Numerical study of cold rolling process with variable thickness

The main technological aim of this research project is the development of an innovative cold rolling technology with the distribution of different thickness areas on the finished product, so the material can be best distributed where it is needed, to satisfy strength and/or stiffness requirements. Regarding the cold rolling process, the aim is to achieve a better optimisation of the 1D solution, also known as profile-rolling, already seen in many industrial areas: the multi-thickness rolling process named patch-rolling. It represents an absolute innovation by allowing the higher thickness zones already used in the process of cold rolling to be obtained, with respect to the requested sizes and positioning resulting from the stress map. To this purpose the goal is to develop a support tool able not only to indicate the feasibility of the patches, as requested by the project, but also which suggests any amendments needed such as dimension of the patches, thickness variation, fillet radius etc. The first stage of the project was the choice of the material with best performances in both rolling and stamping processes. To this purpose, several possible challengers were deeply investigated through uni-axial and formability tests. First ones were led to identify the flow plastic curves and principal mechanical characteristics of the material while the formability ones allowed the anisotropy influence and the Forming Limit Diagrams to be evaluated thanks to advanced optical methods. The next stage, indeed, was the development of a finite element method model of the patch-rolling process in which only mechanical properties of the material were requested. After the model was successfully set-up and validated, several patch-configurations were investigated with the FEM model already described. Due to the unbalanced length-wise direction deformation of the work-piece a more simple and fast analytical model was also developed in MatLAB R to provide a pre-view of the shape of the laminated work-piece only to evaluate the quality of the patch distribution. Then the study of how the principal factors (main variables) involved in the rolling process may affect the feasibility of the process itself, was performed through a FEM experimentation organized according to the Design of Experiments (DoE) techniques. The analysis of the results of the DoE allowed a real case application to be developed and analysed, starting from the patch distribution until the prototype realisation.

Il principale obiettivo tecnologico di questo progetto di ricerca è lo sviluppo di una tecnologia di laminazione a freddo innovativa, tramite la distribuzione di aree di diverso spessore sul prodotto finito, in modo che il materiale possa essere distribuito al meglio dove è necessario, per soddisfare i requisiti di resistenza e/o rigidezza. Per quanto riguarda il processo di laminazione a freddo, l'obiettivo è quello di effettuare un upgrade della soluzione 1D, nota anche come profile- rolling, già presente in molte aree industriali: il processo di laminazione a zone denominato patch-rolling. Esso rappresenta un'innovazione assoluta consentendo di ottenere zone di maggiore spessore già in fase di laminazione a freddo, nel rispetto delle dimensioni richieste e del posizionamento risultante dalle mappe delle sollecitazioni. L'obiettivo è dunque quello di sviluppare uno strumento di supporto in grado non solo di indicare la fattibilità delle patch, come richiesto dal progetto, ma anche di suggerire eventuali modi che come la dimensione delle patch, variazione di spessore, raggio di raccordo ecc. La prima fase del progetto è stata la scelta del materiale dalle migliori prestazioni per i processi di laminazione e stampaggio. A tale scopo, diversi materiali sono stati caratterizzati mediante test mono-assiali e di formabilità. I primi hanno permesso di identificare le curve di flusso plastico e le principali caratteristiche meccaniche del materiale, mentre quelle di formabilità hanno permesso di valutare l'influenza dell'anisotropia e tracciare i diagrammi limite di formabilità grazie a metodi ottici avanzati. La fase successiva, quindi, è stata lo sviluppo di un modello agli elementi finiti del processo di laminazione a patch in cui venivano richieste solo le proprietà meccaniche del materiale. Dopo che il modello è stato con figurato e convalidato con successo, sono state studiate diverse configurazioni di patch con il modello FEM già descritto. A causa della deformazione non bilanciata nel senso della lunghezza del laminato, è stato sviluppato anche un modello analitico più semplice e veloce in MatLAB R per fornire un'anteprima della forma del laminato con il solo ne di valutare la qualità della distribuzione delle patch. Quindi, lo studio di come i principali fattori (variabili principali) coinvolti nel processo di laminazione influenzino la fattibilità del processo stesso, è stato eseguito attraverso una sperimentazione FEM organizzata secondo le tecniche del Design of Experiments (DoE). L'analisi dei risultati del DoE ha permesso di sviluppare e analizzare un'applicazione di casi reali, a partire dalla distribuzione delle patch no alla realizzazione del prototipo.