Componenti forgiati di qualità necessitano di un

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Componenti forgiati di qualità
necessitano di un approccio CAE
integrato – esperienze di simulazione di
processo nel campo Energia e Nucleare
Acciaieria - processo di colata
Il processo di colata di lingotti è caratterizzato da una serie
di parametri molto complessi, che determinano la qualità del
prodotto finale. La composizione della lega è uno degli
aspetti più importanti, ma lo sono anche le modalità di colata (velocità di colata, utilizzo di polveri isolanti, …) ed i
materiali utilizzati per la lingottiera. Tutti questi aspetti sono tenuti in conto dai software di simulazione, che possono
dare delle utili informazioni su quello che succede nella fase
di riempimento dello stampo e di solidificazione del metallo.
Software specifici in questo ambito (MAGMAsoft di Magma
GmbH ad esempio) riescono a valutare, oltre ai ritiri in soli-
Fig. 1 – MAGMASOFT – simulazione del riempimento di un lingotto.
Fig. 2 – MAGMASOFT – simulazione della solidificazione di un lingotto.
Fig. 3 – MAGMASOFT – distribuzione di temperature in una lingottiera.
Fig. 4 – MAGMASOFT – Difetti: macro ritiri, micro ritiri, moti convettivi,
segregazioni.
SIMULAZIONE DI PROCESSO NEL CAMPO ENERGIA E NUCLEARE
I processi di forgiatura a stampi aperti (open-die) e di laminazione circolare (ring-rolling) sono in grado di produrre pezzi di grosse dimensioni in acciaio, il più possibile privi di porosità e con la massima omogeneità nelle caratteristiche
meccaniche. Tali specifiche sono richieste nei settori meccanico-siderurgico (alberi pignone, pignoni, ruote pignone, alberi eccentrici, terminali e manicotti, …), petrol-chimico
(corpi valvola, tubi, B.O.P., …), navale (alberi intermedi, alberi pinna ed alberi timone, …) e dell’energia (alberi turbina, alberi ventilatore, alberi per eolico, generatori quadripolari, …). In particolare in questo ultimo ambito, i componenti necessari per la costruzione di centrali nucleari devono
soddisfare delle normative molto restrittive in grado di garantire le prestazioni del manufatto dopo molti anni di utilizzo in condizioni severe di contatto con agenti aggressivi e
sottoposti ad irraggiamento. Si cerca quindi di produrre particolari con meno discontinuità (porosità, inclusioni, segregazioni, …) possibile e che possano essere assemblati limitando al minimo le saldature. Lo sviluppo integrato (la design chain) parte della colata dell’acciaio in acciaieria in una
forma opportuna (lingotti, barre, blumi, altre forme), per proseguire con il trasferimento in forgia, dove il lingotto viene
controllato, trattato termicamente e quindi lavorato alla
pressa e/o al laminatoio. Il trattamento termico e le lavorazioni meccaniche di sgrossatura e di finitura sono le fasi conclusive per l’ottenimento del pezzo finito. Per ognuna di queste fasi esistono degli strumenti di simulazione dedicati e
verticalizzati che consentono di simulare accuratamente le
condizioni al contorno della fase in esame allo scopo di prevedere e ottimizzare la qualità del componente, grazie ad una
migliore comprensione dell’influenza dei parametri di processo. L’approccio viene applicato e descritto successivamente
nel caso di un lingotto in acciaio.
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una uniformità di temperatura tra cuore e superficie.
La simulazione del riscaldo in forno (fig. 5) può essere effettuata con software come Forge, dove può
essere specificata una curva dell’atmosfera del forno
e le temperature del lingotto possono essere monitorate attraverso dei sensori. L’utilizzo dell’ottimizzatore integrato in Forge può essere utile per calibrare i tempi di permanenza in forno: grazie a questo strumento, nel caso specifico di un lingotto da
Fig. 5 – Forge - riscaldo in forno lingotto da 40t – temperature a cuore ed a superficie.
