Experimental and numerical investigation of temperature evolution during super plastic forming of an aluminum alloy sheet and its influence on distortion

Aleyari, Alireza (2020). Experimental and numerical investigation of temperature evolution during super plastic forming of an aluminum alloy sheet and its influence on distortion. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Super Plastic Forming (SPF) is a well-known manufacturing process in the transportation industry in which a superplastic thin sheet metal is extended to very large strains and deformed to complex shapes. In this method, with applying gas pressure, the thin sheet material is shaped into the SPF die. This technique is mostly used in the aerospace and automotive industries. One of the basic disadvantages of this method is the high production cycle time, that is a constraint for the development of the method in mass production scale like automotive industry. In recent years, there have been many efforts to overcome the above problem. High Speed Blow Forming (HSBF) process, also known as Quick Plastic Forming (QPF) as an advanced method based on the SPF has been newly introduced and is characterized by higher production rates. In both methods, there are similar technical challenges that need to be deeply investigated. Distortion in the final product is one of the most important technical issues in this manufacturing technique. During the SPF/HSBF process temperature variations is a critical parameter that could affect the distortion in the completed product.

Verbom Inc. is a Canadian base company located in Sherbrook, Quebec that utilizes both SPF and HSBF methods in the production of electrical car and train body panels. The company uses thin sheet aluminum alloy (5083) in their productions. However, the company is faced with undesirable distortion levels in some parts that could not be resolved using conventional trial and error practice. The present project was defined in this context and has objective to experimentally and numerically investigate the temperature variations and distortion phenomenon during the entire SPF/HSBF process, based on scientific methods. This project has resulted in the publication of three papers that will be explained in the following:

In the first paper, the temperature evolution in a HSBF tool during the offline heating process was numerically and experimentally investigated. As the HSBF process is carried out at high temperatures (0.4 – 0.6 of melting point of the part), before installing the HSBF tool on the press, the tool is heated by several heating elements until reaching to the target temperature (≈470 ºC in this case). This process is performed out of the press which is called offline heating. The temperature distribution on the HSBF die at the end of the offline heating process is important because the initial temperature distribution on the part after ejecting the part for the cooling purpose, follows the temperature distribution on the die. Due to the fact that the temperature discrepancy on the part during the cooling process could affect the distortion, then this study tried to simulate and investigate the temperature evolution during the offline heating process with the view of obtaining the most uniform temperature distribution on the HSBF die at the end of the process. As the offline heating in the SPF/HSBF process is a long process (≈30 hours in this case), the view of minimizing the duration of the process was also considered. In this regard, testing and modelling the offline heating process of the HSBF tool was considered. The dies of the HSBF tool (i.e. upper and lower dies) were instrumented by 14 K type thermocouples (TCs) 2 mm under the surface of the dies. The temperature of the TCs during the entire offline heating process was recorded. The process was also simulated by the commercial finite element software ABAQUS and a good conformity between the numerical and experimental results was found. Based on the valid numerical model, a new approach in the heating manner of the HSBF tool with the view of minimizing the duration of the process and improving the uniformity of the temperature distribution on the dies was proposed.

In the second paper, the temperature evolution of a SPF part during the cooling step of the SPF process was numerically and experimentally investigated. In this work, for the numerical simulation of the process, the initial temperature distribution of the part was required. Normally this initial temperature distribution is the same as the SPF die at the time of the ejecting. Hence FE simulation of the SPF tool was needed to obtain the temperature distribution of the die which is a time consuming process as it was shown in the first paper. In this regard, a new approach as local temperature variation was proposed and practically the surface of a large SPF part was divided to 9 equal zones and a K type TC was attached on the center of each zone. The cooling process which starts after ejecting the part from the SPF die was tested. For the cooling purpose, during the cooling process several cooling fans after the ejecting process vertically blew on the top side of the part until the part reached to the ambient temperature. The temperature evolution of each TC during the entire process was recorded. The recorded temperature of the TC of each zone was considered as the temperature of the whole zone. The Heat Transfer Coefficient (HTC) of each zone based on the new approach as local temperature variation, was directly calculated from the experimental cooling curves. The cooling process was successfully simulated by ABAQUS and a good agreement between the experimental and numerical results was found. The results in the paper confirmed that the proposed approached was reasonable and therefore the numerical modelling of the SPF tool for determination of the initial temperature distribution of the part, is no longer required and the determined HTC values with this method could be considered for any thermal investigation in the SPF process. However the obtained initial temperature distribution of the part from the numerical modelling of the tool is a continuous value over the surface of the part. In other word, each point of the part has its own specific temperature and practically the calculation of the HTC value for each point form the cooling curves is not possible. Hence, the new proposed approach gave this possibility to calculate the HTC value for the numerical simulation purpose. However in the paper the contribution of the radiation term in the HTC value was investigated and the results showed that the radiation effect during the air cooling process is a negligible phenomenon.

