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Borsetto, Francesca (2010) Tribological performance of environmentally friendly solid lubricant coatings for sheet metal forming. [Tesi di dottorato]

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Abstract (inglese)

In a society becoming more and more conscious of the effect of human activities on environment, it is not possible to neglect impacts caused by manufacturing. Not only environmental but particularly economical and legislative reason oblige industry to respond. Besides, it must be a technological objective to optimize production towards environmental compatibility or cleanness respectively.
Sheet metal forming is assessed to consume quite few energy, related to the weight of a finished component, and to yield a high degree of material efficiency. However due to the earth’s decreasing resources and the pollution caused by energy and material consumption further reductions of consumptions are required.
The transformation of energy, material and supplies into a finished or semi-finished piece is only one aspect of metal forming. Besides the piece to be produced, all production steps of material’s pre-treatment, forming and post-treatment also produce unwanted and more or less harmfull residual materials and emissions. referring to the forming step oil based lubricants play a key role as they are environmentally hazardous and pose a danger both directly to the production personnel, which are in daily contact with the products. In addition they force to use unhealthy degreasing agents to remove the oil from the formed parts. The possible strategies for how to handle residual lubricants are:
• disposal
• recycling
• reduction
• substitution
• avoidance
Nowadays, the disposal of the exhausted oil is still a very widespread method even if it does not represent an ecologically nor economically attractive solution for the future, but reduction and especially substitution are required wherever possible. Pursuing the reduction/avoidance strategy, in recent years different types of solid lubricant coatings deposited mainly on the tool side have been proposed and their frictional behaviour investigated. Scientific literature presents results from several tests performed on these materials through commercially available friction testers, but they usually reproduce testing conditions far from the real process ones.
Therefore, the objective of the present work is to investigate the friction behaviour of three different types of solid lubricant coatings deposited either on the tool side or on the sheet metal side, under process conditions.
Two different case studies have been analyzed: deep drawing of stainless sheets and hot stamping of quenchable boron high strength steels.
With respect to the first tribological system the friction coefficient µ is determined as function of the main process parameters: normal pressure, sliding speed, tool and sheet metal specimen temperatures by means of an ad hoc experimental device, designed and set-up during the Phd period at The Department of Manufacturing, University of Padova. The results obtained for two different inhorganic coatings (tool side) and two types of organic coated sheet were compared with the performance of a deep drawing conventional oil (considered as reference). While the inorganic coated dies performed worse than the non coated ones (due especially to their surface morphology) the organic film coated specimens showed a high potential to perform dry sheet metal working operations being their coefficient of friction comparable with the one of the traditional oil.
In the case of the hot stamping process Al-Si coated high strength steel sheet where studied in terms of the film evolution with thermal parameters. The coating tribological performance as function of testing temperature, normal pressure, sliding speed tool surface roughness was investigated by means of high temperature pin on disc test. As main result it was found that the interaction between the testing temperature and the normal pressure did influence the friction at the sheet metal die interface thus allowing an optimization of the process parameters.

Abstract (italiano)

