The objective of this research is to simulate a pushorming operation for the manufacturing of copper tube elbows using the finite element method. This model may be useful in the design of tooling. The influences of lubricant type, the tube blank material, and a minute surface defect are considered in the model. Tensile tests of annealed copper specimens are conducted to derive stress-strain data, defining the material behavior of the copper tube blank. In addition, friction tests are performed to obtain static and dynamic friction coefficients for a wet and dry lubricant types, which are used in the forming process. The finite element study of the forming operation has proven to require a considerable amount of time for modeling and processing. The verification examples and the pushorming models demonstrate the ability of the finite element program to include: contact with friction, the actuating of hydraulically controlled components, buckling, and nonlinearity.

<p> This thesis deals with the analytical and experimental study of the influence of residual stress due to cold bending on the behaviour of thin-walled open sections. The residual stress distribution caused by cold forming the sections is predicted theoretically. The influence of this residual stress on the load-displacement characteristic, and load carrying capacity of similarly curved tension and compression specimens is then analyzed. A local buckling analysis based on the virtual work and incremental theories is performed to predict the collapse load of compression specimens containing residual stresses.</p> <p> The experimental work consisted of tests to confirm theoretical elastic springback strains due to cold bending of steel sheet to various radii. Tension and compression tests were then performed on various cold formed sections to observe the effects of residual stress and to confirm analytical predictions. </p> <p> Conclusions have been deduced from the theory and from these tests, and suggestions made for further research.</p> / Thesis / Master of Engineering (MEngr)

Neste trabalho foi desenvolvido o material e o processo de fabricação, que possibilitasse a fabricação de grampo de feixes de mola para veículos comerciais leves, médios e pesados, sem a necessidade de aplicação de tratamentos térmicos como têmpera e revenido. Assim, foram desenvolvidos/analisados cinco tipos de aço com adição de cromo, níquel e silício que possibilitassem a conformação a frio do grampo, garantindo as propriedades mecânicas requeridas pelos grampos, tais como: resistência à tração (900 MPa mín.), limite de escoamento (720 MPa mín.), alongamento(10% min.) e dureza(24-32 HRC). Os aços desenvolvidos exibiram uma microestrutura composta de grãos de perlita e ferrita, sendo que o tamanho de grão perlítico (ASTM) entre 9 a 11 foi obtido pela adição dos elementos de liga alumínio e vanádio que atuaram como refinadores de grão. A avaliação das propriedades mecânicas foram realizadas segundo a norma ASTM A-370 e os corpos de prova foram ensaiados em um sistema dinâmico MTS 810. As análises microestruturais dos aços, após a deformação a frio, foram realizadas por meio de microscopia ótica e eletrônica de varredura, com o objetivo de se identificar a deformação a frio nas áreas desejadas. A validação final do aço e do processo de fabricação do produto foi obtida após a conclusão do ensaio de fadiga que foi realizado em temperatura ambiente, sob carregamento cíclico tração-tração com R = 0,1 e freqüência de 30 Hz, onde a metodologia Probabilidade acumulada da falha (Weibull) foi utilizada para auxiliar na conclusão final do projeto. Foi observado que o aço tipo-4 com adição de cromo (0,21%) apresentou o melhor resultado em fadiga. / In this present work the steel and the production process was developed, in order to produce U-Bolts to light, medium and heavy commercial vehicles, without any heat treatment, such as heating and tempering. Thus, this search of five types of steel with chrome, nickel and silicium addictions for the U-Bolts cold forming, assuring the mechanical properties required, as, strength (900 MPa min), yield stress (720 MPa min), elongation (10% min) and hardness (24-32 HRC). The developed steel exhibited a microstructure composed by perlite and ferrite, with the perlite grain size (ASTM) from 9 to 11, as aluminum and vanadium acted as grain size refiners. The evaluation of the mechanical properties was made according to ASTM A-370 and the samples tested in a dynamic system MTS 810. The microstructure analyses of the steel after cold forming were made using optical and scanning eletronic microscopic, in order to identify the cold forming process. For the steel and the production process validation a techniques fatigue test. They were carried out under a load-controlled (tensile-tensile), R = 0,1 and 30 Hz frequency, using the Weibull statistic method, to the final conclusion of he project. Type-4 steel with chrome addiction (0,21%) presented the best result in the fatigue test.