40t, si è compreso come il tempo di permanenza alla rima temperatura deva essere aumentato da 16 a
24h, mentre alla massima temperatura si possono risparmiadificazione, anche la formazione di porosità, la segregazione
re ben 12h.
dei vari elementi, la presenza di cricche a caldo, … (Figure
1, 2, 3, 4).
Forgiatura – processi di deformazione open-die
Al termine della prima fase del processo produttivo, ci si poIl processo di forgiatura è caratterizzato dalla presenza di
ne come obiettivo quello di trasferire le proprietà microstrutdue elementi fondamentali: il manipolatore, che tiene il pezturali e gli eventuali difetti alla fase successiva come avviezo in posizione e ne guida gli spostamenti e le rotazioni, la
ne nella sequenza reale. L’ormai pluriennale esperienza matupressa, che deforma il pezzo con diversi colpi e passate. La
rata in EnginSoft sia nel CAE che nel processo manifatturiero
forma finale viene ottenuta infatti attraverso una serie di deha permesso lo sviluppo di algoritmi specifici che agevolano
formazioni localizzate sotto le mazze, con tempi di diversi
il dialogo fra strumenti software commerciali di diversa natuminuti che comportano un raffreddamento dell’acciaio e la
ra e storia.
necessità di prevedere, soprattutto per pezzi di grosse dimensioni, delle ricalde in forno anche di diverse ore, per riForgiatura – processo di riscaldo del lingotto
portare il pezzo alla temperatura di lavorazione. Le difficoltà
Il lingotto prodotto in acciaieria viene trasportato alla forgia,
principali nella simulazione di questo processo sono la necesdove viene inizialmente riscaldato in forno. Questo processo
sità di automatizzare la sequenza degli afferraggi da parte
non è così semplice come sembra, in quanto bisogna adottadei manipolatori, la sequenza dei colpi e delle passate, con
re degli accorgimenti in modo da garantire un riscaldo unile corrette rotazioni e traslazioni del pezzo e/o delle mazze.
forme cuore-superficie, guidando nel contempo le trasformaFondamentale è la corretta definizione del
materiale in termini di curve di deformazione a caldo e dalla corretta definizione delle caratteristiche della pressa idraulica utilizzata. Il software Forge è stato sviluppato
in questi termini grazie all’apporto dei molti utilizzatori francesi che producono nel
Fig. 6 – Forge – possibili movimenti impostabili per ogni colpo/passata ed esempio blumatura.
campo dell’energia: la sequenza di colpi e
passate può essere definita con precisione
zioni che avvengono nell’acciaio aumentando la temperatura.
(fig. 6), indicando quando entrano in funzione i manipolatoLe dimensioni dei lingotti sono considerevoli, quindi bisogna
ri. Per ciascuno di essi si può specificare la zona di presa o e
modulare il forno in modo tale che l’acciaio venga portato
l’eventuale rigidezza degli afferraggi, che possono arretrare
gradualmente ad una temperatura attorno ai 700-800°C, che
alla spinta del materiale. La geometria delle mazze e del lindeve essere mantenuta per qualche tempo in modo da rendegotto di partenza vengono infine importate da CAD (formati
re omogeneo il cambio di fase e non creare eccessivi gradien.stl o .step).
ti termici cuore - superficie, dopodiché si può procedere fino
Durante la simulazione si può valutare come viene indotta la
alla temperatura di forgia di 1150-1200°C, fino ad ottenere
deformazione del materiale: quando la pressa esaurisce
Fig. 7 – Forge – ricalcatura, blumatura, stondatura spigoli, ricalcatura di testa e martellatura.
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la posizione nel lingotto di partenza, come è mostrato in fig.
