Wrinkling control in metal spinning through edge geometry and pre-straining: experiments and finite element simulation

Tran, Mai Van (2026). Wrinkling control in metal spinning through edge geometry and pre-straining: experiments and finite element simulation. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

This thesis investigates flange wrinkling during the first pass of conventional metal spinning and evaluates edge preforming as a practical way to improve stability without changing the final forming objective. The work combines controlled experiments with three-dimensional explicit finite element simulations and uses consistent geometric and mechanical measurements to connect process design, prestrain, and wrinkling response.
A main outcome is the quantitative evidence that introducing a preformed flange before spinning can suppress the circumferential buckling modes that develop in flat blanks. Under identical spinning conditions, the flat configuration exhibits pronounced wrinkles, while the flanged edge configuration remains smooth and stable. Wrinkle severity is evaluated from three-dimensional scan data using a peak to valley amplitude measure around the rim, enabling direct comparison across conditions. The results also show that the benefit of the flange depends on the selected flange geometry, particularly the flange angle and flange length, since these parameters govern the added edge rigidity.
To explain how edge preforming improves wrinkling resistance, the thesis reconstructs prestrain patterns using microhardness mapping and links these patterns to the evolving stiffness field near the flange root. Calibrated hardness-based relationships and structured sampling across the rim and curvature region are used for AA5052-O. Both edge forming by bending and edge forming by spinning increase hardening near the outer flange, while edge forming by spinning produces a stronger and wider hardened region than bending. These spatial differences support compact scalar measures of prehardening in the curvature band to compare preforming conditions.
A supporting numerical assessment shows that moderate simulation acceleration can preserve defect relevant predictions, whereas aggressive acceleration increases inertial influence and reduces reliability.
Overall, the thesis provides experimentally anchored guidance for designing edge conditioned blanks and for interpreting stability in spinning through combined geometry, hardness, and stress and strain history evidence.

Titre traduit

Contrôle du froissage en repoussage métallique par la géométrie du bord et la pré-déformation: étude expérimentale et simulation par éléments finis

Résumé traduit

Cette thèse étudie le froissage de la géométrie formée lors de la première passe du repoussage conventionnel et évalue le préformage du bord comme une approche pratique pour améliorer la stabilité sans modifier l’objectif final de mise en forme. Le travail combine des expériences contrôlées et des simulations tridimensionnelles par éléments finis explicites, et s’appuie sur des mesures géométriques et mécaniques cohérentes afin d’établir le lien entre les paramètres du procédé, la pré-déformation et la réponse au froissage.
Un résultat majeur est la mise en évidence quantitative que l’introduction d’une bride préformée avant le repoussage peut supprimer les modes de flambage circonférentiel qui se développent sur des flans plats. Dans des conditions de repoussage identiques, la configuration à flan plat présente des plis marqués, tandis que la configuration à bord bridé demeure lisse et stable. La sévérité du froissage est évaluée à partir de données de numérisation tridimensionnelle au moyen d’une mesure d’amplitude crête à creux le long du bord, ce qui permet une comparaison directe entre les différentes conditions. Les résultats montrent également que le bénéfice de la bride dépend de la géométrie retenue, en particulier de l’angle et de la longueur de la bride, car ces paramètres gouvernent l’augmentation de rigidité du bord. Afin d’expliquer comment le préformage du bord améliore la résistance au froissage, la thèse reconstruit les champs de pré-déformation à l’aide d’une cartographie de microdureté et relie ces champs à l’évolution du champ de rigidité au voisinage du pied de bride. Des relations microdureté–pré-déformation calibrées et un plan d’échantillonnage structuré sur les paramètres du bord et la zone de courbure sont utilisés pour l’alliage AA5052-O. Le formage du bord par pliage et le formage du bord par repoussage augmentent tous deux l’écrouissage près de la bride externe, tandis que le formage par repoussage génère une zone durcie plusintense et plus étendue que le pliage. Ces différences spatiales justifient l’emploi de mesures de pré-écrouissage dans la bande de courbure pour comparer les conditions de préformage.
Une évaluation numérique complémentaire montre qu’une accélération modérée des simulations peut préserver des prédictions pertinentes pour les défauts, tandis qu’une accélération trop élevée accroît l’influence inertielle et réduit la fiabilité des résultats.
Dans l’ensemble, cette thèse fournit des recommandations fondées sur l’expérimentation pour concevoir des flans à bord conditionné et pour interpréter la stabilité en repoussage à partir d’éléments convergents issus de la géométrie, de la microdureté et de l’historique des contraintes et des déformations.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 147-148).
Mots-clés libres:	froissage, bordage, rigidité, microdureté, repoussage, LS-DYNA
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur(-trice) Champliaud, Henri
Codirecteur:	Codirecteur(-trice) de mémoire/thèse Liu, Zhaoheng
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	14 juill. 2026 13:08
Dernière modification:	14 juill. 2026 13:08
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3943

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