Neste trabalho foi desenvolvido o material e o processo de fabricação, que possibilitasse a fabricação de grampo de feixes de mola para veículos comerciais leves, médios e pesados, sem a necessidade de aplicação de tratamentos térmicos como têmpera e revenido. Assim, foram desenvolvidos/analisados cinco tipos de aço com adição de cromo, níquel e silício que possibilitassem a conformação a frio do grampo, garantindo as propriedades mecânicas requeridas pelos grampos, tais como: resistência à tração (900 MPa mín.), limite de escoamento (720 MPa mín.), alongamento(10% min.) e dureza(24-32 HRC). Os aços desenvolvidos exibiram uma microestrutura composta de grãos de perlita e ferrita, sendo que o tamanho de grão perlítico (ASTM) entre 9 a 11 foi obtido pela adição dos elementos de liga alumínio e vanádio que atuaram como refinadores de grão. A avaliação das propriedades mecânicas foram realizadas segundo a norma ASTM A-370 e os corpos de prova foram ensaiados em um sistema dinâmico MTS 810. As análises microestruturais dos aços, após a deformação a frio, foram realizadas por meio de microscopia ótica e eletrônica de varredura, com o objetivo de se identificar a deformação a frio nas áreas desejadas. A validação final do aço e do processo de fabricação do produto foi obtida após a conclusão do ensaio de fadiga que foi realizado em temperatura ambiente, sob carregamento cíclico tração-tração com R = 0,1 e freqüência de 30 Hz, onde a metodologia Probabilidade acumulada da falha (Weibull) foi utilizada para auxiliar na conclusão final do projeto. Foi observado que o aço tipo-4 com adição de cromo (0,21%) apresentou o melhor resultado em fadiga. / In this present work the steel and the production process was developed, in order to produce U-Bolts to light, medium and heavy commercial vehicles, without any heat treatment, such as heating and tempering. Thus, this search of five types of steel with chrome, nickel and silicium addictions for the U-Bolts cold forming, assuring the mechanical properties required, as, strength (900 MPa min), yield stress (720 MPa min), elongation (10% min) and hardness (24-32 HRC). The developed steel exhibited a microstructure composed by perlite and ferrite, with the perlite grain size (ASTM) from 9 to 11, as aluminum and vanadium acted as grain size refiners. The evaluation of the mechanical properties was made according to ASTM A-370 and the samples tested in a dynamic system MTS 810. The microstructure analyses of the steel after cold forming were made using optical and scanning eletronic microscopic, in order to identify the cold forming process. For the steel and the production process validation a techniques fatigue test. They were carried out under a load-controlled (tensile-tensile), R = 0,1 and 30 Hz frequency, using the Weibull statistic method, to the final conclusion of he project. Type-4 steel with chrome addiction (0,21%) presented the best result in the fatigue test.