9. L’utilità di questo metodo consiste nella identificazione
degli istanti in cui i difetti si generano e le relative cause per
agevolare il tecnico nella ricerca della soluzione appropriata
e efficace.
l’energia, la mazza si arresta e si passa al colpo successivo.
Se il materiale è troppo freddo non si raggiungono le altezze
di ricalcatura/blumatura desiderate, perciò dall’analisi delle
curve di discesa si può capire quando sia necessario sospendere la lavorazione per riportare in temperatura il pezzo.
Possono essere simulate pressoché tutte le lavorazioni che
vengono effettuate in forgia: ricalcatura con mazza piana o
con bocca, blumatura a stampi piani, curvi o sagomati, stondatura degli spigoli, ricalcature di testa (Fig. 7). Partendo da
barre o blumi è possibile utilizzare solo due mazze verticali o
macchine più complesse con 4 mazze, per il processo di martellatura rotante, o valutare in virtuale macchinari definiti
solo sulla carta.
Fig. 9 – Forge – valutazione a ritroso posizione difetti attraverso l’uso di sensori.
La simulazione viene utilizzata anche per valutare se la deformazione è in grado di compattare a sufficienza il materiale, partendo eventualmente da una distribuzione di porosità
proveniente dalla simulazione di colata del lingotto, come è
mostrato in Fig. 8.
Gli eventuali difetti nel forgiato sono ovviamente oggetti di
indagine e lo studio può essere effettuato anche a ritroso,
ovvero definendo la posizione del difetto rilevato nel pezzo
finito e seguendone il movimento “a marcia indietro” fino al-
Fig. 10 – processo di ottenimento di anelli a sezione rettangolare da laminare
In questo caso si effettuano delle analisi 2D molto rapide, simulando le fasi di ricalcatura, sagomatura, punzonatura e foratura, come mostrato nella fig. 11 per un anello sagomato.
La funzione di “chaining” consente impostare, calcolare ed
analizzare in sequenza tutte le operazioni, trasferendo i risultati da una operazione alla successiva, fino all’ultima azione
di tranciatura, nella quale si abilita la funzione di danneggiamento per seguire la separazione del fondo per effetto del
punzone di tranciatura.
Volendo rimanere nel campo della produzione di componenti
per il settore nucleare, un altro processo comunemente utilizzato per l’allargamento degli anelli è la bigornatura: l’anello ottenuto come sopra illustrato, di sezione rettangolare,
viene caricato su un mandrino ed una
mazza che ne provoca la deformazione
localizzata. La rotazione del mandrino
tra un colpo ed il successivo consente
di ottenere un allargamento graduale
dell’anello, preservandone la lunghezza
(Figura 12).
Forgiatura – processi di laminazione
circolare
L’anello prodotto con le fasi sopra descritte può quindi essere laminato, per ottenere le dimensioni (allargamento) e/o la forma desiderata (sagomatura del
profilo). I laminatoi, che possono essere di diverso tipo, sono costituiti generalmente da un rullo principale che induce
la rotazione, da un mandrino, che spinge il materiale verso il
rullo e da eventuali coni, che guidano l’altezza del profilo.
Tutti questi oggetti possono essere piani o sagomati. La simulazione di questo specifico processo risulta molto complessa per la limitata area di contatto tra mandrino, anello e
rullo, nella quale si concentra la massima deformazione e per
la cinematica guidata dall’allargamento dell’anello. L’elevato
SIMULAZIONE DI PROCESSO NEL CAMPO ENERGIA E NUCLEARE
Fig. 8 – Forge - chiusura delle porosità di colata con il processo di forgiatura.
Risulta quindi ovvia la possibilità di calibrazione virtuale delle fasi di forgiatura necessarie per l’ottenimento di anelli a
sezione rettangolare o sagomati, che poi possono essere laminati (fig. 10).
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Fig. 11 – Forge – 2D ricalcatura, punzonatura e tranciatura fondo per un anello sagomato.