In the third paper, experimental investigation of the distortion issue in the same SPF part was considered. In this work, the SPF part was divided to 9 equal zones and a K type TC was assigned for each zone. The TCs were attached at the center of each zone and the temperature evolution of each zone during the cooling process was recorded. In this study, four cooling tests with different thermal conditions was defined and conducted. In each test, the conditions were changed to see the effect of the important parameters as initial temperature distribution and HTC value distribution. The four defined tests were successfully performed and the tested parts were scanned by a 3D scanner camera for comparison with the CAD model of the SPF part. The model of each part was built and compared with the CAD model in the metrology software PolyWorks. The observations showed that more uniformity in the initial temperature distribution within the part could improve the distortion while more uniformity in the HTC distribution did not show considerable effect on the distortion. Hence, the study concluded that the initial temperature distribution is more important and effective parameter in comparison with more uniformity in HTC value over the surface of the part.

Titre traduit

Étude expérimentale et numérique de l'évolution de la température lors du formage super plastique d'une feuille d'alliage d'aluminium et de son influence sur la distortion

Résumé traduit

Super Plastic Forming (SPF) est un processus de fabrication développé dans lequel une tôle mince est déformée à de très grandes proportions et en des géométries souvent complexes. Dans ce procédé, avec l'application d'une pression de gaz, le matériau en feuille mince est formé dans la matrice SPF. Cette technique est principalement utilisée dans les industries aérospatiale et automobile. L'un des inconvénients fondamentaux de cette méthode est le temps élevé du cycle de production, ce qui constitue une contrainte pour le développement de la méthode à grande échelle, par exemple pour l'industrie automobile. Ces dernières années, de nombreux efforts ont été déployés pour surmonter ce problème. Le procédé de formage par soufflage à haute vitesse (HSBF), également connu sous le nom de Formage plastique rapide (QPF) en tant que méthode avancée basée sur le SPF, a été introduit récemment. Il s'agit d'une alternative souhaitable avec un taux de production élevé. Cependant, des défis techniques spécifiques sont associés à cette méthode et doivent être examinés en profondeur. La distorsion du produit final est l’un des problèmes techniques les plus importants qui est en grande partie liée aux variations de température lors du cycle de refroidissement.

Verbom Inc. est une entreprise canadienne située à Sherbrooke, Québec qui utilise à la fois les méthodes SPF et HSBF dans la production de panneaux de carrosserie de voitures et de trains électriques faits de tôles minces en alliage d'aluminium (5083). L’idée initiale de ce projet est venue de l’entreprise qui rencontrait des problèmes de distorsions dans les produits finaux et qui n’arrivait pas à les résoudre de façon systématique. D’où la nécessité de faire une étude fondamentale des phénomènes thermiques mises en jeu aux différents stades du procédé. Ce projet a été donc défini pour étudier de manière expérimentale et numérique les variations de température et le phénomène de distorsion tout au long du processus SPF/HSBF. Trois articles scientifiques ont été produits à partir des résultats de recherche obtenu dans ce projet qui seront expliqués dans ce qui suit:

Dans le premier article, l'évolution de la température dans un outil HSBF au cours du processus de chauffage hors ligne a été étudiée numériquement et expérimentalement. Comme le procédé HSBF est exécuté à des températures élevées (0,4 à 0,6 du point de fusion de la pièce), avant d'installer l'outil HSBF sur la presse, l'outil est chauffé par plusieurs éléments chauffants jusqu'à atteindre la température cible (≈470 ºC en ce cas). La distribution de la température sur la matrice HSBF à la fin du processus de chauffage hors ligne est importante car la distribution de température initiale sur la pièce, après son éjection pour le refroidissement, suit celle de la matrice. Étant donné que la différence de température sur la pièce pendant le processus de refroidissement pourrait affecter la distorsion, cette étude a tenté de simuler et d’examiner l’évolution de la température pendant le processus de chauffage, hors ligne en vue d’obtenir la distribution de température la plus uniforme sur la matrice HSBF à la fin du processus. Comme le chauffage hors ligne dans le processus SPF/HSBF est long (30 heures dans ce cas), la possibilité de minimiser la durée du processus a également été prise en compte. À cet égard, il a été envisagé de tester et de modéliser le processus de chauffage hors ligne d’un outil HSBF. Les matrices supérieure et inférieure ont été instrumentées par des thermocouples (TC) de type K, 2 mm sous la surface des matrices. La température des TC pendant tout le processus de chauffage hors ligne a été enregistrée. Le processus a également été simulé par le logiciel commercial éléments finis ABAQUS et une bonne conformité entre les résultats numériques et expérimentaux a été constatée. Sur la base du modèle numérique validé, une nouvelle approche de la méthode de chauffage de l'outil HSBF visant à minimiser la durée du processus et à améliorer l'uniformité de la distribution de la température sur les matrices a été proposée.