O custo de qualquer produto forjado para indústria automobilística é altamente influenciado pelos custos envolvidos durante o projeto e construção das ferramentas de conformação. Idealmente, essas ferramentas devem durar um número significativo de ciclos de conformação, de forma a diluir seu custo no maior número de peças possível. Diversos parâmetros afetam o comportamento do desgaste das ferramentas, sendo que as indústrias de forjados abordam as questões tribológicas de formas distintas. Além disso, um mal entendimento desses parâmetros pode levar a um desgaste de ferramenta prematuro. Esse trabalho analisa o efeito da rugosidade no desgaste de punções de conformação a frio. O tribossistema adotado é a segunda operação de uma prensa mecânica horizontal e consiste em um punção de aço M2 endurecido em movimento relativo contra uma peça de aço SAE 10B22 normalizado. Foram fabricados quinze punções com três níveis de rugosidade e seus desgastes foram medidos após 52.000 e 102.000 ciclos de conformação. Um perfilômetro óptico 3D e um microscópio eletrônico de varredura foram utilizados para acessar as características superficiais dos punções, antes e após dos lotes de produção. Também foram realizadas análises na contra-peça e no meio interfacial \"óleo\". Os resultados obtidos mostraram que os punções de maior rugosidade falharam prematuramente enquanto os punções polidos e os de rugosidade intermediária apresentaram desgaste equivalentes. Considerando que o processo de polimento contribui significativamente para o custo de fabricação dos punções, espera-se que uma forjaria que consuma tais ferramentas em larga escala obtenha grandes benefícios econômicos com o presente trabalho. / The cost of any forged product for the automotive industry is highly influenced by the costs involved during the design and manufacturing of the forging tools. Ideally, these tools shall withstand a significant number of forging cycles, in order to distribute their manufacturing cost in as many parts as possible. There are several parameters that affect the tool wear behavior and forging companies have different approaches to address the tribological issues. Moreover, a misunderstanding of these parameters may lead to an undesirable premature tool wear. This work analyses the effect of roughness on the wear of cold forming punches. The adopted tribosystem is the second stage of a horizontal press and consists of a punch of M2 hardened steel in relative movement against a working piece of SAE 10B22 normalized steel. Fifteen punches were manufactured with three roughness levels and their wear was measured after 52.000 and 102.000 forging cycles. A 3D optical profiler and a Scanning Electronic Microscope (SEM) were used to access the surface characteristics of the punches before and after the production batches. Analysis of the counter body as well as of the interfacial element (oil) were also conducted. The results showed that all punches with higher roughness failed prematurely, while the polished ones as well as the intermediate ones presented equivalent wear. Considering that the polishing process contributes significantly to the manufacturing cost of the punches, it is expected that a forgery that consumes those tools in large-scale can get great economic benefits with this work.

Workpieces during cold forging fail basically due to ductile fracture. Ductile fracture can be predicted by damage models. In this study, various damage models such as Cockcroft &amp / Latham, McClintock, Freudenthal, Rice &amp / Tracy, Oyane, Ayada, Brozzo are investigated for their applicability to three workpiece materials: bearing steel (100Cr6), stainless steel (X5CrNiMo1810) and brass (CuZn39). The damage material parameters have been obtained by various tests such as tensile, standard compression, ring compression, compression with flanges and conical compression tests. The characterization has been assisted by finite element simulation of the various tests. It has been shown that the available damage models can predict the location of failure satisfactorily but are no able to predict the onset of failure quantitatively. Keywords: Formability Limit, Failure Criteria, Cold Forming, Surface Cracks, Finite Element Analysis