Fig. 12 – Forge – bigornatura anello.
i tipici difetti di forma di questo processo, presenti soprattutto per pezzi sagomati: fish-tailing, mancanze di profilo,
rigetti di materiale.
Forgiatura – trattamento termico
Per tutte le tipologie di pezzi sopra tratFig. 13 – Forge – simulazione processo di laminazione circolare anello rettangolare e sagomato.
tate, dopo la fase di deformazione è
sempre presente il trattamento termico
per migliorare le caratteristiche meccaniche dell’acciaio. Il processo, che può
essere anche molto articolato, si compone di un riscaldamento in forno alla temperatura di austenitizzazione ed una
Fig. 14 – Forge – simulazione trattamento termico: temperatura, % martensite e durezza HV.
successiva immersione in un bagno di
tempra, che induce delle trasformazioni
microstrutturali nell’acciaio, modificando le fasi presenti. A seconda della drasticità dello scambio termico, si vanno a
formare ferrite, perlite, bainite e, nella
zone dove massimo è il gradiente, martensite. Nello specifico, la trasformazione martensitica è una trasformazione
esotermica ed induce una espansione
Fig. 15 – Forge – simulazione fase di immersione dell’anello in bagno di tempra.
della struttura cristallina, che può provocare una distorsione del pezzo. Anche
numero di giri infine rende il numero di calcoli da effettuare
per questa operazione è possibile utilizzare la simulazione,
molto elevato con una mesh adattiva che si aggiorna in parcon il software Forge, per valutare, al variare del percorso di
ticolare nelle zone di contatto. In tal caso le architetture
tempra e della forma del pezzo la formazione delle varie fasi,
hardware con calcolo parallelo multi-core o multi-processore
in funzione del raffreddamento imposto alle varie zone, per
(cluster) permettono di ottenere dei risultati sufficientemenconfronto con le curve TTT del materiale. Viene infatti effette accurati tempi ragionevoli. Nello specifico della definiziotuato un calcolo termico-meccanico-metallurgico accoppiato,
ne delle cinematiche del mandrino e dei coni è possibile guigrazie al quale si ottengono le fasi e la conseguente durezza
dare gli stampi mediante le stesse curve di laminazione che
finale del pezzo (fig. 14).
l’operatore imposta sul software del laminatoio, riproducendo quindi in virtuale il comportamento della macchina reale.
Recentemente il modello di calcolo è stato migliorato per tener conto di parametri di processo quali ad esempio la duraL’analisi del comportamento del materiale tra mandrino e rulta della fase di immersione nel bagno di tempra e l’effetto
lo consente di modificare la curva di laminazione e risolvere
sulla tempra del pezzo, come è mostrato in fig. 15.
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Fig. 15 – Forge – simulazione fase di immersione dell’anello in bagno di tempra.
Una volta valutate tutte le singole fasi di produzione di un
componente, dalla colata dell’acciaio, alla deformazione, alla
tempra ed alle lavorazioni meccaniche, è possibile infine utilizzare i risultati ottenuti (distorsioni di forma, stress residui,
proprietà meccaniche, difetti, …) per effettuare delle analisi strutturali o fluidodinamiche, nelle quali valutare le prestazioni in esercizio del componente. Nell’immagine seguente è
mostrato come l’introduzione degli stress residui e delle proprietà meccaniche come condizioni iniziali per l’analisi strutturale modifichi in modo rilevante le caratteristiche meccaniche di un corpo valvola sollecitato in esercizio.
Gli strumenti adatti e le competenze adeguate determinano
un binomio vincente per lo studio e la progettazione di componenti High Tech forgiati per il settore energetico e in particolare quella nucleare.
EnginSoft ha estese competenze nella simulazione di processo, derivanti da oltre 15 anni di esperienza a diretto contatto con questo tipo di problematiche del mondo industriale.
