender solo poche ore il costo dell operazione risulter irrisorio stato inviato l ordine del taglio dei provini ad una ditta esterna all Universit che realizza tagli al laser I campioni avranno le dimensioni del provino di Fig 3 21 In prima battuta saranno in acciaio 304 il metallo usato nelle simulazioni poi si proceder con lo studio del titanio Con la conclusione di questo elaborato cessa anche il mio contributo al progetto Proseguir il lavoro da me avviato la dottoranda russa Elizabeta Lisa Beridze giunta apposta dall Universit di Novosibirsk Novosibirsk State University Siberia Russia per effettuare nei successivi mesi esperimenti e studi sul fenomeno dell
13. 041008 1 Agosto 2011 J Mai L Peng Z Lin X Lai Experimental study of electrical resistivity and flow stress of stainless steel 316L in electroplastic deformation State Key Laboratory of Mechanical System and Vibration Shanghai Jiao Tong University Shanghai 200240 China Materials Science and Engineering A pag 3539 3544 journal homepage www elsevier com locate msea 26 Gennaio 2011 X Liu S Lan J Ni Experimental study of Electro Plastic Effect on Advanced High Strength Steels S M Wu Manufacturing Research Center Department of Mechanical Engineering University of Michigan Ann Arbor MI 48109 USA Materials Science amp Engineering A pag 211 218 journal homepage www elsevier com locate msea 21 Aprile 2013 Powerel s r l current rectifiers Manuale uso e manutenzione raddrizzatori RF RP SM RR RH e strumenti DE10 DE40 DESO DE60 revisione Gennaio 2012 www powerel it Poewerel s r l powerelectronic Scheda tecnica SM 06000 010 raddrizzatore di corrente switching www powerel it TECNA S p a Controllo di saldatura TE700 dalla versione software n 1 13 MAN 4146 Aprile 2010 www tecna net Caratteristiche tecniche serie SM www powerel it IT serie8 M php Tanga J Zhanga Y Yana W Fang The engineering application of the electroplastic effect in the cold drawing of stainless steel wire a Electron Microscopy Laboratory School of Materials
14. 2 C e che grazie al raffreddamento forzato il riscaldamento sar piuttosto uniforme Fig 3 1 Dimensioni del provino 6 39 Specimen Electrical cable Mica Grips Copper electrodes Fig 3 2 Preparazione dell esperimento 6 True stress MPa 0 0 05 0 1 0 15 02 0 25 True strain Fig 3 3 Diagramma forza applicata deformazione che mostra l EPE con applicazione di 4 impulsi di durata 1s con densit di corrente di 30A mm 6 3 1 Dati dell esperimento di riferimento Xun Liu e la sua equipe hanno effettuato diverse prove applicando al campione diversi valori di densit di corrente Il valore massimo raggiunto stato approssimativamente di 30A mm con un tempo di durata dell impulso pari a 1s E con questa configurazione che si sono ottenuti i risultati migliori Si vogliono citare due prove in particolare evidenziati da due cornici nella Tabella 3 1 40 Le analisi hanno portato ad evidenziare che con densit di corrente pari a 15 3A mm e durata dell impulso di 4s risultano applicati al pezzo durante la deformazione 4 impulsi Questi hanno prodotto 4 riduzioni di sforzo da parte della macchina quantificabili approssimativamente in 70MPa 95MPa 115MPa e 90MPa Applicando invece 29 7A mm per il tempo di 15 le riduzioni sono ben pi maggiori 120MPa 205MPa 285 e 265MPa Risultano essere circa il doppio rispetto a prima Fig 3 3 Osservando i risultati ottenuti dalla seconda prova 30
15. 25 n 7 Luglio 2010 ricevuto 17 Novembre 2009 accettato 1 Marzo 2010 H Conrad A F Sprecher Dislocations in Solids ch 43 ed F R N Nabarro New York Elsevier Science 1989 pag 497 MTS Systems Corporation MTS Series 647 Hydraulic Wedge Grips Product Information Axial Grips Axial Torsional Grips All Temperature Grips Eden Prairie Minnesota USA 2000 MTS Systems Corporation MTS Series 685 Hydraulic Grip Supply Product Information Model 685 10 685 22 685 60 Eden Prairie Minnesota USA 2000 66
16. 30 200 00 KA 000 30 200 00 005 0 100 0 005 0 100 0 00 20 20 00 Y 00 20 20 00 Y 000 20 600 00 KW 000 20 600 00 KW 00000 60000 J 00000 60000 J 30 QUALITY THICK THICK MIN 00 00 60 00 mm THICK 00 00 60 00 mm QUALITY IDENT IDENT MIN 0 000 6 000 mm IDENT 0 000 6 000 mm QUALITY ZERO QUALITY PRE 60000 uOhm RMAX PRE 0 60000 uOhm QUALITY R RMIN POST 0 60000 uOhm RMAX POST 0 60000 RMIN PRE RMAX PRE RMIN POST RMAX POST QUALITY R PRE POST QUALITY ZERO Inoltre per ognuno di questi controlli sono disponibili particolari regolazioni Viene riportata la Tabella 2 3 riassuntiva di queste particolarit per il primo funzionamento IK in quanto essere quello di nostro maggiore interesse al momento Da tale tabella s evince che il valore minimo di corrente di saldatura imponibile pari a 300A rendendo possibile il test per il campione scelto con densit di corrente di 30A mm In questo tipo di funzionamento risulta disponibile la modalit ad impulsi adatta a realizzare l esperimento Nella tabella sono riportati anche 1 valori limite di settaggio dei tempi del segnale d alimentazione Il tempo di saldatura pu essere regolato nel range 1ms 2s l ideale per noi Sono configurabili anche i tempi di salita e discesa della corrente oltre che
17. A mm si vede come negli ultimi impulsi l EPE sia maggiore questo perch la deformazione del pezzo durante la prova si manifesta con la riduzione della sezione nel tratto centrale e ci visto che si alimenta a corrente costante causa un aumentando la densit di corrente reale Per entrambi 1 test sono riusciti ad avere all incirca la stessa temperatura dimostrando quindi l esistenza dell EPE Si ritiene che dal punto di vista elettrico 1 test siano stati limitati dal tipo di alimentatore usato una saldatrice Probabilmente questa non consentiva regolazioni fini del duty cycle della corrente Sarebbe molto interessante riprendere gli esperimenti da tale configurazione procedendo poi con tempi d impulso pi brevi da centinaia fino anche all ordine delle decine di millisecondi Riducendo tali tempi si potranno avere periodi inferiori rispetto a 10s in quanto l effetto del riscaldamento sar minore Tabella 3 1 Condizioni dell esperimento 6 Experimental conditions 1 2 Current density A jmm 0 TA 5 30 153 222 257 Pulse duration s 4 1 1 1 Pulse period 5 o 10 10 10 Highest temperature tC 24 28 30 41 3 2 Analisi dell esperimento Si effettuata una valutazione analitica come gia fatto per la tipologia di test precedente al fine di determinare alcuni parametri ancora incogniti Dopo uno studio del pezzo e della morsa della macchina si ipotizza l applicazione della tensione all estremita della zona a sezione ridotta consi
18. Science and Engineering Tsinghua University Beijing 100084 PR China b The Metallurgical Research Institute of Capital Iron and Steel Co Beijing 100083 PR China Journal of Materials Processing Technology Vol 137 pag 96 99 journal homepage www elsevier com locate msea 2003 Tang J Zhang M Zheng J Zhang W Fang P Q Li Experimental study of electroplastic effect on stainless steel wire 304L a Department of Material Science and Engineering Tsinghua Uni6ersity Beijing 100084 People s Republic of China b The Metallurgical Research Institute of Capital Iron and Steel Co Beijing 100085 People s Republic of China Materials Science and Engineering A281 pag 263 267 journal homepage www elsevier com locate msea 2000 ricevuto 16 Novembre 1998 ricevuto in rivista dal 7 Ottobre 1999 L Guan G Tanga Paul K Chub Recent advances and challenges electroplastic manufacturing processing of metals a Advanced Materials Institute Graduate School at Shenzhen Tsinghua University Shenzhen 518055 China and Department of Physics and 65 14 15 16 Materials Science City University of Hong Kong Kowloon Hong Kong China b Advanced Materials Institute Graduate School at Shenzhen Tsinghua University Shenzhen 518055 China c Department of Physics and Materials Science City University of Hong Kong Kowloon Hong Kong China Materials Research Society Vol
19. UNIVERSITA DEGLI STUDI DI PADOVA CORSO DI LAUREA MAGISTRALE IN INGEGNERIA ELETTRICA TESI DI LAUREA MAGISTRALE DESIGN DI UN SISTEMA SPERIMENTALE PER PROVE DI ELETTROPLASTICITA RELATORE PROF MICHELE FORZAN DIPARTIMENTO DI INGEGNERA NDUSTRIALE LAUREANDO MARCO MAGAROTTO ANNO ACCADEMICO 2012 2013 Indice iena 5 Acronimi abbreviazioni e traduziIonl1 7 io Jy i uuu 9 Possibili appHcaziont 1ndustr al an 10 Obi 12 Ts Teornesull eletttoplIastI6Itd 225 15 I sull helle 16 1 2 syiluppatein tempi DIU TEC usina 17 2 West Pe FI 19 2k Datrdelrespermento Ot tia did 19 2 2 yXtalisr dell esperimento 23 2 3 Sceltae caratteristiche della macchina adottata 26 24 Analisi mediante programma FLUX 32 25 Contreurazione della macchina dsd 34 2 6 Problemi nell utilizzo della macchina saldatrice 36 5 Test 417321078 39 3 1 esperimento dr riterimeblto ais 40 2 Analis d esperen 41 24 acchinarto testdi TAZIONE nes 43 3 4 Sceltae caratteristiche
20. _1 ircuit Power Active CURRENTSOURCE_1 W 0 00060 500 0E 6 1 000 100E 3 1 500E 3 250 0E0 500 0E0 750 0E0 1941 842E0 W LI ee ee elf 500 0E 6 1 000 1 100E 3 1 500 3 2 000 3 2 500 3 Circuit Voltage CURREN TSOURCE_1 V 49 Circuit Current CURRENTSOURCE_1 A TIME Circuit Power Active C URRENTSOURCE_1 W TIME Fig 3 7 Caratteristica della tensione corrente e potenza in funzione del tempo SENSOR_4 SENSOR_4 30 0086 SENSOR_4 Module m 8 g B 8 m 15 0068 10 0066 5 000 E6 gt 500 0E 6 1 000 3 1 500E 3 2 000E 3 2 500E 3 TIME Fig 3 8 Caratteristica della densita di corrente A m nel baricentro in funzione del tempo La simulazione effettuata ha messo in evidenza la distribuzione della densita di corrente nel campione vedi Fig 3 9 Essa si accentua dopo il restringimento ai bordi laterali della lamina In successione viene evidenziato il valore della densit di corrente assunto all interno della lamina nel suo baricentro durante l impulso confermando ci che gi stato detto La Fig 3 8 mostra invece l andamento della densit di corrente in un punto specifico del pezzo nel baricentro durante tutto Parco della simulazione Il massimo della densit di corrente si attesta sui 30A mm confermando l esattezza della scelta della corrente d impulso di
