Ottimizzazione numerico sperimentale del processo di estrusione di leghe leggere

The hot extrusion of light alloys is a forming process widely used to manufacture constant cross-section profiles of any complexity, as multi-hollow and variable thicknesses profiles, by imposing high deformations rates. In the last years, requirements for high strength, quality and precision continuously increased, together with a steep increasing of the market competition, thus making mandatory an accurate setting and optimization of the extrusion process at the design stage to produce defect-free profiles, to maximize the production rates and to reduce the material scraps. In this scenario, aim of the present PhD thesis was a comprehensive monitoring and optimization of the extrusion process in terms of key-parameters identification and control, tooling design and defects assessment. More specifically, work has been focused on the investigation of the process performed with a die cooled with liquid nitrogen to avoid thermal defects in the profile and to improve the tooling set life, and on the analysis and prediction of charge welds and skin defects to reduce the material scrap. Concerning the first topic, even if the use of nitrogen in extrusion is an industrial consolidated technology, a systematic approach for the design, optimization and testing of the cooling channel is still missing in literature. Cooling channels are usually manufactured according to the designer’s experience, thus making extremely challenging the managing of the many variables involved, such as those of the channel geometry and position, of the coolant properties and of the cooling parameters. However, the use of advanced numerical tools can support the implementation of an efficient approach for the selection of an optimal cooling solution at the process-die design stage. In terms of material scrap, charge welds (front-end) and billet skin (back-end) are both defects that drastically reduce the mechanical and the esthetical properties of the final profile due to the presence of transition zones with different microstructure, altered chemical composition and contaminants (oxides, lubricants...). Then, an in-depth knowledge and an accurate predictability of these defects evolution represent a mandatory requirement for the scrap minimization. During the PhD period, different experimental campaigns have been performed to monitor the thermal field during the extrusion process with a nitrogen cooled die as well as to assess the influence of process parameters on the charge-skin defects evolution. In addition, an extensive numerical work has been accomplished by implementing and validating predictive models to be used as key support tools for process optimization. As main outcomes of the work, the proposed numerical model for nitrogen cooling showed that a discrete modelling approach (gaseous or liquid-only cooling), even if providing useful indications on the average thermal distribution, show some limitations thus pushing toward a more sophisticated mixed model to account the nitrogen phase-change. The experimental-numerical comparison showed a good matching of the results in terms of temperature prediction with average errors below 8% both in uncooled and in nitrogen cooled conditions. A good numerical prediction was found also in terms of charge welds and billet skin evolution in the investigated profiles. Numerical results evidenced a good predictability in terms of defects extend and onset, especially if data are compared with the theoretical formulas reported in literature that showed errors greater than 50% with respect to experimental data. The achieved results suggest the reliability of the developed and tested simulation tools and their easy integrability in a flexible procedure to be used for process and die-design optimization.

L'estrusione a caldo di leghe leggere è un processo di formatura dove, imponendo grandi deformazioni ed elevate velocità di deformazione, è possibile ottenere profili a sezione costante di alta complessità, come profili multi-cavità e/o con spessori variabili. Negli ultimi anni, la richiesta di requisiti sempre più stringenti in termini di resistenza, qualità e precisione, combinata all’aumento della concorrenza di mercato, ha reso necessario un attento controllo e ottimizzazione del processo già in fase di progettazione per produrre componenti privi di difetti, per massimizzare la produttività e ridurre gli scarti di materiale. In questo scenario, l'obiettivo della presente tesi di dottorato è il monitoraggio e l'ottimizzazione del processo di estrusione sia in termini di identificazione e controllo dei parametri più significativi, sia in termini di progettazione degli utensili e analisi dei difetti. In particolare, il lavoro si è focalizzato sullo studio del processo di estrusione con matrice raffreddata ad azoto liquido per evitare difetti nel profilo e per migliorare la vita utile degli utensili e sull'analisi e la previsione dei difetti di charge welds e billet skin. Con riferimento alla prima tematica, anche se l'utilizzo dell'azoto nell'estrusione è una pratica industriale consolidata, lo stato dell’arte è carente di un approccio sistematico per la progettazione e l'ottimizzazione dei canali di raffreddamento. Infatti, i canali sono solitamente realizzati sulla base dell’esperienza del progettista, rendendo difficile la gestione e il controllo delle numerose variabili in gioco relative, per esempio, alla geometria e alla posizione del canale, alle proprietà del refrigerante e ai parametri di processo. In questo contesto, l'uso di modelli numerici avanzati può supportare l'implementazione di una metodologia sistematica per garantire un design efficiente in termini di raffreddamento già durante la fase di progettazione della matrice. In termini di scarto di materiale, i difetti di charge welds e billet skin riducono di molto le proprietà meccaniche ed estetiche del profilo per la presenza di zone di transizione con diversa microstruttura, alterazioni chimiche e presenza di contaminanti (ossidi, lubrificanti...). Pertanto, per la minimizzazione degli scarti risulta necessario uno studio approfondito dei difetti per poterne prevedere la comparsa e l’evoluzione durante il processo. Durante il progetto sono state eseguite diverse campagne sperimentali per monitorare sia l’evoluzione del campo termico durante il processo di estrusione con raffreddamento ad azoto sia per valutare l'influenza dei parametri di processo sull'evoluzione dei difetti. Inoltre, gran parte del lavoro è stato dedicato all’implementazione e alla validazione di modelli numerici da utilizzare come supporto mirato all'ottimizzazione di processo. Tra i risultati più significativi, il modello numerico per il raffreddamento ha evidenziato che modellando l’azoto come fluido monofase (liquido o gassoso), si ottengono buoni risultati macroscopici sull’evoluzione del campo termico, ma i limiti riscontrati hanno spinto verso un modello più complesso per tenere conto del cambiamento di fase. Il confronto numerico-sperimentale ha mostrato errori medi inferiori all'8% sia con raffreddamento sia senza. Anche in termini di estensione ed insorgenza dei difetti di charge welds e billet skin sono stati ottenuti buoni risultati numerici, soprattutto se paragonati con le attuali formulazioni teoriche ed empiriche presenti in letteratura (errori superiori al 50%). I risultati ottenuti suggeriscono l'affidabilità degli strumenti di simulazione sviluppati e la loro facile integrabilità industriale come supporto sia per l'ottimizzazione di processo che per la progettazione degli stampi.