O custo de qualquer produto forjado para indústria automobilística é altamente influenciado pelos custos envolvidos durante o projeto e construção das ferramentas de conformação. Idealmente, essas ferramentas devem durar um número significativo de ciclos de conformação, de forma a diluir seu custo no maior número de peças possível. Diversos parâmetros afetam o comportamento do desgaste das ferramentas, sendo que as indústrias de forjados abordam as questões tribológicas de formas distintas. Além disso, um mal entendimento desses parâmetros pode levar a um desgaste de ferramenta prematuro. Esse trabalho analisa o efeito da rugosidade no desgaste de punções de conformação a frio. O tribossistema adotado é a segunda operação de uma prensa mecânica horizontal e consiste em um punção de aço M2 endurecido em movimento relativo contra uma peça de aço SAE 10B22 normalizado. Foram fabricados quinze punções com três níveis de rugosidade e seus desgastes foram medidos após 52.000 e 102.000 ciclos de conformação. Um perfilômetro óptico 3D e um microscópio eletrônico de varredura foram utilizados para acessar as características superficiais dos punções, antes e após dos lotes de produção. Também foram realizadas análises na contra-peça e no meio interfacial \"óleo\". Os resultados obtidos mostraram que os punções de maior rugosidade falharam prematuramente enquanto os punções polidos e os de rugosidade intermediária apresentaram desgaste equivalentes. Considerando que o processo de polimento contribui significativamente para o custo de fabricação dos punções, espera-se que uma forjaria que consuma tais ferramentas em larga escala obtenha grandes benefícios econômicos com o presente trabalho. / The cost of any forged product for the automotive industry is highly influenced by the costs involved during the design and manufacturing of the forging tools. Ideally, these tools shall withstand a significant number of forging cycles, in order to distribute their manufacturing cost in as many parts as possible. There are several parameters that affect the tool wear behavior and forging companies have different approaches to address the tribological issues. Moreover, a misunderstanding of these parameters may lead to an undesirable premature tool wear. This work analyses the effect of roughness on the wear of cold forming punches. The adopted tribosystem is the second stage of a horizontal press and consists of a punch of M2 hardened steel in relative movement against a working piece of SAE 10B22 normalized steel. Fifteen punches were manufactured with three roughness levels and their wear was measured after 52.000 and 102.000 forging cycles. A 3D optical profiler and a Scanning Electronic Microscope (SEM) were used to access the surface characteristics of the punches before and after the production batches. Analysis of the counter body as well as of the interfacial element (oil) were also conducted. The results showed that all punches with higher roughness failed prematurely, while the polished ones as well as the intermediate ones presented equivalent wear. Considering that the polishing process contributes significantly to the manufacturing cost of the punches, it is expected that a forgery that consumes those tools in large-scale can get great economic benefits with this work.

La thèse étudie les mécanismes de collage des alliages d’aluminium sur les outils lors de leur mise en forme. Dans un premier temps une méthodologie expérimentale utilisant le banc d’essai USTest proposée. Elle permet de travailler en laboratoire en respectant des conditions de contact proches de celles rencontrées en industries. Une campagne d’essais est réalisée, sollicitant le matériau sous diverses conditions de pression de contact, de vitesse de glissement et de lubrification. Les analyses métallurgiques et mécaniques de cette campagne permettent d’établir un lien entre les conditions de contact d’une part et le transfert de matière sur les outils d’autre part. Un mécanisme d’apparition du collage de l’aluminium sur les outils en forge à froid est proposé. Dans un second temps l’aptitude à prédire l’apparition du collage aux outils des alliages d’aluminium lors de leur mise en forme à froid de quatre modèles d’endommagement et de rupture usuels est étudiée. Un ensemble de simulations numériques est mené pour quantifier l’influence des conditions de contact rencontrées lors des essais UST sur l’état d’endommagement des éprouvettes au voisinage de leur surface. Les résultats montrent que le coefficient de frottement seul n’est pas suffisant pour rendre en compte de la sévérité du tribosystème et qu’une approche multiéchelle est nécessaire pour simuler l’effet de la rugosité des outils sur l’apparition des premiers transferts de matière. De nombreuses perspectives sont également présentées pour améliorer la compréhension des phénomènes de collage et la modélisation numérique de ces phénomènes. / The thesis investigates the mechanisms of galling of aluminum alloys on tools during cold forming. First, an experimental methodology using the test bench UST is proposed. It enables the simulation in the laboratory of the conditions of contact similar to those encountered in industries. A series of trials is performed, testing the material in various conditions of contact pressures, sliding speeds and of lubrication. A link between the contact conditions on the one hand and mass transfer on the other hand tools is established and a mechanism of occurrence of adhesion of aluminum on cold forging tools is proposed. In a second step four damage and failure models are presented and their abilities to predict the onset of galling of aluminum are discussed. A set of finite element simulations is performed and compared to experimental results in order to quantify the influence of contact conditions on evolution of damage encountered in the vicinity of the specimen surface. The results show that a single coefficient of friction is not sufficient to model the severity of the tribosystem. A multi-scale approach is then proposed to simulate the effect of the roughness of the tools on the first step of material transfer. Many prospects are also presented to improve the understanding of the phenomena of bonding and numerical modeling of these phenomena.