21. a con applicazione dell impulso di 1s di 540A 51 Le caratteristiche dell acciaio adottato sono gia state riportate in Tabella 2 1 mentre per l altro acciaio si riportano ora alcune caratteristiche fisiche in Tabella 3 4 Da tali dati si pu facilmente verificare la considerevole differenza di resistivit 0 72 10 m l1 __ 1 Orc 536 10 PasHH 0 1866 10 Omm m 3 11 Tabella 3 4 Caratteristiche fisiche peculiari dell acciaio ASHH a 25 C ACCIAIO ASHH Unit di Proprieta Simbolo Valore misura x Det ___ p _ Conducibilit elettrica __ _ ISOVAL 1 925 459 993 2527 060 29141 128 662 196 730 263 193 331 865 399 932 466 000 Temp TCelsius in CELSIUS DEGREE Fig 3 14 Simulazione FLUX distribuzione della temperatura C in transient termic della lamina in acciaio ASHH con applicazione dell impulso di 1s di 540A 52 Per controllare la veridicit dell esperimento di riferimento si deciso di simulare l effetto termico di un impulso che determina la densit di corrente di 30A mm sempre di 540A in quanto variata la resistivit ma non la sezione sostanzialmente di durata un 1s I risultati sono esposti in Fig 3 14 Come previsto la temperatura non supera i 61 C Le simulazioni fatte precedentemente per valutare la temperatura massima che il campione pu raggiungere durante le possibili prove non sono suffici
22. alit di funzionamento dell inverter di tipo attivo L unit durante il processo in grado di rilevare condizioni anomale come un non perfetto contatto delle lamiere da saldare presenza d impurita tra 1 pezzi da saldare presenza di shunt nelle vicinanze degli elettrodi e usura di essi Una volta individuate una o pi condizioni anomale l unit di controllo in grado di modificare dinamicamente il processo di saldatura per effettuare una compensazione delle stesse La compensazione del processo di saldatura avviene con un allungamento del tempo di saldatura fino ad un limite massimo definibile dall utente Si ha quindi la regolazione della corrente di saldatura con lo scopo di ottenere una saldatura pi corretta possibile O 8 Tabella 2 3 Parametri regolabili della saldatrice nel funzionamento a IK 9 RANGE VALORE PROGRAMMA MODO LAVORO MODO CONTROLLO QUALITY T QUALITY R ACCOSTAGGIO1 ACCOSTAGGIO PRESSIONE FORGIATURA PRES FORG PRE SALDAT PRE CORR T FREDDO 1 SALITA COR SALDATURA CORRENTE T FREDDO 2 M IMPULSI SALDATURA 2 CORRENTE 2 DISCESA COR T FREDDO 3 POST SALDAT POST CORR MANTENIMENTO PAUSA MODO CONTROLLO LIM MIN LIM I MAX MODO CONTROLLO LIM RO MIN LIM RO MAA MODO CONTROLLO LIM V MIN LIM V MAX MODO CONTROLLO LIM P MIN LIM P MAX MODO CONTROLLO LIM E MIN LIM E N O 0001 2000 ms E 5 DD 99 cicli 000
23. almente con tale macchinario vengono effettuate prove su due tipi di campioni a forma laminare e a tondino La professoressa Stefania Bruschi ha fornito le dimensioni del primo campione normalmente impiegato per le prove di trazione standard del DIMEG Osservando in Fig 3 4 il disegno tecnico quotato di questo si nota come sia molto simile al campione del test di riferimento Si ritiene per il momento che il provino che utilizzeremo avr tali dimensioni Nonostante il ridotto spessore del campione 1 5mm si prevedono gi difficolt nella predisposizione dell esperimento L apertura massima delle pinze in dotazione atte ad afferrare il provino si aggira intorno a 15mm Il che induce a pensare all impossibilit d inserire al loro interno provino elettrodi e piastre isolanti Ma questo argomento verr affrontato successivamente durante l analisi di configurazione del test 43 Fig 3 4 Disegno tecnico quotato in mm del provino normalmente usato dal DIMEG Fig 3 5 MTS 322 Test Frame 3 4 Scelta e caratteristiche dell alimentatrice elettrica Esclusa la possibilit almeno al momento d utilizzo della puntatrice precedentemente descritta si proceduto all analisi delle possibili macchine adatte allo scopo Le saldatrici sembrano essere le candidate migliori date la loro capacit di fornire elevate correnti anche impulsive per brevi periodi di tempo Non ne sono pero state trovate di altrettanto performanti all interno dei
24. derando per semplicita che la corrente fluisca solo in tale settore Si prende ad esempio per il momento lo stesso acciaio 304 adottato nel Capitolo precedente vedi caratteristiche in Tabella 2 1 Lunghezza tratto sezione ridotta 65mm Spessore lamina 1 5mm Larghezza lamina inferiore b 12mm Sezione ridotta S a b 1 5 12 mm 18 41 0 720mm m Resistivita elettrica Densit di corrente J 30A mm 5 PUTS 0 72 65 107 30 1 5 12 758W 84 pl 0 72 65 10 3 3 I 540 Considerando anche le altre parti che vengono percorse dalla corrente ovvero le zone di restrizione di sezione approssimando la loro proiezione a dei trapezi si ottengono 1 seguenti valori J 30A mm I rest _ 15 1 5 12 1 5 Sine en 20 25mm 3 4 72 0 Po 2 ret p 23584 2 I i 758 104 W 862W 3 5 media 20 25 3 6 I 540 Utile fare qualche conto termico preliminare al fine di valutare il riscaldamento della lamina causato dal passaggio della corrente Nonostante questa sia di tipo impulsivo quindi di breve durata si vedra come generi comunque un aumento di temperatura non trascurabile S ipotizza un riscaldamento adiabatico Calore specifico C 0 5J 8 C 5004 42 Densita 8000kg m Volume interessato si considerano anche le zone di restrizione di sezione approssimando la loro proiezione a dei trapezi V 0 065
25. e Se invece viene fatta scorrere perpendicolarmente alla direzione del foro gli studi hanno che non si avranno aumenti di plasticit per la superficie del foro risulter di maggiore qualit Di conseguenza risulta essere molto interessante anche lo studio degli effetti che producono diverse configurazioni elettriche per differenti prove meccaniche Possibili applicazioni industriali Alcuni processi industriali di tipo tradizionale come la trafilatura la laminatura e lo stampaggio utilizzano il calore per ridurre le forze in gioco durante la lavorazione I processi a caldo hanno lo svantaggio che richiedono molto tempo molta energia e lavori differenziati in diversi passi riscaldamento riscaldamento intermedio e ricottura Inoltre la richiesta di temperature abbastanza alte porta ad un probabile stress termico deformazione e la riduzione nel controllo della tolleranza Quindi i processi industriali elettroplastici si pongono come obiettivo di semplificare la lavorazione e di aumentarne l efficienza mantenendo inalterate le caratteristiche dei prodotti Gli studi sulla trafilatura elettroplastica electroplastic drawing EPD hanno messo in evidenza una riduzione del 25 della forza necessaria rispetto al processo classico per quanto riguarda una lega di magnesio Anche esperimenti su fili di Cu W e acciaio puro hanno dato buoni risultati mostrando l influenza della polarit della corrente nel processo Anche l EP applicata alla lami
26. e del ripple garantisce inoltre la completa ed intrinseca protezione contro 1 cortocircuiti accidentali ed anche permanenti che si possono verificare sul carico durante il normale funzionamento della macchina Le uscite sono completamente isolate sia dal lato alimentazione che dal lato segnali permettendo qualsiasi tipologia di collegamento tra macchine diverse Grazie alla connessione digitale possibile collegare il pannello di controllo remoto anche a centinaia di metri di distanza possibile inoltre avere pi unit di controllo della stessa macchina dislocate in posti diversi utilizzando un solo cavetto di connessione Principalmente 1 raddrizzatori a corrente continua sono utilizzati nel settore galvanico per lo sgrassaggio anodico e catodico per l elettro deposizione in particolari processi di depurazione e trattamento acque per impianti di cataforesi e per altre applicazioni meno comuni La macchina dotata del ment funzionale di base DEIO gli altri disponibili sono il DE40 DESO e DE60 utilizzato per 1 completo controllo del raddrizzatore Questo consente fondamentalmente la marcia l arresto la visualizzazione della corrente e della tensione Mediante il pannello di controllo quindi possibile fissare una corrente di uscita costante inferiore ai 6000A oppure un valore di tensione costante non superiore a 10V Se fosse cosi non ci sarebbe d alcun aiuto nel realizzare l esperimento di EP Leggendo attentamente il manuale del gene
27. e di laminazione Prova meccanica E stata impiegata una classica macchina per effettuare test di piegatura Forza sono riportati due coefficienti coefficiente di resistenza K e l esponente di sforzo d indurimento n che sostituiti all interno della formula sottostante assieme ad altri valori del campione possibile determinare la forza da applicare F5 per piegarlo di un determinato angolo a Il significato dei diversi termini comprensibile osservando i disegni geometrici della struttura di Fig 2 2 e Fig 2 3 19 wt 05 cos ysin K 2 E IA AEDEM NE in ut cos w 2 r T t sim gt 2 1 K 1275MPa n 0 51 w 12 38mm t 0 864mm Wa distanza tra 1 dadi d appoggio ry raggio della punta dell incisore u coefficiente di frizione Dai grafici degli esperimenti s evince che F ha come valore massimo circa 100N nella prova senza corrente applicata Profondit 15mm Velocita v 6 35mm min Dadi adottando due diverse distanze fra 1 punti d appoggio del pezzo w 38 1mm e 50 8mm sono stati in grado di effettuare test con diversi raggi di piegatura del pezzo con rispettivi angoli 91 5 e 109 La prima configurazione scelta da Salandro e il suo gruppo prevedeva per l appoggio e contatto elettrico del pezzo due mezzi cilindri di raggio 15 9mm a di Fig 2 4 Notarono pero che la piastra tendeva durante la prova a saldarsi ai sostegni aumentando la forza necessaria per la pie
28. elettroplasticit Ad essa stata illustrata dal sottoscritto la situazione e le stato fornito tutto il materiale necessario 57 3 8 Primi test suggeriti Come prima stato accennato risulta interessante sfruttare a pieno le maggiori capacita del nostra macchina alimentatrice rispetto a quella impiegata nella relazione di riferimento Si visto infatti che con tempi di passaggio della corrente di alcuni secondi 4s ci sono dei miglioramenti nella plasticit del pezzo ma non significativi quanto per il valore di 1s il quale risulta essere il valore limite inferiore dei test fatti Molti trattati sull EP mostrano ottimi risultati anche per tempi nell ordine delle decine di millisecondi Trattandosi per dei primissimi test che il nostro dipartimento si appresta a condurre su tale argomento consigliabile iniziare gradualmente non conoscendo ancora le reazioni del campione del generatore e degli altri macchinari Conviene procedere in prima battuta con una scelta della densit di corrente pi idonea 10 20 o 30A mm Da quel che si visto dovrebbe essere quella di valore maggiore ma e bene accertarsene sul campo Individuata la corrente che porta alla maggior riduzione di flow stress ci si pu inoltrare nell analisi delle tempistiche provando diverse durate d impulso elettrico 0 05s 0 1s 0 2s 0 35 0 45 e 0 5s e differenti durate d intervallo 10s e 5s monitorando come sempre il riscaldamento del campione Infatti ma
