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Simonetto, Enrico (2018) In-line control of tube bending processes by means of smart tools. [Ph.D. thesis]

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[img]PDF Document (Tedi dottorato)
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Abstract (italian or english)

Hollow profiles are used both for structural purposes and as pipelines in several technical applications. Due to their material distribution on the cross-section these elements are both lightweight and at the same time retain high bending stiffness. They are widely used in energy, civil, automotive, aerospace and furniture sectors for different purposes. Due to this wide range of applications, a lot of tube with different materials, sizes and shapes are required. In most cases bent components with complex shapes are required starting from straight workpieces. Over the years, several bending technologies have been developed to meet the demand of the most technologically advanced markets, with different characteristics (such as flexibility, quality or accuracy). Among the available processes, the most important ones are the draw bending and the three roll push bending processes, which are often both implemented in modern bending machines to obtain a wide variety of shapes. The draw bending process can be used to obtain accurate and repeatable bends with bending radii from 0.5 to 10 times the diameter of the tube. While the three roll push bending process is suitable to obtain bending radii greater than 10 times the tube diameter. These processes are subject to several criticalities, typical of all the bending operations, such as: springback, wrinkles, section ovalization, or low formability. All of these phenomena have been deeply studied in literature and several analytical or numerical models are proposed to predict their magnitude. However, these phenomena are strongly affected not only by the tube material and geometry, but also by the process boundary conditions. These conditions are difficult and expensive to evaluate and are also subject to a high degree of uncertainty. Consequently, the proposed models are useful for assessing the process sensitivity changing these boundary conditions, but they are not applied at industrial level to optimize each single production batch. A review of the scientific literature outlines that a method to overcome this problem is to control the process in a closed-loop configuration. In order to implement such an approach, it is necessary to continuously measure the property of the workpiece that have to be controlled over the process. In tube bending processes, the property of interest is the final geometry of the tube and the purpose of the present thesis is to develop a new approach to in-line monitor it. In order to meet this purpose several smart tools have been designed with embedded inertial sensors. A sensor is embedded also in the mandrel last ring to calculate its orientation during all the stages of the production process. Along with the smart tools also the hardware and software acquisition system, the sensor calibration procedure and the analysis procedure of both the machine and sensor data were developed. The later one allow to analyse the data in order to monitor in real time: the final bending radius in a three roll push bending operation, the springback angle in a rotary draw bending operation and the onset of wrinkles in both processes. Finally, to evaluate the capabilities of the system, several bending operations were performed using the developed system. Both three roll push bending and rotary draw bending operations were carried out changing the curvature radii and the bending angles. Furthermore, both sound components and wrinkled ones were bent to test the system capabilities to identify defects. All bent tubes were measured off-line with a coordinate measuring machine and a digital protractor. The results obtained from the developed system were compared with these reference measures, showing that they are in good agreement. Finally, the system was able to identify the presence of wrinkles in tubes bent with both the technologies.

Abstract (a different language)