Conclusioni
La presente panoramica ha evidenziato come oggi sia possibile simulare tutte le operazioni necessarie alla produzione di
un particolare in acciaio di grosse dimensioni, partendo dalla colata del metallo nel lingotto, alla successiva lavorazione
di forgiatura o di laminazione, al trattamento termico.
Aspetto saliente è la possibilità con questi diversi strumenti
di valutare tutta la design-chain, in modo da essere in grado
di comprendere le cause di un problema andando a ritroso
lungo tutti i vari passaggi di produzione.
SOCIETÀ DELLE FUCINE – THISSEN KRUPP
Società delle Fucine ha deciso di intraprendere la
collaborazione con EnginSoft e dotarsi di strumenti di
simulazione numerica del processo di fucinatura, scegliendo in
particolare il software Forge nella versione parallela
multiprocessore. La competenza e disponibilità dei tecnici di
EnginSoft è risultata fondamentale per la rapida introduzione
dei nostri parametri di processo e la taratura dei modelli
numerici di fucinatura a stampi aperti che ha consentito di
raggiungere simulazioni aderenti alla realtà in tempi molto
rapidi. L'ing. Roberto Caldarelli, responsabile della
preventivazione e della progettazione delle sequenze di
produzione dichiara: “La scelta è caduta su questo programma
grazie alla estrema flessibilità nella definizione delle
cinematiche: tramite semplici istruzioni è possibile impostare
le passate ed i singoli colpi, indicando il tempo di pausa tra
un colpo ed il successivo e tutte le movimentazioni effettuate
dal manipolatore per posizionare correttamente il pezzo sotto
la pressa. Questi aspetti sono essenziali, assieme a risultati
che abbiamo verificato essere molto precisi, per poter
utilizzare Forge per prevenire possibili problemi di
deformazione del pezzo sotto la pressa, adottando opportune
modifiche dei cicli di stampaggio.“ “Prevediamo di utilizzare
le simulazioni in modo via via sempre più sistematico per i
nuovi pezzi prodotti e di estendere il suo utilizzo alle fasi di
riscaldamento in forno, per prevedere tempi di riscaldo e
dilatazioni e per il successivo processo di tempra, per valutare
le deformazioni relative alla trasformazione martensitica,
grazie alla possibilità di simulare le trasformazioni
microstrutturali”. Per ultimo si cercherà un collegamento con i
risultati ottenuti dalla simulazione della colata dei lingotti, in
modo da tener conto delle caratteristiche proprie del lingotto
di partenza e simulare tutto il processo produttivo.
SIMULAZIONE DI PROCESSO NEL CAMPO ENERGIA E NUCLEARE
FORGIATURA MAMÈ
Abbiamo fondato il CRS (Centro di Ricerca e Sviluppo) con
l'obiettivo di sviluppare il nostro know-how e migliorare le
conoscenze sui nostri prodotti e sul processo produttivo.
L'acquisto di FORGE il software di simulazione del processo di
forgiatura e trattamento termico ha lo scopo di aiutare il CRS
nella creazione di know-how. Grazie a questo software è
possibile quindi analizzare il processo nel dettaglio,
ottimizzando le fasi di fabbricazione, la qualità dei prodotti e
quindi la riduzione dei costi e dei tempi - ciclo. L'ambizione
dell'azienda è quella di riuscire ad offrire ai propri clienti un
concreto strumento di cooperazione nella fase di
progettazione dei prodotti, analizzando e simulando le
caratteristiche che più soddisfano i requisiti che il forgiato
deve possedere in funzione della sua destinazione d'uso.
L'utilizzo di Forge rappresenta il punto più importante
dell'attività del CRS: permetterà di acquisire una conoscenza
oggettiva, di tipo scientifico-ingegneristico. Non più soltanto
empirica e legata quindi solo all'esperienza personale di chi fa
parte dell'azienda.
Per informazioni, rivolgersi a:
ing. Marcello Gabrielli – EnginSoft
[email protected]