29. enga percorso da una corrente impulsiva con andamento simile a quello fornito in uscita dalla puntatrice al fine di comprendere al meglio il fenomeno vedi Fig 2 14 2 5 Configurazione della macchina La macchina cosi com non adatta a svolgere 1 test di elettroplasticit applicati alla piegatura Essa infatti progettata per saldare tra loro di acciaio che vanno a costituire l armatura del cemento armato La procedura prevede il posizionamento a croce di due sbarre Al di sotto come base e posizionato un elettrodo il secondo sta sopra all estremita di un braccio pneumatico 11 quale viene fatto abbassare andando a comprimere l intersezione dei tondini da saldare La Fig 2 15 mostra nel dettaglio la fase di saldatura la freccia rossa indica il movimento del braccio L idea quella di sfruttare questo movimento verticale del secondo elettrodo per realizzare la piegatura del campione Gli elettrodi invece vanno spostati dalla posizione attuale al fine di alimentare correttamente la lamina alle estremit come scelto precedentemente Sono state rilevate le geometrie del piano di lavoro della saldatrice e dei diversi componenti della macchina in modo da creare un modello CAD 3D della configurazione attuale vedi Fig 2 16 In tale disegno si vede la base rettangolare di lavoro stabile entro la quale bisogna restare Si successivamente studiata la possibile forma e dimensione dell incisore e delle basi Importante infatti as
30. enti Va ricordato che il test consiste in una serie d impulsi intervallati da periodi di riposo elettrico non meccanico Quindi vero che in questi frangenti si verifica un raffreddamento del corpo ma di quale entit Probabilmente non abbastanza per tornare alla temperatura ambiente 20 C Di conseguenza l ondata di corrente successiva provocher il raggiungimento di una temperatura massima superiore a quella dell impulso precedente e questo per tutti i periodi successivi fino alla fine della prova Sono state effettuate perci ulteriori simulazioni con FLUX ipotizzando l applicazione di quattro impulsi da 540A intervallati da 10s di pausa In Fig 3 18 riportato l andamento della temperatura nel baricentro del provino in funzione del tempo di prova ottenuto con impulsi di durata pari a 1s Si vede che la temperatura massima raggiunta di quasi 360 C EMPERATURA 30 DOEO 5 000E0 10 00E0 15 00E0 20 00 0 25 0080 30 38 0 Fig 3 15 Caratteristica della temperatura C al baricentro del provino in funzione del tempo impulso 0 1s intervallo 10s corrente 540A EMPERATURA B2 431E0 75 00E0 50 00E0 25 00E0 AA A o Reset 5 0000 10 00E0 15 00E0 20 0080 25 00 0 0 75 0 Fig 3 16 Caratteristica della temperatura al baricentro del provino in funzione del tempo impulso 0 2s inte
31. esso che insorgono durante le operazioni di formatura e di saldatura delle leghe di titanio in modo da consentire all industria di implementare fattivamente le nuove tecnologie wire feeding wire drawing machina Figura 0 1 Schema di un applicazione industriale dell electroplastic drawing EPD Figura 0 2 Schema di un applicazione industriale dell electroplastic rolling EPR hi ee electropulsing generator punch blankholder 5 pu cathode DIE gt die Figura 0 3 Schema di un applicazione Industriale dell electroplastic punching EPP Obiettivi L intento che PRAT si prefigge quello d intraprendere una serie di esperimenti sull argomento EP studiando i sui effetti e le sue possibili applicazioni industriali Come primo passo s intende prendere confidenza con la tematica e verificare la correttezza dei risultati esposti in litteratura replicando test gia condotti da altre Universita straniere Difatti quando si prova a leggere un articolo inerente l argomento elettroplasticita la prima cosa che salta all occhio la sua inconsistenza dal punto di vista elettrico dovuto probabilmente alla natura dei test di carattere prettamente metallurgico e meccanico La carenza d informazioni elettriche in questi lavori ha indotto prima di procedere alla replica degli esperimenti a studiare le possibili configurazioni ottimizzando al meglio gli strumenti e macchinari messi a disposizione dal Dipa
32. fornire di 10bar Valore teoricamente appena sufficiente alla piegatura Per mettere in movimento il braccio necessario alimentare il circuito ad aria compressa e questo possibile collegando alla macchina un compressore Quello in dotazione al laboratorio non in grado di fornire la massima pressione I valori raggiunti nei test condotti dall ingegnere Ezio Toffano con tale compressore risultano essere stati 5 5 8 5bar Inoltre l iniziale mancanza del manuale del controllo di saldatura TE700 e le difficolt nel suo reperimento non ha consentito di determinare la corrente minima fornibile L esperimento infatti richiede valori molto bassi 300A rispetto a quelli che normalmente fornisce la saldatrice Senza contare l incertezza sul tipo di segnale che la macchina fosse in grado di erogare Il rilievo della corrente di saldatura viene effettuato all interno della macchina mediante una sonda Rogowski Questo strumento consente pero la misura diretta di sole correnti alternate Probabilmente 1 costruttori hanno adottato questa soluzione economica affiancandola un algoritmo particolare riuscendo forse cosi ad ottenere una misura della corrente valida Di certo la non reale costanza della corrente di saldatura mette in dubbio 1 valori che vengono impostati Tutto questo ha spinto almeno in questa fase iniziale a cambiare le modalit dell esperimento rinunciando all utilizzo della puntatrice Successivamente grazie al suo reperimento si
33. gatura A causa del raggio degli appoggi troppo grande la velocita relativa tra il campione e gli appoggi era bassa permettendo di la saldatura in determinate circostanze Come soluzione adottarono basi a forma parallelepipeda con gli spigoli smussati aventi quindi un raggio inferiore b di Fig 2 4 Inoltre aggiunsero una pasta dielettrica sui punti di contatto tra provino e appoggi Fig 2 2 Modello semplificato delle forze di piegatura 4 20 Punch 8 8 Position mn 5 Smaller Corner Radius Position mm b Good Design Led to a single contact point and no welding Fig 2 4 Variazione delle basi 4 Corrente La corrente elettrica di tipo impulsivo stata fornita al pezzo durante la piegatura tramite una macchina saldatrice opportunamente modificata Lincoln R3R 500 Sfortunatamente gli autori non entrano nel merito di tali modifiche Anche se in base alle tempistiche in gioco secondi non si ritiene 21 che abbiano utilizzato software per il controllo della corrente molto probabilmente questo lavoro stato effettuato manualmente Sono stati effettuati diversi esperimenti con diversi valori dei parametri elettrici La Fig 2 5 vuole dare un idea qualitativa del tipo di segnale elettrico fornito al provino e spiegare la terminologia successiva Current density Time i Fig 2 5 Andamento richiesto della corrente elettrica Densit C J 20A mm
34. gatura Qui come era prevedibile la corrente si addensa nella parte superiore ovvero dove il tratto da percorrere pi breve Queste simulazioni non sono molto veritiere in quanto la macchina che s intende utilizzare non fornisce una corrente perfettamente continua in uscita e inoltre stata utilizzata la configurazione di alimentazione iniziale cio con le basi a fare da elettrodi Hanno consentito pero al sottoscritto d imparare l utilizzo del programma gradualmente Circuit Current GURRENTSOURCE 1 A Circuit 300 0 0 N 200 0E0 100 0 0 x x x 6 67993E0 490 151E 6 1 000E 3 1 500E 3 TIME Fig 2 13 Andamento della corrente con cui si sono fatte le simulazioni in transient magnetic ISOVAL 1 33 650 6 33 361 6 33 072 6 32 783E6 32 494E6 32 205E6 31 916E6 31 627E6 31 338E 31 049E6 30 760E6 30 471E6 30 182E6 29 893E6 E amp p gt p 4 D amp o 29 604E6 29 315E6 29 026E6 28 737E6 Fig 2 14 Simulazione FLUX distribuzione della densit di corrente A m in transient magnetic della lamina nella zona di piegatura all istante 0 0017s con l applicazione di 350A 33 Sotto l ipotesi di alimentazione del campione alle estremit sono state effettuate prove sia in condizione electric conduction che transient magnetic simulando in quest ultimo caso che il pezzo v
35. i lavorato a temperature alle quali si attivano nuovi piani di scorrimento che ne consentono l aumento di formabilit Tale vantaggio competitivo sfruttato da tempo nella forgiatura di componenti massivi e nella formatura superplastica di componenti in lamiera Per quello che riguarda invece lo stampaggio ad elevata temperatura di lamiere esistono diversi studi dedicati alle leghe leggere di Al e Mg e agli acciai che hanno permesso lo sviluppo di tale tecnologia su scala industriale mentre la sua applicazione alle leghe di titanio rimane ancora da esplorare Ad oggi sono stati effettuati esperimenti di formatura incrementale di lamiere in lega di titanio basate sempre sul riscaldamento utilizzando sorgenti laser oppure il passaggio di corrente Questi hanno prodotto alcuni risultati positivi sulla fattibilit di produzione di componenti in lamiera in lega di titanio Resta par ancora da verificare l applicabilit a geometrie complesse L aumento di temperatura contribuisce sicuramente al miglioramento della formabilit ma da un punto di vista metallurgico la formabilit plastica delle lamiere in lega di titanio strettamente correlata con la possibile formazione di bande di deformazione con al loro interno microvuoti che danneggiano il materiale e possono condurre alla frattura della lamiera Gli studi hanno evidenziato come la velocit di deformazione sia il parametro pi critico L EPR e l EPP applicate a tali leghe renderebbe possibi