I profili cavi sono utilizzati sia a scopo strutturale sia come tubazioni in diverse applicazioni tecniche. Questi elementi grazie alla distribuzione del materiale sulla sezione sono leggeri e allo stesso tempo conservano un alta rigidezza a flessione. Sono ampiamente utilizzati nei settori energetico, civile, automobilistico e aerospaziale e del bianco per diversi scopi. Data questa grande varietà di applicazioni sono richiesti tubi con un altrettanto ampia varietà in termini di materiali, dimensioni e forme. Nella maggior parte dei casi non sono richiesti componenti dritti, ma tubi piegati con forme complesse. Per far fronte alle diverse richieste del mercato, nel corso degli anni sono state sviluppate diverse tecnologie di piegatura. Ognuna di queste è in grado di ottenere diversi raggi di curvatura e angoli di piega con caratteristiche differenti. Tra i processi di piegatura possibili, si distinguono i processi di stiropiegatura e di calandratura su tre punti che sono utilizzati contemporaneamente sulle moderne macchine piegatrici per ottenere un’ampia varietà di forme. Il processo di stiropiegatura è adatto ad ottenere pieghe accurate e ripetibili con raggi di curvatura da 0.5 a 10 volte il diametro del tubo. Mentre il processo di calandratura è adatto ad ottenere raggi di curvatura superiori a 10 volte il diametro del tubo. Questi processi sono soggetti a diverse criticità, tipici delle operazione di piegatura, tra cui: il ritorno elastico, le grinze, l’ovalizzazione della sezione o la rottura del componente. Tutti questi fenomeni sono stati oggetto di numerosi studi in letteratura, in cui vengono proposti diversi metodi analitici o numerici per prevederne l’entità. Tuttavia questi fenomeni sono fortemente influenzati non solo dal materiale e dalla geometria del tubo, ma anche dalle condizioni al contorto di processo. Queste condizioni sono difficili e costose da valutare ed inoltre soggette ad un elevato valore di incertezza. Di conseguenza, i modelli proposti sono utili per valutare la sensibilità dei processi al variare delle condizioni al contorto, ma non sono utilizzabili nella pratica aziendale per ottimizzare ogni singolo processo produttivo. Una revisione della letteratura scientifica ha evidenziato come questo sia un problema comune a molti settori produttivi e a molte operazioni di formatura dei metalli. Un modo per superare questo problema è quello di controllare il processo tramite un sistema a ciclo chiuso invece che tramite un sistema di controllo a ciclo aperto. Per attuare un simile approccio, è necessario misurare con continuità durante il processo le proprietà del pezzo che si intende controllare. Nel processi di piegatura dei tubi la proprietà di interesse è la geometria finale del tubo, ma non esistono sistemi in grado di monitorare la geometria dei tubi piegati attualmente implementati con successo in ambiente industriale. Per questo motivo lo scopo di questa tesi di dottorato è quello di sviluppare uno strumento per monitorare in-linea la geometria del tubo. Dopo un’attenta osservazione di entrambi i processi è possibile notare come il mandrino sia l’unico utensile comune ad entrambi che durante il processo si muove come il tubo. Di conseguenza è stato realizzato un mandrino intelligente, fissando un sensore inerziale al suo ultimo anello che permette di calcolare l’orientazione durante le varie fasi del processo produttivo. Assieme al mandrino intelligente sono stati sviluppati l’hardware e il software di acquisizione, la procedura di calibrazione del sensore, la procedura per il campionamento e analisi dei dati di macchina e sensore e infine le metodologie di analisi dei dati. Queste ultime consentono di elaborare i dati al fine di calcolare in tempo reale: il raggio di curvatura in calandratura, l’angolo di ritorno elastico in stiropiegatura e l’insorgenza di grinze in entrambi i processi. Infine per verificare le capacità del sistema sono stati effettuate delle operazioni di piegatura utilizzando il sistema sviluppato. Sono state eseguite sia operazioni di calandratura al variare del raggio di curvatura che operazioni di stiropiegatura variando l’angolo di piega. In entrambi i casi sono stati ottenuti sia componenti integri che componenti grinzati per verificare la capacità del sistema nell’identificazione dei difetti. Tutti i tubi piegati sono stati misurati una volta scaricati dalla piegatrice con una macchina di misura a coordinate e con un goniometro digitale. I valori delle misurazioni effettuati in questo modo sono stati considerati come valori di riferimento e confrontati con i risultati ottenuti dal sistema sviluppato, dimostrando di essere in buon accordo. Il sistema si è dimostrato capace di identificare anche la presenza delle grinze nei tubi piegati utilizzando entrambi i processi di piegatura.

EPrint type:Ph.D. thesis
Tutor:Bruschi, Stefania
Ph.D. course:Ciclo 30 > Corsi 30 > INGEGNERIA INDUSTRIALE
Data di deposito della tesi:11 January 2018
Anno di Pubblicazione:January 2018
Key Words:tube bending, sensor, in line control
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 09 - Ingegneria industriale e dell'informazione > ING-IND/22 Scienza e tecnologia dei materiali
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Ingegneria Industriale
Codice ID:10646
Depositato il:25 Oct 2018 16:54
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