Sviluppo di un sistema intelligente di gestione del ciclo di vita degli stampi per forgiatura a freddo basato su dati reali

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 13297 (2022) Citare questo articolo

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Gli stampi per forgiatura a freddo sono prodotti attraverso il processo di calettamento per resistere a carichi ad alta pressione, ma alla fine si verifica un cedimento per fatica a causa di ripetute sollecitazioni di compressione. Il ciclo di vita fino al cedimento per fatica è stato definito come durata limite e sono stati effettuati tentativi per prevedere la durata dello stampo in base al metodo degli elementi finiti. Tuttavia, una previsione accurata era impossibile a causa di variabili ambientali incontrollabili. Di conseguenza, è impossibile determinare chiaramente il ciclo di sostituzione dello stampo, con conseguenti conseguenze negative quali scarsa qualità, ritardo nella produzione e aumento dei costi. Vari fattori ambientali che influenzano la previsione del ciclo di vita dello stampo determinano l'aumento o la diminuzione del carico di formatura, che è una variabile importante che determina il ciclo di vita dello stampo. In questo studio è stato sviluppato un sistema per il monitoraggio dei dati di carico generati dagli impianti di forgiatura basato su un sensore piezoelettrico. Inoltre, il ciclo di vita dello stampo è stato previsto in modo più accurato utilizzando i dati del carico di formatura misurati in tempo reale e un sistema di gestione della vita dello stampo in grado di determinare il ciclo di sostituzione dello stampo è stato applicato alla linea di produzione delle parti dello sterzo dell'automobile.

L’industria manifatturiera nella società moderna si trova ad affrontare diversi problemi dovuti all’eccessivo aumento dei costi di produzione, compresi i costi dei materiali e della manodopera, alle rapide fluttuazioni della domanda, agli eccessivi investimenti in attrezzature e alle risorse di produzione in eccesso1. In particolare, con il rafforzamento delle normative sulle emissioni di carbonio2, le specifiche richieste del prodotto finale stanno cambiando in vari modi, insieme al miglioramento e all’innovazione del processo produttivo3. Per migliorare l’efficienza del carburante delle automobili, è necessario ridurre il peso di tutte le parti4; allo stesso tempo, i fattori non ambientali devono essere esclusi dal processo produttivo. Di conseguenza, l’industria manifatturiera si è trovata di fronte alla sfida di raggiungere contemporaneamente eco-compatibilità, alta qualità e basso costo. Per superare questa situazione, si stanno cercando di migliorare l’efficienza del processo produttivo attraverso vari tentativi, come la creazione di una struttura produttiva a basso costo e l’espansione del processo automatizzato. Questo flusso ha portato all’ondata della quarta rivoluzione industriale iniziata in Germania5 e sta accelerando un cambiamento di paradigma nel settore manifatturiero. L’innovazione nel settore manifatturiero si riferisce all’iperconnessione centrata sui dati di processo e comprende l’analisi e l’utilizzo di big data, Internet of Things (IoT), produzione additiva, simulazione e sistemi di integrazione orizzontale e verticale6.

In questo studio, come parte del cambiamento di paradigma per l’innovazione della produzione, sono stati raccolti dati dal processo di produzione delle parti dello sterzo delle automobili. Sulla base di ciò, la durata dello stampo di forgiatura è stata prevista in modo più accurato. Inoltre, si è cercato di massimizzare l'efficienza del processo produttivo monitorando il ciclo di sostituzione dello stampo da parte dell'operatore. Il perno sferico nella Fig. 1 è collegato al giunto sferico esterno (OBJ), uno dei sistemi di sterzo delle automobili, e svolge un ruolo nel garantire la mobilità in varie direzioni.

Parti del perno sferico di un sistema di sterzo7,8,9,10.

I perni sferici sono fabbricati attraverso un processo di forgiatura a freddo in più fasi, in cui i materiali sfusi vengono pressati più volte in uno spazio chiuso per formare un prodotto finale. Le operazioni di forgiatura consistono nella formatura del componente mediante deformazione plastica della materia prima, compressa tra punzone e matrice11. In particolare, il processo di forgiatura a freddo può garantire elevata resistenza ed elevata precisione della forma deformando il materiale a temperatura ambiente12. In questo processo, lo stampo viene ripetutamente sottoposto a un elevato carico di compressione e il materiale dello stampo raggiunge il limite di fatica e si danneggia13. Ciò comporta un aumento dei costi di processo14, ad esempio una diminuzione della produttività e un aumento del tasso di difetti dovuti alla rottura e alla sostituzione dello stampo. Sono stati condotti studi per prevedere la durata degli stampi per forgiatura a freddo e ridurre i costi di processo. Il modo più comune per prevedere la durata di uno stampo per forgiatura a freddo è utilizzare il metodo FEM. Tuttavia, questi metodi non prevedono quantitativamente la vita limite, ma rimangono in un'analisi qualitativa13,15. D'altra parte, ci sono studi condotti dal punto di vista che la rottura dello stampo di forgiatura è causata da fessurazioni per fatica14,16,17. Tanrıkulu ha calcolato il limite di fatica del materiale dello stampo per forgiatura a freddo e ha presentato una formula empirica per prevedere la vita limite dello stampo in base al valore di sollecitazione agente sullo stampo attraverso la simulazione numerica18. Inoltre, stanno continuando studi simili per prevedere la vita degli stampi per stampaggio a freddo19,20,21,22,23.