36. il dove Dj il coefficiente di diffusione del reticolo k la costante Boltzmann la temperatura lo stress esterno e il volume dell atomo Kew il coefficiente della forza electron wind Jm l ampiezza della densit di corrente il numero di atomi del reticolo per unit di volume Z l effettiva carica degli atomi del reticolo possibile che gli effetti atermici riescano a compensare quelli termici nella propagazione di dislocazioni In una deformazione classica la distribuzione di difetti cristallini eterogenea e la resistivit elettrica sensibile alla composizione della microstruttura come dislocazioni lacune ecc Con la conduzione di corrente impulsiva durante la deformazione di metalli gli effetti termici e atermici sono pi forti a causa della maggiore resistivit locale e della forte deviazione di corrente nell area con difetti Questo prende il nome di effetto selettivo selective effect Nel caso di EP oltre alla pressione meccanica esercitata entrano in gioco altre due forze legate alla densit di corrente Py e Pan La prima si riferisce allo stress di compressione termico locale dato da 2aASgradT p in cui AS la differenza di entropia tra bordo di grano e cristallo 2a lo spessore del bordo di grano e il volume atomico Pai la forza di electron wind data da Pay pp Np en J dove pp Np la resistivita specifica per unit di lunghezza di dislocazione
37. ivisa potrebbe lasciar spazio all idea dell ing Stefano Girardi Nelle vicinanze ci si assicurati la presenza dell alimentazione richiesta dal generatore 400Vac senza neutro L ingegnere Stefano Girardi ha sollevato anche la questione di avere a disposizione un sistema d interruzione dell alimentazione della macchina piu intuitivo al fine di aumentare la sicurezza suggerendo di far installare un interruttore tipo fungo o teleruttore che questo sia permanentemente fissato al generatore non esterno e che fosse disponibile da entrambi 1 lati due teleruttori La Powerel ha fatto sapere che non vi spazio sufficiente per posizionare il teleruttore all interno della macchina si ritiene comunque che un unico dispositivo di sicurezza esterno sia pi che adeguato Come gi accennato l azienda Powerel gi stata contattata pi volte Hanno confermato che per disporre della modalit pulsata sufficiente che l attivino riprogrammando il software di controllo Con questo tipo funzione possibile generare impulsi con periodi compresi tra 15 e 16s e durate d impulso non inferiori al secondo Con tali valori per si visto che si hanno problemi di elevato riscaldamento Alla richiesta di ottenere impulsi di durata minore la Powerel ha proposto di rivedere i filtri in uscita della macchina Questa modifica consentir di raggiungere valori minimi da 1ms a 3ms anche se non avendolo mai fatto da loro prima d ora su una macchina a 6
38. izzazione della potenza erogata dall inverter il valore pu variare tra il 5 ed il 100 A valori maggiori della parzializzazione corrisponde un aumento della potenza erogata durante la saldatura La corrente effettivamente erogata dall inverter diventa in questo caso funzione di vari fattori e non risulta essere pi costante I fattori che possono influenzare la regolazione di corrente sono variazioni di resistenza nel materiale da saldare usura degli elettrodi variazioni nella geometria del circuito secondario fluttuazioni della tensione di linea Consigliabile nella saldatura di breve durata con grosse variazioni di resistenza oppure come dispositivo di riscaldamento del metallo Funzionamento con tensione secondaria costante VEK l unit saldatrice calcola il vero valore efficace RMS ogni millisecondo della tensione agli elettrodi ed in base ad un algoritmo mantiene costante il valore di tensione impostato La corrente erogata sar inversamente proporzionale alla resistenza del circuito secondario e del pezzo da saldare La corrente risulter essere indipendente dalle fluttuazioni della linea di alimentazione La tensione rester costante fino a che la corrente non raggiunger il valore CURR MAX impostabile altrimenti corrispondente al limite della macchina al fine di evitare danneggiamenti Funzionamento con potenza costante PWK ogni millisecondo verr calcolato l RMS della corrente e della tensione secondaria e attraverso
39. l esterno Ogni programma costituito da parametri programmabili che descrivono il ciclo di lavoro Il controllo inoltre consente l esecuzione di saldature con la regolazione di corrente di pre saldatura post saldatura slope e pulsazioni variabili SIT Tak Antepi Trigger T 4 4 1 1 i i a gt i i 1 CE m B 100 RO i z lI 7 5 3 OMS A 15 6200ms punt Ion Fig 2 9 Tipo di corrente fornita dalla puntatrice durante la saldatura IK 9 WADEIN ITALY Fig 2 10 Pannello di controllo del TE700 9 Consultando il manuale si scoperta appieno l enorme versatilita di tale saldatrice Sono possibili infatti diversi tipi di controlli 28 Funzionamento a corrente costante IK possibile impostare direttamente il valore di corrente con cui si vuole eseguire saldatura Durante la saldatura 11 controllo misura ogni millisecondo il vero valore efficace RMS della corrente di saldatura e in base ad un algoritmo matematico di correzione mantiene la corrente impostata valore massimo impostabile come corrente di saldatura risulta limitato automaticamente al livello massimo erogabile dal trasformatore impostato nel menu Funzionamento in FIX l unit saldatrice inverter non applica nessuna regolazione alla corrente erogata in saldatura L utente deve impostare la percentuale di parzial
40. l provino man mano che la deformazione ha luogo si riduce provocando l aumento di J Quindi nell esperimento con 1 diversi valori di densit di corrente s intendono quelli imposti all inizio del test quando la deformazione non ha ancora avuto luogo Comunque la variazione viene considerata accettabile poich inferiore all 896 La configurazione adottata visibile in Fig 3 2 e si nota come gli elettrodi in rame siano stati inseriti all interno delle presse idrauliche le quali garantiscono oltre che la presa del pezzo anche un migliore contatto elettrico tra elettrodi e provino Per isolare la testatrice elettricamente sono stati messi degli strati di mica tra le presse e gli elettrodi Al fine di mantenere l attrito per evitare lo scivolamento del pezzo durante la prova sono stati creati dei solchi lungo le piastre di mica Inoltre viene soffiata aria fredda sul pezzo al fine di ridurre il riscaldamento almeno sulla superficie La Fig 3 1 riporta le dimensioni del provino utilizzato congruente a quelli normalmente impiegati nelle prove di trazione Il punto grigio al centro della figura indica il posizionamento del sensore di temperatura termo coppia sulla superficie del pezzo Infatti prima di procedere con gli esperimenti gli autori dell articolo hanno effettuato delle simulazioni mediante programma COMSOL per valutare il riscaldamento del campione Hanno constatato che la temperatura massima nelle varie condizioni di lavoro non superer 16
41. le la produzione sostenibile di componenti e di prodotti assemblati in titanio che presentino elevate prestazioni raggiungendo gli obiettivi di riduzione dell energia e d impatto ambientale nel corso dell intero ciclo di vita del prodotto incrementando inoltre la sicurezza l affidabilit e la qualit delle parti formate e saldate per un assemblaggio facile economico ed affidabile Non quindi da sottovalutare l aspetto economico della ricerca in tale settore Basti pensare che in Italia l intera filiera tecnologico commerciale della lavorazione fabbricazione e distribuzione di manufatti in lega di titanio annovera pi di 450 aziende che impiegano circa 10000 lavoratori e l industria legata alle lavorazioni della lamiera uno dei pi importanti settori industriali contando pi di 950 aziende e 3500 impiegati dati Assomet 2011 Gli scarsi investimenti in ricerca a livello nazionali potrebbero compromettere seriamente lo sviluppo di queste tecnologie e dell economia dei comparti in Italia nonostante le prospettive che potrebbero derivare dallo sfruttamento industriale del giacimento di minerale di titanio pi importante a livello europeo di recente scoperto in Liguria Una soluzione a livello nazionale puo essere il progetto ADVANTAGE che raggruppa cinque Unit di Ricerca appartenenti a otto Universit che ha 10 l obiettivo generale quello di ottenere una solida comprensione e modellazione dei fenomeni legati al materiale e al proc
42. ltre per generare onde quadre con periodi del millisecondo bisogna ridurre eliminare 1 filtri in uscita Tali operazioni risultano molto economiche in quanto prevedono come unico costo la trasferta degli addetti da Vicenza e la manodopera di 3 ore a circa 30 l ora Si sono dimostrati molto disponibili garantendo tempi d intervento di pochi giorni 3 5 Analisi mediante programma FLUX Si creato un modello 3D del campione sempre mediante programma FLUX ancora una volta completamente parametrizzato in modo da rendere pi agevole lo studio nelle fasi successive nel caso in cui si fosse optato per un pezzo di diverse dimensioni Il modello della lamina stato creato al fine di valutare il suo comportamento elettrico e termico nei domini ipotizzati come probabili configurazioni Si iniziato studiando la configurazione a corrente costante la quale non sar ovviamente messa in pratica ma ha consentito al sottoscritto di prendere confidenza col modello e col programma in quanto di semplice realizzazione Si sono verificati 1 parametri di corrente tensione e potenza precedentemente calcolati per via analitica L analisi ha riguardato la densit di corrente piu critica attuata dal gruppo di lavoro di Liu 30A mm Anche noi prenderemo per i nostri esperimenti tale valore come limite superiore Di maggiore concretezza risulta essere lo studio nel caso di transient magnetic simulando l applicazione dell impulso di corrente al campio
43. m Senza dover ricorrere all utilizzo di un altro strumento si puo sfruttarlo misurando magari solo il tratto finale di piegatura 2 6 Problemi nell utilizzo della macchina saldatrice Mentre si procedeva all analisi dell esperimento si sono effettuate indagini piu approfondite sul funzionamento della macchina saldatrice scelta inizialmente Utile stato il confronto con l ing Ezio Toffano che precedentemente aveva condotto analisi sulle prestazioni della puntatrice In questa circostanza si venuti a conoscenza di un possibile problema al filtro riduttore MS6 LFR 3 8 D7 CUV AS 530348 prodotto dalla Festo AG amp Co KG di Esslingen Germania La puntatrice infatti necessita di una connessione ad un sistema di distribuzione di aria compressa ad una pressione massima di 10bar per azionare il braccio La funzione di filtraggio del fluido e la sua impostazione ad un valore fisso assolta dal filtro riduttore montato a bordo macchina Una volta tarato il regolatore non possibile variare n modulare il valore di pressione durante il processo di saldatura Negli esperimenti realizzati a suo tempo con questa macchina si tarato ripetutamente tale componente al fine di realizzare prove a diverse pressioni compromettendo probabilmente il suo corretto funzionamento Il guasto non stato accertato Non c la piena certezza che il braccio della saldatrice sia in grado di piegare il campione La massima pressione che esso in grado di