Dans le deuxième article, l’évolution de la température d’une pièce SPF au cours de la phase de refroidissement a été étudiée numériquement et expérimentalement. Dans ce travail, pour la simulation numérique du processus, la distribution de température initiale de la pièce était requise. Normalement, cette distribution de température initiale est la même que celle de la matrice SPF au moment de l’éjection. Par conséquent, la simulation FE de l'outil SPF était nécessaire pour obtenir la distribution de la température de la matrice, ce qui prend du temps, comme il a été montré dans le premier article. À cet égard, une nouvelle approche consistant à faire varier la température locale a été proposée consistant en la division de la surface d’une grande partie du SPF en 9 zones égales et un TC de type K a été fixé au centre de chaque zone. Le processus de refroidissement qui commence après l’éjection de la pièce de la matrice SPF a été testé. Dans la pratique industrielle, pendant le processus de refroidissement, plusieurs ventilateurs entrent en fonction; cependant, considérant que la pièce formée sort de façon progressive de sous la presse et que la pièce est refroidie de façon progressif l’analyse de la dynamique du refroidissement devient complexe. En particulier, l’influence des ventilateurs doit être bien quantifiée. Dans ce contexte, afin d’obtenir une idée précise du coefficient de transfère de chaleur, l'évolution de la température de chaque TC pendant tout le processus a été enregistrée. La température enregistrée du TC de chaque zone était considérée comme la température de toute la zone. Le coefficient de transfert de chaleur (CTH) de chaque zone, basé sur la nouvelle approche (variation locale de la température), a été directement calculé à partir des courbes de refroidissement expérimentales. Le processus de refroidissement a été simulé avec ABAQUS et un bon accord entre les résultats expérimentaux et numériques a été trouvé. Les résultats obtenus ont confirmé que l'approche proposée était raisonnable et que, par conséquent, la modélisation numérique de l'outil SPF permettant de déterminer la distribution de température initiale de la pièce n'est plus nécessaire, et les valeurs de CTH déterminées avec cette méthode pourraient être prises en compte pour tout traitement thermique. Il est à noter que, la contribution du terme de rayonnement sur la valeur de CTH a été aussi étudiée et les résultats ont montré que l'effet de rayonnement pendant le processus de refroidissement à l'air est un phénomène négligeable.

Dans le troisième article, une étude expérimentale sur la distorsion sur une pièce de taille réelle produite par le procédé SPF a été conduite. Dans ce travail, le concept introduit dans l’article 2 a été mise en pratique et la pièce a été divisée en 9 zones égales et un TC de type K a été attribué à chaque zone. Les TC ont été fixés au centre de chaque zone et l'évolution de la température de chaque zone au cours du processus de refroidissement a été enregistrée. Dans cette étude, quatre tests de refroidissement avec différentes conditions thermiques ont été définis et conduits. Dans chaque test, les conditions ont été modifiées pour voir l'effet des paramètres importants tels que la distribution de température initiale et la distribution de valeurs CTH. Les quatre tests définis ont été effectués avec succès et les pièces testées ont été numérisées par une caméra de numérisation 3D pour comparaison avec le modèle de CAO de la pièce SPF. Le modèle de chaque pièce a été construit et comparé au modèle CAO dans le logiciel de métrologie PolyWorks. Les observations ont montré qu'une plus grande uniformité dans la distribution de la température initiale dans la pièce pourrait améliorer la distorsion, tandis qu'une plus grande uniformité dans la distribution du CTH ne montrait pas d'effet considérable sur la distorsion. Par conséquent, l’étude a conclu que la distribution de la température initiale est un paramètre plus important et plus efficace en comparaison avec une plus grande uniformité de la valeur du CTH sur la surface de la pièce.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 97-102).
Mots-clés libres:	formage superplastique, formage à grande vitesse par soufflage, élément chauffant, chauffage hors ligne, coefficient de transfert de chaleur, Refroidissement, distorsion, évolution de température, modélisation par éléments finis, ABAQUS
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Jahazi, Mohammad
Codirecteur:	Codirecteur Pham, Tan
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	14 juin 2021 17:23
Dernière modification:	25 nov. 2021 18:48
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2654

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