Este trabalho visou entender e avaliar a resistência mecânica da junção de chapas de aço obtidas pelo processo de União de Chapas por Conformação a Frio (UCCF). Esse processo é conhecido no meio industrial pelo termo em inglês: clinching ou press joining. O formato de união cilíndrico, também conhecido como Round, foi selecionado para unir os corpos de provas. As uniões metálicas ensaiadas foram fabricadas com aço de baixo teor de carbono sem camada superficial de proteção (170MPa de limite de escoamento). O material escolhido é de comum utilização na indústria automotiva. Duas espessuras diferentes foram avaliadas: 0,8mm e 1,2mm. Um completo procedimento foi criado para determinar os parâmetros ideais do processo UCCF baseado nos critérios de falha existentes na literatura e na experiência do fornecedor do equipamento. A união em estudo foi submetida, experimentalmente, a cargas multiaxiais com o auxílio de um dispositivo baseado no ensaio de Arcan para possibilitar uma condição de carga combinada, onde foi possível identificar graficamente o comportamento estrutural do corpo de prova em estados de carregamento que variam de tração (normal à superfície do ponto) até cisalhamento (perpendicular à superfície do ponto). Os valores de resistência mecânica encontrados foram de 1,13kN (mínimo) a 2,55kN (máximo) para as chapas de aço com espessura de 0,8mm e de 1,89kN (mínimo) e 3,18kN (máximo) para as chapas de 1,2mm. Um estudo comparativo com Solda Ponto por Resistência Elétrica (SPRE) foi realizado. A UCCF alcançou resultados de 47,68% dos valores obtidos para a SPRE para chapa com espessura de 0,8mm e 37,78% para chapas de 1,2mm. / The purposes of this work were understand and evaluate cold forming sheet metal joining of steel plates mechanical resistance. This process is well known as clinching or press joining. Round clinching element was selected to be used on all tested specimens due to its industry suitability. The metallic specimens were built on mid carbon steel without zinc coat protection (Yield Stress: 170MPa). This is a common material on automotive industry. Two different thicknesses were evaluated: 0.8mm and 1.2mm. A full procedure to determine ideal clinching parameters was created based on available literature information and clinching supplier know-how. All union technology was experimentally submitted to multiaxial loads using device based on Arcan concept. Joining mechanical behavior curves were plotted from traction (normal to element joint surface) to shear (perpendicular to element joint surface) loads. As a result, 0.8mm thickness steel plates achieved load values from 1.13kN (minimum) to 2.55kN (maximum), 1.2mm thickness steel plates achieved values from 1.89kN (minimum) e 3.18kN (maximum). A comparative study was made with Electric Resistance Spot Weld (ERSP). Clinching joining achieved results as 47.68% and 37.78% of ERSP loads for 0.8mm and 1.2mm thickness steel plates respectively.

Cold metal forming processes have been widely used for manufacturing of their high production rates and increased yield strength after forming process. For the use in service, increased yield strength of the cold-formed products should be known. The new yield strength can be found by several methods. Mechanical tests such as compression or tensile test are direct methods to obtain new yield strength if the product shape is appropriate. Finite element simulations may be another way to get accurate results for new yield strength distribution. Also Vickers hardness number can be used for prediction of yield strengths by available conversion models. The aim of this study is to compare the results of all these methods. During the study two different materials (austenitic stainless steel and carbon steel) cold formed by drawing and extrusion are investigated. FE simulations have been conducted to predict product properties. For this purpose flow curves obtained from compression and tensile tests are used in FE-models based on elasto-plastic, isotropic hardening material. Results show that both materials are highly anisotropic and have much lower yield strength values than found in simulations. Similarly none of the models correlating Vickers hardness numbers and yield strengths are successful since they are designed for an isotropic hardening material. This study basically presents the deviation of a real material behavior from isotropic material behavior.