44. n diverse fasi La richiesta di temperature abbastanza elevate poi pu causare stress termici deformazioni e la riduzione nel controllo della tolleranza L idea di sfruttare il fenomeno dell elettroplasticit nell industria con gli obiettivi di semplificare la lavorazione aumentare l efficienza e mantenere inalterate le caratteristiche dei prodotti I parametri che normalmente vengono considerati durante 1 processi di deformazione plastica dei metalli sono lo stato di stress la temperatura le condizioni ambientali e il tempo L effetto della corrente nella maggior parte dei casi viene trascurato Quest ultima nei processi industriali viene sfruttata per aumentare la temperatura dei corpi da lavorare metallici in particolare attraverso il riscaldamento per induzione Nel riscaldamento per passaggio diretto il pezzo viene attraversato dalla corrente elettrica continua o alternata e grazie all effetto Joule si ha un incremento di temperatura che influisce enormemente sulle caratteristiche meccaniche dei corpi aumentandone la duttilit Quest applicazione della corrente fatta al fine di aumentare la temperatura e quindi per ridurre le forze in gioco nella lavorazione L elettroplasticit EP invece va ad influenzare le propriet meccaniche senza aumentare in modo considerevole la temperatura del corpo metallico Infatti il processo permette di aumentare la plasticit del pezzo facendo fluire in esso una elevata corrente impulsiva dura
45. n mano che 1 tempi d impulso aumentano crescer anche la temperatura raggiunta dal pezzo rischiando di compromettere la concretezza dei risultati Si consigliano per tanto le configurazioni di Tabella 3 5 per prendere confidenza con le macchine e le dinamiche della prova Ovviamente in base alle reazioni che si riscontreranno in fase di lavoro questi valori potranno essere corretti al momento Tabella 3 5 Configurazioni consigliate per i primi test Densit di Corrente da Durata Durata Notazioni corrente impostare impulso periodo Non dovrebbero esserci migliore riduzione di flow stress nei test precedenti 3 campionature per ogni prova Da valutare il riscaldamento del provino 58 Dopo riunioni preliminari si delineata l idea di far tagliare una lamiera d acciaio in modo da ottenere un numero uguale di campioni con direzione di laminazione longitudinale trasversale e a 45 Dall analisi della bibliografia la maggior riduzione di flow stress dovrebbe riscontrarsi nei provini aventi la direzione di laminazione parallela alle forze applicate E stato deciso inoltre di adottare fattore di ripetitivit pari a 3 ovvero ogni prova sar ripetuta 3 volte con le stesse specifiche al fine di essere in grado di individuare 1 risultati coerenti Se fosse solo 2 e 1 due test producessero risultati discordanti non si sarebbe in grado d individuare quello errato 5 porterebbe ad uno spreco di denaro e di tempo sopratt
46. na inoltre non fornisce una vera corrente continua ma un segnale del tipo riportato in Fig 2 8 e Fig 2 9 Dal confronto con persone che hanno precedentemente adoperato tele saldatrice 576 evinto che possiede funzioni programmabili tali da consentire l ottenimento di alimentazioni adeguate allo scopo Per capire se risulta essere adatta per le prove stato necessario comunque consultare il manuale Esso in un primo momento non stato trovato neanche nel sito internet dell azienda Questo stato uno dei motivi che ha spinto a cambiare almeno per i primi esperimenti che s intendono fare sull EP tipologia di macchina e quindi di test Contattando l azienda infine si riusciti a reperire 11 manuale che descrive il controllo di saldatura TE700 9 permettendo di terminare l analisi Il TE700 un controllo di saldatura a microprocessore per saldatrici a resistenza con tecnologia inverter La funzione del controllo di saldatura quella di gestire gli organi della saldatrice in particolar modo il gruppo di potenza a IGBT che effettua la regolazione della corrente di saldatura Risulta molto versatile in quanto si pu adattare a diversi tipi di saldatrici oltre che a quelle a punti e a proiezioni pu essere installato anche su saldatrici a rulli L unit di controllo pu gestire fino ad un massimo di 4 trasformatori di saldatura differenti 51 possono memorizzare 300 diversi programmi di saldatura 255 dei quali richiamabili direttamente dal
47. nazione electroplastic rolling EPR ha avuto successo Kilmov stato in grado di ridurre lo spessore di lamine di W da 30mm a 20mm a temperatura ambiente e senza il vuoto I vantaggi dello stampaggio elettroplastico electroplastic punching EPP sono stati messi in luce da alcuni esperimenti di Wang in cui una lamiera in lega di magnesio stata deformata in una vaschetta rettangolare con profondit di 15mm rispetto a 2 5mm dimensione ottenuta senza l utilizzo di corrente Ci conferma ancora una volta l aumento di plasticit grazie al fenomeno dell EP restando a valori di temperatura del pezzo relativamente bassi 200 C nella zona di maggior deformazione Dal punto di vita del materiale risultano interessanti le applicazioni che coinvolgono il Titanio Le sue leghe grazie alle caratteristiche di elevato rapporto resistenza peso elevata temperatura di fusione resistenza alla corrosione e biocompatibilit sono ampiamente impiegate in settori industriali come l aeronautico l aerospaziale il biomedicale 1 trasporti l impiantistica chimica e l architettura Per la ridotta formabilit che le leghe di titanio offrono quando deformate a temperatura ambiente rende problematica la produzione di componenti da lamiera a differenza dei componenti massivi Infatti la struttura esagonale compatta delle leghe di titanio comporta una limitata duttilit del materiale quando deformato a temperatura ambiente rendendo necessario il riscaldamento del sem
48. ne Si impostato un impulso di 540A sempre con l obiettivo di ottenere al centro del pezzo una densit di corrente di 30A mm La durata di applicazione della corrente stata scelta di 1s il valore piu basso di applicazione nell esperimento ma di maggiore interesse Si sceglie questa come situazione critica ovvero di maggior durata di alimentazione in quanto ci si prefigge l obiettivo futuro di sostenere test con tempistiche inferiori conformi alla maggioranza degli esperimenti che la bibliografia offre in merito Non essendo ancora note a pieno le caratteristiche del segnale che la macchina saldatrice in grado di fornire s ipotizzano rampe di discesa e salita lineari ognuna di durata pari a 0 7s In Fig 3 7 vengono riportati 1 valori di corrente tensione e potenza risultanti dalla simulazione graficati mediante programma FLUX che confermano i calcoli analitici precedenti Si evidenzia che fornendo durante l impulso la corrente di 540A si ha che la tensione agli elettrodi circa 1 75V e la potenza assorbita la pezzo circa di 940W 47 Circuit Voltage CURRENTSOURCE_1 i e CURRENTSOURCE 1 V 0 000 ED 250 0E 3 500 0E 3 750 0E 3 1 000 ED 1 25060 1 50060 1 75060 Circuit Current CURRENTSOURCE_1 circuit Current CURRENTSOURCE_1 A 500 080 00 060 300 060 200080 100 080 Circuit Power Active CURRENTSOURCE
49. nificativo solo in oggetti sottoposti a deformazioni plastiche I risultati sono trascurabili durante prove a deformazione elastica e dopo lo stress quando non ci sono pi forze applicate non mostrando effetto di memoria Si parla nella maggior parte dei casi di densit di corrente superiori a 10 A cm 10A mm con impulsi elettrici che vanno da un minimo di alcune decine di us fino ad un massimo di pochi secondi I parametri ottimali variano a seconda della forma del campione del tipo di materiale e dalla sollecitazione meccanica Alcuni metalli in cui si notato sono acciaio puro e con silicio alluminio e sue leghe titanio e sue leghe bronzo rame zinco tungsteno argento bismuto leghe di magnesio e composti intermetallici come V3Si oltre ad alcuni cristalli Un altro aspetto da sottolineare l importanza della polarizzazione elettrica Perch si verifichi l EP non sufficiente applicare una tensione impulsiva quindi una corrente impulsiva al metallo sotto lavorazione Per aumentare la plasticit la corrente dovr fluire lungo la direzione in cui si sposteranno le dislocazioni del pezzo da deformare quindi ad ogni stress meccanico corrisponde un determinato tipo di applicazione di corrente ci lo si pu osservare nelle figure successive Per fare un esempio nel caso in cui si volesse ridurre lo sforzo durante una trapanatura la corrente dovr fluire all interno del corpo lungo la direzione di perforazion
50. no sottoposto a trazione potrebbe non fornire risultati adeguati spezzandosi all altezza dei fori se questi risultassero troppo larghi Si decide la realizzazione di essi col diametro di 5mm e ci si adatter dal punto di vista elettrico per garantire la migliore connessione possibile dei capicorda al campione Sarebbe stato utile 56 che 1 campioni avessero la zona larga 15mm ancora pit larga per semplificare la connessione ma questo porterebbe ad uno spreco eccessivo di materiale in quanto 1 campioni verranno ricavati da un unica grande lamiera d acciaio S intende iniziare da tale metallo in quanto economico del Titanio il costo di una lamiera di 1m si aggira sui 1000 3 7 Situazione attuale Il generatore serie SM6 fortunatamente era gi presente all interno dello stesso laboratorio in cui giace la macchina MTS per prove di trazione Lo spostamento del generatore del peso di 350kg non risulta semplice in quanto sprovvisto di un adeguata strutta per il trasporto L ingegnere Stefano Girardi tecnico di riferimento del laboratorio di Net Shape Forming ha provato a studiare alcune soluzioni al problema come la creazione ad hoc di una struttura per il sollevamento Si provato anche ad affidare tale compito all azienda Powerel produttrice del generatore di corrente continua A loro stato richiesta una configurazione che preveda l adozione di ruote con dispositivo di bloccaggio Questa soluzione non completamente cond