In una società che diventa sempre più consapevole delle conseguenza che l’attività umana ha sull’ambiente, non è possibile ignorare l’impatto dovuto alle aziende manifatturiere. Queste ultime devono rispondere non solo a delle esigenze ambientali ma anche a degli obblighi di tipo economico e legislativo.
Nello specifico, lo stampaggio di lamiera viene considerato come un processo che consuma non poca energia se viene considerato il peso del componente finito, al tempo stesso si tratta di un processo caratterizzato da un livello elevato di efficienza per quanto riguarda l’utilizzo di materia prima. Nonostante ciò l’esaurirsi delle risorse presenti in natura ed il livello preoccupante di inquinamento causati dal consumo di energia e di materia prima impone un’ulteriore riduzione dei consumi.
La trasformazione di energia, materia prima e utenze in un prodotto finito o semi-finito è solo un aspetto dello stampaggio di lamiera. Oltre al pezzo da realizzare, tutte le fasi di produzione dal pre-trattamento del materiale, alla formatura, al post-trattamento producono anch’esse materiali residui o emissioni non voluti o pericolosi. Con particolare riferimento alla fase di formatura i lubrificanti di tipo liquido giocano un ruolo fondamentale essendo per la maggior parte nocivi nei confronti dell’ambiente e pericolosi da utilizzare da parte del personale. In aggiunta sono necessari agenti sgrassanti, solitamente nocivi, per pulire il pezzo finito. Al fine di ridurre l’impatto ambientale degli olii lubrificanti, e possibili strategie sono:
• smaltimento
• reciclaggio
• riduzione
• sostituzione
• eliminazione
Attualmente la pratica più diffusa è quella relativa allo smaltimento anche se non rappresenta una soluzione vantaggiosa né dal punto di vista economico né dal punto di vista ecologico; la riduzione ed ancora di più l’eliminazione dei lubrificanti liquidi dovrebbero essere perseguite laddove possibile.
Sostenendo una politica di eliminazione negli ultimi anni sono state proposte diverse tipologie di rivestimenti solidi atti alla riduzione dell’attrito nello stampaggio di lamiera. In letteratura si trovano diversi risultati sperimentali relativi al loro comportamento tribilogico, in condizioni però tendenzialmente diverse da quelle tipiche di processo.
Il presente lavoro di tesi si pone pertanto come obiettivo la caratterizzazione tribologica, in condizioni di processo, di tre sistemi di lubrificazione di tipo solido.
Sono stati presi in considerazione due diversi casi industriali, imbutitura di acciaio inossidabile e stampaggio a caldo di acciaio altoresistenziale al boro.
Con riferimento al primo sistema tribologico si è determinato il coeffciiente d’attrito in funzione di pressione normale, velocità di scorrimento, temperatura sia dell’utensile che della lamiera tramite test simulativo di tipo trip drawing. L’attrezzatura sperimentale in grado di realizzare tale tipologia di test è stata interamnente progettata e realizzata durante il periodo di dottorato presso i laboratori del DIMEG, Università di Padova.
I risultati ottenuti per i due rivestimenti di tipo inorganico (CrN, CrN-DLC) depositati sul lato stampo sono stai peggiori di quelli ottenuti con gli stampi non rivestiti e lubrificati solo con olio. Ciò è stato probabilmente dovuto alla morfologia della superficie rivestita che va ottimizzata una volta effettuato il deposito del rivestimento stesso.
Per quanto riguarda i rivestimenti organici, uno in particolar modo, ha dimostrato di essere un ottimo candidato per operazioni di stampaggio a secco dal momento che presenta un coefficiente d’attrito paragonabile a quello dell’olio.
Con riferimento invece al sistema tribologico presente nelle operazioni di hot stamping, si è inizialmente studiata l’evoluzione sia chimica che morfologica del rivestimento Al-Si (depositato sulla lamiera) con i parametri termici di proceeso. Quindi si è analizzato il comportamento tribologico dello stesso in funzione di parametri quali la temperatura di test della lamiera, la pressione normale, la velocità di strisciamento e la rugosità dello stampo. Si è messo in evidenza come l’interazione tra pressione normale e temperatura abbiano un’influenza significativa sull’attrito all’interfaccia lamiera/stampo permettendo così un’ottimizzazione dei parametri di processo.


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Tipo di EPrint:Tesi di dottorato
Relatore:Bariani, Paolo F.
Correlatore:Bruschi, Stefania
Dottorato (corsi e scuole):Ciclo 22 > Scuole per il 22simo ciclo > INGEGNERIA INDUSTRIALE > INGEGNERIA DELLA PRODUZIONE INDUSTRIALE
Data di deposito della tesi:NON SPECIFICATO
Anno di Pubblicazione:01 Febbraio 2010
Parole chiave (italiano / inglese):tribology, sheet metal working, friction, coating
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 09 - Ingegneria industriale e dell'informazione > ING-IND/16 Tecnologie e sistemi di lavorazione
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Innovazione Meccanica e Gestionale
Codice ID:2977
Depositato il:24 Set 2010 11:47
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