51. nostri laboratori Informandoci presso una ditta delle vicinanze abbiamo appreso che il costo di saldatrici in grado di soddisfare le nostre richieste in termini di prestazioni potessero costare intorno alle migliaia di euro 44 Si cercato di trovare quindi un altra tipologia di alimentatrice possibilmente gia in dotazione al nostro dipartimento il generatore di corrente continua Powerel SM 06000 010 vedi Fig 3 6 Destinato principalmente all industria galvanica il raddrizzatore switching racchiude in s le peculiarit di uno strumento tecnologicamente avanzato preciso ed economico Con esso possibile configurare sistemi di raddrizzamento che vanno da 50A a 1000004 e a tensioni da a 100V La corrente erogata grazie a robusti filtri di uscita permette di avere un ripple molto contenuto in tutte le condizioni di carico Il generatore si compone di 6 moduli collegabili in parallelo che consentono d avere in uscita una corrente massima di 60004 ogni modulo eroga al massimo1000A e una potenza di 60kW I raddrizzatori switching prodotti dalla Powerel erogano corrente e tensione continua stabilizzata e regolabile nel range 0 100 del valore di fondo scala ripple contenuti entro il 2 della massima erogazione di targa Grazie alla tecnologia switching ad alta frequenza possibile effettuare il controllo e la regolazione con due ordini di grandezza superiori rispetto ai tradizionali sistemi SCR La reattanza interna di soppression
52. ntato direttamente in trifase fornisce in uscita un onda quadra con duty cycle controllato di ampiezza pari a 500V e corrente regolabile fino a 1200A ad una frequenza di 1KHz valore efficace della tensione in uscita in funzione della corrente erogata non pu superare i limiti imposti dalla potenza complessiva della macchina indicati dal costruttore in 60kV A Il controllo di saldatura realizzato dal TE700 con versione software n 1 09 anch esso realizzato dalla Tecna di Castel San Pietro BO Alcune caratteristiche salienti sono le seguenti comando ad inverter con IGBT a media frequenza con possibilit di scelta della frequenza di funzionamento dell inverter tra 1000Hz e 4000Hz 26 funzioni di salita corrente discesa corrente pulsazioni pre saldatura post saldatura regolazione dei tempi di saldatura con risoluzione 1105 limiti in corrente tensione agli elettrodi energia potenza percentuale di utilizzo dell inverter resistenza iniziale e finale del materiale da saldare limite sullo spessore e sull indentazione del materiale opzionale modalit di funzionamento parzializzazione costante corrente costante potenza costante tensione costante energia costante e a compensazione dinamica UJ Welding Current kA m Q 1 2 3 4 Welding Time mS Fig 2 8 Tipo di corrente fornita dalla puntatrice durante la saldatura a croce di due tondini in acciaio La macchi
53. nte la lavorazione non provocando un significativo effetto Joule La scoperta del fenomeno risale a quasi mezzo secolo fa ma solo nell ultimo ventennio grazie a strumentazioni pi adeguate gli studi sono stati pi approfonditi Uno fra 1 primi a notare l effetto significativo della corrente sulla duttilit o per meglio dire sul flow stress resistenza al flusso plastico sforzo equivalente e sul rendimento di processo fu Machlin nel 1959 Successivamente nel 1967 Nabarro fece studi sull influenza della corrente nelle dislocazioni cristalline Due anni pi tardi Troitskii osserv come la corrente riducesse il flow stress influenzasse il movimento delle dislocazioni nello zinco stagno ed indio Nel 1988 Xu noto l influenza della corrente continua nella microstruttura del titanio e dopo questi studi Chen spiego la relazione tra corrente e la formazione di alcuni intermetalli Solo nel 2000 Conrad prov che un elevata corrente impulsiva influisce la fase di trasformazione di metalli e ceramiche Negli anni successivi sia Roth che Ross fecero altri studi con corrente continua Salandro nel 2009 scopri la relazione lineare tra la durata dell impulso e la densit di corrente nel test di elongazione del Magnesio AZ31B O Green scopri la riduzione se non l eliminazione dell effetto di ritorno elastico spring back in alcuni metalli particolari L effetto dell elettroplasticit stato riscontrato in molti metalli testati ed stato sig
54. nto per effetto Joule pero come gi stato detto nel caso di metalli come Ag AI Cu e Zn l incremento di temperatura risulta di pochi gradi Celsius dando solo un piccolo contributo alla deformazione t 100 300 K iat POLFCRYST Ti Cu SLOPE 29 Ady SINGLE PULSE a S R HZ CREEP H 100 HZ J Fig 1 1 Log log di 2 o in funzione di J per impulsi di 100us durante deformazione plastica di diversi metalli a 78K e a 300K 14 15 1 1 Prime teorie sul EPE A differenza di quello che accade per le deformazioni di tipo elastico con le deformazioni plastiche togliendo le forze applicate al pezzo esso non ritorna alla forma originale Ci si deve alla creazione allo spostamento di dislocazioni nel materiale Con corrente elettrica ovviamente viene inteso il movimento di elettroni all interno del reticolo del materiale Durante 1 primi studi vennero prese in considerazione come possibili spiegazioni dell EP alcuni effetti secondari della corrente elettrica come quello termico di strizione magnetica e pelle 1 quali sono importanti al fine dell EP ma non spiegarono completamente il processo Con effetto pelle s intende la concentrazione di corrente sulla parte piu esterna del conduttore vicina alla superficie Il suo parametro fondamentale e lo spessore di penetrazione 6 1 2 p 1 con f s identifica la frequenza della pulsazione la resisti
55. o anche ad isolare elettricamente il macchinario onde evitare possibili danni ad esso sensori e persone Per la prova effettuata da Mai e il suo staff non specificata nel dettaglio la configurazione adottata le uniche informazioni le si possono dedurre dall analisi delle foto messe a disposizione Fig 3 20 Campione dell isolante elettrico 55 L altro esperimento fornito di descrizione adeguata spiega che per l isolamento sono state adottate due lastre di mica Guardando Fig 3 2 s intuisce che lo spessore risulta essere di diversi millimetri di spessore L utilizzo nei nostri laboratori della mica si limita all adozione di fogli di spessori modesti inferiori al 0 5mm la quale inoltre al tatto risulta essere molto liscia e fragile Si consiglia per tanto l adozione di un materiale alternativo come isolante Infatti oltre al rischio della sua rottura causato dalla pressione in gioco e dalle morse dentellate della MTS per aumentare l attrito si teme lo scivolamento del pezzo Soluzione semplice ed efficace sembra subito essere l utilizzo del legno Per l esattezza si prendono in considerazione delle tavolette in legno compensato imbevuto di resine isolanti vedi Fig 3 20 fornite dall ingegnere Renato Gobbo professore del dipartimento d Ingegneria Industriale Tale materiale viene adoperato solitamente ad esempio per distanziare gli avvolgimenti di trasformatori ad AT Spessori di pochi millimetri sono quindi in grado
56. o impulsi da 540A della durata di 0 16 Il riscaldamento finale stato inferiore ai 66 C d aggiungere che per quest ultimo caso sarebbe stato meglio effettuare una simulazione piu prolungata nel tempo ovvero con un numero d impulsi doppio in quanto si dimezzato il tempo di d intervallo Si precisa che tutte le analisi termiche condotte con FLUX avevano come ipotesi fondamentale lo scambio termico con raffreddamento ad aria a convezione forzata con coefficiente di scambio termico a 100W m K Il laboratorio di Net Shape Forming ha in dotazione un dispositivo per creare la convezione ad aria forzata Inoltre al disotto dei 400 C Pacciaio non ha aumenti significativi di plasticit a causa del calore 54 EMPERATURA 55 4841 0 60 00E0 50 00 0 i 20 00E0 10 00E0 250080 5 000E0 7 500E0 10 0080 12 50 0 5 38E0 Fig 3 19 Caratteristica della temperatura C al baricentro del provino in funzione del tempo impulso 1s intervallo 5s corrente 540A 3 6 Configurazione del test Osservando 1 setup del test di riferimento sopra citato vedi Fig 3 2 si nota che in entrambi la scelta sia stata quella d inserire gli elettrodi all interno della morsa della macchina di trazione Facendo questo si provvedut
57. o secondo vedi Fig 3 12 Questa volta si ipotizzato uno scambio termico con raffreddamento ad aria a convezione forzata con coefficiente di scambio termico pari a 100W m K La temperatura raggiunge il valore massimo di 105 C Nell esperimento di riferimento scartato il massimo valore di temperatura misurato si aggirava intorno 1 115 C Con l applicazione invece per un secondo della corrente mantenendo l ipotesi di convezione forzata la temperatura supera in alcuni punti 1 180 C Ci si discosta da quanto esposto nella relazione di riferimento in cui le loro simulazioni sostengono che sotto le condizioni di quest ultimo caso la temperatura massima del pezzo si aggiri sui 60 C confermata anche dalle misure sperimentali verificabili nella Tabella 3 1 La spiegazione sta nel fatto che stiamo simulando un diverso tipo d acciaio da quello adottato nell esperimento di Liu In quel caso hanno adottato un acciaio cos detto AHSS advanced high strength steel invece fin ora si sono fatte simulazioni con un acciaio 304 304 Stainless Steel Quest ultimo risulta facilmente reperibile e di minor costo rispetto all altro e inoltre stato adottato oltre che nell esperimento di piegatura di Salandro anche in uno simile a quello trattato nel Capitolo in questione Experimental study of electrical resistivity and flow stress of stainless steel 316L in electroplastic deformation realizzato da J Mai L Peng Z Lin X Lai 5 scel
58. ono soluzioni ai vari problemi riscontrati e linee guida per il proseguo 512 5 dell attivita di ricerca intrapresa suggerendo anche le caratteristiche e modalita dei primissimi test Nelle conclusioni verra descritta dettagliatamente la situazione di realizzazione pratica aggiornata alla termine di stesura di questo elaborato 2192 14 1 Teorie sull elettroplasticita Negli anni si sono succedute molte teorie sull origine dell EPE e nonostante le analisi effettuate tutt oggi oggetto di studio E ormai assodato che si tratta di un insieme di fenomeni Osservando gli studi di Conrad si vede come applicando densit di corrente 10 10 A cm con impulsi di 100us durante la deformazione per trazione si ottiene una significativa riduzione del flow stress ovvero un aumento del tasso di deformazione di tensione e In Fig 1 1 riportato l andamento di tale coefficiente rapportato allo stesso in assenza di corrente in funzione della densit di corrente elettrica J per diversi metalli oltre che a mono e a policristallino e per alcuni tipi di deformazione tasso di sollecitazione costante stress di rilassamento e scorrimento Il valore di e stato ottenuto rimuovendo tutti gli altri effetti secondari della corrente effetto Joule effetto pelle skin effect ed effetto di magnetostrizione o strizione magnetica magnetostrictive effect o pinch effect Tra questi quello piu consistente ovviamente il riscaldame
59. questo punto il problema della mancanza da spazio longitudinale visto che la lunghezza della zona a sezione maggiore 15mm del provino era calibrata per consentire il semplice afferraggio necessario quindi utilizzare un campione di dimensioni diverse rispetto alle solite applicazioni Si suggerisce di realizzare la parte a sezione maggiore pi lunga rispetto al normale per lato dovrebbero essere sufficienti a garantire la presa salda del pezzo e il posto per gli elettrodi senza compromettere 1 risultati del test meccanico In Fig 3 21 si possono notare le dimensioni del campione modificato 10 5 Fig 3 21 Disegno tecnico quotato in mm del provino da adottare Non inserendo gli elettrodi all interno delle morse il collegamento non sara ottimale Difatti quando si parla di contatti elettrici si sa che maggiore la pressione di contatto e minore la resistenza equivalente della connessione Si rende necessario l impiego di viti e bulloni per garantire il collegamento elettrico Per questo nel taglio va specificata anche la realizzazione di due fori per il passaggio delle viti Si tiene a precisare che fori nel provino non modificato non avevano alcuna importanza se utilizzati nell MTS servivano se 1 test avevano luogo su di un altra macchina per il loro corretto posizionamento Sarebbe bene che i fori fossero i pi larghi possibile in modo da inserire una vite consona La dimensione per vincolata dai limiti meccanici il provi
60. rante il trattamento elettro meccanico z 97 38 di Test di trazione L altro esperimento sull elettroplasticit che si vuole ora cercare di realizzare riguarda lo stress per trazione Come modello di riferimento sono state studiate alcune ricerche sull EP applicata allo sforzo di trazione in particolare gli esperimenti effettuati da Janming Mai Linfa Peng Zhonggin Lin Xinmin Lai nel 2010 presso la Shanghai Jiao Tong University Cina 5 e da XunLiu ShuhuaiLan JunNi nel 2013 presso la University of Michigan USA 6 Entrambi gli esperimenti sono molto simili per applicare la forza di trazione utilizzano una normale macchina per test di trazione iprovini sono a forma laminare in acciaio e di dimensioni paragonabili vedi Fig 3 1 congruenti valori elettrici di densit di corrente J applicazione di convezione forzata in aria per cercare di mantenere il pezzo a temperatura ambiente vedi Fig 3 2 Si far riferimento maggiormente all esperimento effettuato dall Universit del Michigan perch pit completo d informazioni e recente In quest ultimo caso lo sforzo di tensione assiale realizzato da una testatrice MTS810 mentre l impulso elettrico prodotto da una saldatrice Lincoln Electric Power Wave 455 Modificando il valore della corrente in uscita vario la densit di corrente interna al pezzo C da tenere presente che la densit di corrente varier durante la prova in quanto la sezione de
61. ratore 7 disponibile nel sito internet dell azienda si appreso pero la possibilit del funzionamento modo pulsato Questo viene visualizzato solo negli strumenti DEIO dotati di tale funzione Si possono impostare alimentazioni con forma del segnale impulsivo settando il valore di corrente o eventualmente tensione l intervallo di tempo in cui si ha tale valore in ms e il periodo totale del segnale Si pu anche settare un valore di corrente anche nel periodo di non conduzione Tabella 3 2 Caratteristiche specifiche del modello di generatore in dotazione 8 CARATTERISTICHE ELETTRICHE Tensione max uscita V DC 10 Corrente uscita ADC 6000 Potenza max uscita kW 60000 Alimentazione 400 T Rendimento tipico 88 Range regolazione potenza 2 100 Potenza max assorbita VA 68182 Isolamento da rete VRMS 3500 DIMENSIONI E PESI Larghezza mm 540 Altezza mm 680 Profondit mm 1660 Peso kg 354 Piatti uscita mm 2X100 X10 ALTRE CARATTERISTICHE Controllo IGBT Controllo bordo macchina DE10 Controllo PLC PC RS422 485 apz Funzione inversione polarita anchiesta Numero moduli 6 Protezione corto circuito A Verniciatura carpenterie epoxy Protezione sovratemperatura A Protezione sovratensioni A Raffreddamento forzata Tropicalizzazione schede X Separazione elettronica potenza X Garanzia 24 mesi Temperatura max lavoro C 40 Unidit max lavoro 80 Erogazione corrente pulsata inclusa Range frequenza pulsato a richies
62. ritornati almeno allo studio preliminare della macchina Ci ha portato a dimostrare l infattibilit della replica esatta degli esperimenti di Salandro presi come riferimento Le tempistiche lente impiegate nei suoi test non sembrano essere riproducibili dal TE700 Con un controllo manuale di certo si ma non ci sarebbe pi a disposizione il braccio per la piegatura I tempi che il software di controllo della saldatrice mette a disposizione sono molto brevi Non tanto quelli dell impulso ma quelli del periodo La bibliografia sull elettroplasticit infatti ricca di esperimenti che hanno adottato impulsi molto brevi inferiori al secondo raggiungendo ottimi risultati Ci che frena in questi casi l effetto termico Valori elevati di corrente ripetuti a distanza temporale ravvicinata provocano un riscaldamento non trascurabile L eccessivo aumento di 36 temperatura potrebbe vanificare 1 risultati degli esperimenti non dimostrando a pieno la bassa influenza dell effetto Joule sull EPE Il suo utilizzo non completamente escludere Facendo delle simulazioni termiche si possono cercare quali materiali sono idonei per tali configurazioni d impulsi elettrici Inoltre forse possibile modificare il controllo TE700 al fine di allungare 1 tempi del periodo Per questo sarebbe necessario contattare l azienda costruttrice L ipotesi pi remota e audace quella di realizzare gli esperimenti raffreddando il provino in olio du
63. rtimento d Ingegneria Industriale Come scelta iniziale di studio si sono presi ad esempio due relazioni inerenti due tipologie di test diversi uno di piegatura Electroplastic modeling of bending stainless steel sheet metal using energy methods realizzato da W A Salandro C Bunget e L Mears 4 e uno di trazione Experimental study of Electro Plastic Effect on Advanced High Strength Steels realizzato da X Liu S Lan e J Ni 6 sempre di una lamina di metallo anche se con dimensioni leggermente diverse Questi sono sembrati dopo una prima analisi di parecchi altri lavori che la bibliografia offre di semplice realizzazione e alla portata dei nostri mezzi All interno di questo documento tali relazioni verranno sviscerate dando risalto alla parte elettrica con l obiettivo di predisporre al meglio nuovi sistemi Seguono quindi dopo il primo Capitolo dedicato alla descrizione del fenomeno dell elettroplasticit e delle sue spiegazioni teorie non del tutto concordi tre Capitoli ognuno riferito agli esperimenti presi ad esempio Qui verranno analizzate in dettaglio le modalit della realizzazione pratica dei test descritti seguiranno le proposte di design per l attuazione di prove nei nostri laboratori in base alle disponibilit strumentali supportate da studi sulle attrezzature candidate e da elaborazioni numeriche dei campioni secondo le possibili specifiche di configurazione mediante programma di simulazione FLUX Infine si propong
64. rvallo 10s corrente 540A 53 EMPERATURA 175 0 0 150 0 0 125 0 0 100 0 0 75 00 0 50 00 0 _ 25 00 0 II i Reset 5 00080 100080 150060 200080 250080 20 0060 131 90 0 Fig 3 17 Caratteristica della temperatura al baricentro del provino in funzione del tempo impulso 0 5s intervallo 10s corrente 540A EMPERATURA B58 281E0 300 060 250 0E0 200 0 0 150 0E0 _ 100 0 0 50 00E0 nn T H Ti F TP c THr T v TV n Reset 5 000E0 10 00E0 15 00E0 20 00E0 25 0060 300080 B3 80E0 Fig 3 18 Caratteristica della temperatura C al baricentro del provino in funzione del tempo impulso 15 intervallo 10s corrente 540A Sono state fatte simulazioni dello stesso tipo anche per impulsi di durata inferiore al secondo 0 5s 0 25 0 15 Le rispettive temperature massime calcolate sono state 198 C 93 C e 57 C vedi Fig 3 15 Fig 3 16 Fig 3 17 Ci mostra che tempi d impulso sotto il mezzo secondo non provocano riscaldamenti eccessivi del campione in esame Un unica prova stata fatta con tempo di riposo di 5s anzich 10s come in tutti quanti gli altri test La simulazione ha riguardato come sempre quattr
65. sa del braccio della nostra puntatrice ma di sicuro molto pi veloce Da tenere in considerazione nelle impostazioni inoltre il tempo d accostamento del braccio al pezzo in tale lasso di tempo la macchina non eroga corrente Questo fa si che anche con periodi pi brevi sia possibile configurare esperimenti interessanti Si comprende come sia necessario effettuare una serie di calcoli preliminari al fine di ottimizzare le tempistiche in base alle diverse configurazioni pensate 2 4 Analisi mediante programma FLUX Si proceduto con la realizzazione di un modello 2D successivamente evoluto in 3D mediante il programma FLUX di tipo FEM al fine di valutare al meglio le caratteristiche elettriche dell esperimento Il modello della lamina stato creato completamente parametrizzato in modo rendere pi agevole lo studio nelle fasi successive nel caso in cui non si fosse riuscito a reperire un pezzo di identiche dimensioni Inoltre stata prevista la possibilit di creare scenari di studio con la variazione della geometria della lamina in conseguenza della deformazione di piegatura Fig 2 11 Fig 2 12 Modello 3D FLUX parametrizzato del pezzo con variazione dell angolo di piegatura 32 Sono state effettuate alcune analisi in condizione di electric conduction da cui si potuto osservare come la corrente si distribuisca uniformemente lungo tutta la sezione del pezzo a parte il tratto centrale in avviene la pie
66. sicurarsi che l incisore riesca a penetrare tra le due basi piegando il pezzo almeno con una profondit di 15mm Poi modificando la distanza tra di esse si possono ottenere diversi angoli di piegatura La soluzione immaginata riportata in Fig 2 17 Fig 2 15 Foto della puntatrice con tondini posizionati per la saldatura 34 Fig 2 16 Modello CAD 3D della normale configurazione della puntatrice Fig 2 17 Modello CAD 3D della possibile nuova configurazione con incisore a parte 35 La macchina corredata da strumenti di misura aggiuntivi una sonda per la misura della differenza di potenziale agli elettrodi un sensore di pressione GEFRAN TKE1E B01D HV e un misuratore di distanza ottico MICRO EPSILON optoNCDT 1402 Il primo collegabile direttamente ad un oscilloscopio in quanto la tensione agli elettrodi di pochi volt come il secondo che in grado di fornire come valore d uscita una tensione Lo strumento ottico necessita invece di una considerazione maggiore non tanto perch genera una corrente in uscita per convertirlo in tensione gi presente una resistenza del valore opportuno ma per la sua capacit di misura ha un range di 20mm di misura Non sufficiente alla misurazione completa del fenomeno di piegatura Per angoli di piegatura via a via pi piccoli si raggiungeranno profondit maggiori comunque anche per piegature modeste 110 90 il valore di tale lunghezza dovrebbe essere grossomodo 20 25m
67. ta Duty cicle pulsato 0 100 45 gt d n b _ Fig 3 6 Foto fronte retro del Generatore di corrente Powerel Serie SM 600 Tabella 3 3 Caratteristiche tecniche del generatore 10 2 100 Profinet Profibus RS485 ASCH RS485 modbus Interfaccia di connessione RTU RS232 CANOPEN 0 10V 0 20Ma Max temperatura di esercizio Massima umidita Protezioni e mantenimento Sovratensione Corto circuito Mancanza fase 46 Sovratemperatura Tropicalizzazione schede elettroniche Protezioni e mantenimento verniciatura epossidica zincatura parti in metallo filtri aria Raffreddamento Dopo alcune brevi prove di funzionamento ci si accorti dell assenza nel men del modo pulsato Inoltre interrogativi ruotavano attorno al tipo di segnale che realmente la macchina avrebbe fornito in questa modalit di funzionamento Sopratutto alle rampe e tempi di risposta La corrente da noi richiesta di circa 540A per ottenere 30A mm bassa se paragonata ai valori di funzionamento normale del generatore 51 deciso d interpellare l azienda Powerel di Alte di Montecchio Maggiore VI La risposta giunta dall ing Luca Gandolfi ha assicurato la possibilit di effettuare lavori in modo pulsato previa abilitazione sullo strumento Ha consigliato inoltre la modifica del filtro attuale che non permette la corretta visualizzazione del valore medio Ino
68. te derivata dal momento creato dagli elettroni durante la collisione con gli atomi Nel caso di singolo cristallo di metallo si ha 3 16 dove F y la forza di electron wind per unita di lunghezza di dislocazione p Np la resistivita specifica per unita di lunghezza di dislocazione Np la densita di dislocazione e n la densita di elettroni Con electron wind s intende una corrente di flusso ionizzato generato da un forte campo elettrico Secondo gli esperimenti condotti da Conrad l aumento della plasticita dovuto dall effetto diretto degli elettroni sul movimento delle dislocazioni Successivi studi pero effettuati da Molotskii e Fleurov mostrarono come anche questo contributo fosse troppo basso per spiegare l EPE Essi invece proposero che la componente maggiore derivasse dal campo magnetico indotto dalla corrente 1 2 Teorie sviluppate in tempi pi recenti Secondo Xu la combinazione di effetti termici e non termici dovuti dall elettropulsione sono responsabili della ricristallizzazione dinamica nel caso di EPR L accelerazione di lacune indotte dagli impulsi di corrente promuove la propagazione di dislocazioni Questo assieme ad altri due fattori il flusso totale di lacune relative allo stress esterno e la forza di electron wind sono alla base del fenomeno Il flusso totale di diffusione di atomi corrispondente all attivit delle lacune si pu esprimere come Bb 104 Ku OT Nupez
69. to in un primo momento come esempio e poi scartato in quanto carente d informazioni sotto il profilo elettrico 49 ISOVAL 1 25 776 25 436 23 096 24 756 24 417 24 077 23 130 23 4391 23 058 LB 22 378 22 038 21 698 21 359 21 019 20 679 20 340 20 000 Temp TCelsius in CELSIUS DEGREE Fig 3 10 Simulazione FLUX distribuzione della temperatura C in transient termic della lamina con applicazione dell impulso di 20ms di 540A ISOVAL 1 56 541 54 292 52 242 50 083 47 943 45 794 43 644 41 495 39 345 37 196 35 046 32 897 30 747 28 598 26 448 24 299 22 129 20 000 Temp TCelsius in CELSIUS DEGREE Fig 3 11 Simulazione FLUX distribuzione della temperatura C in transient termic della lamina con applicazione dell impulso di 200ms di 540A 50 ISOVAL 1 676 636 mee sa Ba 477 438 438 358 SL8 278 239 189 NES I PS 080 040 000 E w a Ui H un ed E O zr n TA n O E Fig 3 12 Simulazione FLUX distribuzione della temperatura C in transient termic della lamina con applicazione dell impulso di 500ms di 540A ISOVAL 1 113 2235 128 580 032 483 835 387 838 290 742 33 645 097 548 000 Temp TCelsius in CELSIUS DEGREE Fig 3 13 Simulazione FLUX distribuzione della temperatura C in transient termic della lamin
70. un algoritmo viene calcolato e mantenuto costante il prodotto al variare della tensione di rete Di conseguenza se si verifica una diminuzione della resistenza secondaria si assister ad un aumento della corrente di saldatura e viceversa con una aumento della resistenza secondaria si avr una diminuzione della corrente di saldatura La regolazione in potenza costante funziona correttamente fino a che la corrente non raggiunger il valore impostato CORR MAX Utile per compensare l usura degli elettrodi o per saldare materiali che presentano notevoli variazioni di resistenza durante il processo Funzionamento con energia costante ENE si effettuano regolazioni come in un controllo convenzionale a parte per il valore ENERGIA e del tempo di saldatura per il quale s imposta un valore massimo e minimo L inverter regola in maniera costante la corrente di saldatura in modo da farla coincidere con il valore impostato Durante la saldatura l inverter rileva la corrente di saldatura in vero valore efficace RMS la componente ohmica della tensione agli elettrodi in volt e la durata della saldatura in ms Il prodotto corrente tensione tempo esprime l energia termica che stata prodotta durante la saldatura Poich l energia sottratta per conduzione quella dissipata fra le lamiere e gli elettrodi riduce la precisione dell energia misurata opportuno saldare con tempi brevi ed elevata forza agli elettrodi Funzionamento in dynamic mode DYN una mod
71. uri Lo studio effettuato ha messo in evidenza la concreta possibilit di realizzare all interno del nostro Ateneo esperimenti utili all analisi del fenomeno dell elettroplasticit In questo elaborato vengono descritte due configurazioni per due differenti tipologie di test una inerente alla piegatura di una lamina di metallo e un altra dedicata allo stress di trazione di un classico campione di metallo a forma laminare Acronimi abbreviazioni e traduzioni DYN ENE EP EPB EPD EPE EPP EPR FS PWK VEK Funzionamento in dynamic mode del TE700 Funzionamento con energia costante del TE700 Electroplasticity elettroplasticita Electroplastic bending piegatura elettroplastica Electroplastic drawing trafilatura elettroplstica Electroplastic effect effetto elettroplastico Electroplastic punching stampaggio elettroplastico Electroplastic rolling laminazione elettroplastica Flow stress resistenza al flusso plastico sforzo equivalente Funzionamento con corrente costante del TE700 Funzionamento con potenza costante del TE700 Funzionamento con tensione secondaria costante del TE700 Introduzione Processi industriali standard come la trafilatura la laminatura e lo stampaggio utilizzano il calore per ridurre le forze in gioco durante la lavorazione Questi procedimenti a caldo hanno lo svantaggio che richiedono un considerevole dispendio di tempo e di energia oltre che a lavori differenziati i
72. utto In base a questa ipotesi ai tipi di campioni e alle configurazioni da eseguire si prevedono necessari come minimo 108 provini 59 60 Conclusioni A fronte del lavoro condotto lo studio dell effetto dell elettroplasticita diviene ora una concreta possibilita per il nostro Dipartimento Con la realizzazione di questo elaborato si sono poste le basi per procedere con i primi test di trazione i quali quasi certamente si intraprenderanno nell Autunno 2013 Giunto alla stesura finale della tesi per la messa in pratica di prove di trazione non resta che dare il via libera all azienda Powerel per la modifica del controllo del generatore l inserimento sistema di sicurezza e la creazione struttura per il trasporto spostare il generatore nelle vicinanze della MTS attendere il taglio laser dei provini in acciaio 304 e successivamente di quelli in titanio A termine del Capitolo 3 si propone una serie di valori per effettuare le prime prove al fine di prendere confidenza con le attrezzature ed 1 loro limiti Per quanto riguarda gli esperimenti di piegatura al momento non possibile procedere con 1 test Lo studio condotto ha comunque dimostrato la fattibilit teorica della realizzazione di un sistema Si consiglia quindi al fine d intraprendere analisi d EPB la verifica del danno al filtro riduttore del sistema di distribuzione d aria compressa per procedere poi alla riparazione o sostituzione con un nuovo
73. vit elettrica e u la permeabilit del campione Gli esperimenti di Cornad e la sua equipe dimostrarono che tutto sommato la distribuzione di corrente in questi casi era piuttosto uniforme scartandolo tra le cause principali Anche l effetto di strizione magnetica pressione creata dal campo magnetico intrinseco che produce una compressione radiale risult piccolo se paragonato al load drops ovvero al carico meccanico applicato al pezzo Tele effetto si pu quantificare mediante la formula inon 2 dove il tasso di Poisson a l area del pezzo u la permeabilita del campione e J la densita di corrente Il pi importante l effetto Joule che causa il riscaldamento del corpo attraversato da corrente L aumento di temperatura nel caso adiabatico di pu cosi definire nel seguente modo P 2 dove oltre ai termini gia visti t indica la durata dell impulso il calore specifico e d la densit del materiale Anche l effetto termico secondo Conrad e Troitskii nonostante l apporto energetico superiore dei due casi precedenti non abbastanza significativo per spiegare l EP Nonostante ci alcuni ricercatori in base a studi effettuati negli anni 80 sostennero che potesse essere totalmente dovuto alla componente termica e che l effetto diretto degli elettroni fosse trascurabile Quest ultimo fenomeno definito come electron wind force prende in considerazione la forza risultan

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