Study on the forming limit on shear spinning process
Authors:   , Elizalde Huitrón Sergio Alberto 
Published: December 2024

(English) Shear spinning is an incremental sheet metal forming process where a flat metal blank or pre-form is usually converted into an axisymmetric hollow part. Several ductile metals and alloys can be shear formed either at cold and hot conditions, and the most common include steel, aluminum, copper, and nickel alloys. The shape of the shear-formed parts may be conical, concave, convex, or a combination, with wide-ranging applications across industries like aerospace, automotive, and more.
The main focus of this research was the study of the forming limit at room temperature in the shear spinning process through experimental trials and finite element simulations. Traditionally, a successful part produced by shear forming is highly dependent on the operator's experience, and usually, the right conditions are found after several trials.
The forming limit of any metal forming process is essential data that helps to predict defects appearance in advance, guaranteeing product quality. Accordingly, processing maps to failure were derived for a mild steel DC04, stainless steel AISI 420, precipitation hardening aluminum alloys AA2024 and AA7075, in which the failure limits were found as a function of the thickness reduction, roller attack angle, spindle speed, and feed rate. The experimental findings revealed a convincing relationship between the maximum allowable thickness reduction and the feed rate ratio with the roller nose radius. As the feed rate increased, the maximum allowable thickness reduction exhibited an exponential decrease, described by a parametric equation. Also, it was found that the maximum allowable thickness reduction was 84% for the DC04 and 80% for the rest of the materials.
Furthermore, numerical simulations based on the finite element method have been demonstrated as an efficient tool to accurately predict the mechanical response and appearance of defects in metal forming operations. The prediction capabilities of the numerical simulation are based on the evolution of field variables through the operation, i.e., displacements, strain, strain rate, stresses, and ductile damage. Different models of shear spinning were built with the ABAQUS commercial software. First, the efficiency of the different kinematic strategies and solving methods used to model the shear spinning were compared. An efficient segment model was proposed that reduces the computing time up to 300 times compared to conventional models.
Further, different uncoupled ductile damage models were implemented via the user materials subroutine (VUMAT). It was found that the ductile damage models can accurately predict failure conditions using a non-linear damage evolution formulation.
This research enhances the understanding of material deformation in the shear spinning process and provides a framework for improving operational efficiency in incremental forming processes.
(Català) La laminació cònica és un procés de deformació incremental en el qual una xapa o preforma metàl·lica es converteix en una peça axisimétrica buida. Diversos metalls dúctils i aliatges poden ser deformats per laminació cònica, ja sigui en condicions fredes o calentes, i els més comuns inclouen a l'acer, alumini, coure i aliatges de níquel. La forma de les peces processades per laminació cònica pot ser no sols cònica, sinó també còncava, convexa, o una combinació, amb aplicacions variades en indústries com l'aeroespacial, automotriu, i més.
El principal enfocament d'aquesta recerca va ser l'estudi del límit de conformat a temperatura ambient del procés de laminació cònica a través d'assajos experimentals i simulacions per elements finits. Tradicionalment, obtenir una peça reeixida depèn en gran manera de l'experiència de l'operador, on les condicions adequades es troben després de diversos intents.
D'altra banda, el límit de conformat de qualsevol procés de deformació de metalls és una dada essencial que ajuda a predir l'aparició de defectes amb anticipació, garantint la qualitat del producte final. Per tant, en el present treball es van determinar els mapes de procés per a un acer DC04, un acer inoxidable AISI 420, els aliatges d'alumini AA2024 i AA7075 que endureixen per precipitació, en les quals els límits del procés es van trobar en funció de la reducció de gruix, angle d'atac de la rulina, velocitat de gir i velocitat d'avanç. Les troballes experimentals van revelar una relació convincent entre la màxima reducció de gruix permesa i la relació entre la velocitat d'avanç amb el radi del nas de la rulina. A mesura que augmentava la relació de velocitat d'avanç, la màxima reducció de gruix permesa mostrava una disminució exponencial, descrita per una equació paramètrica.
També, es va trobar que la màxima reducció de gruix permesa va ser del 84% per al DC04 i del 80% per a la resta dels materials.
A més, s'ha demostrat que les simulacions numèriques són una eina eficient per a predir amb precisió la resposta mecànica i l'aparició de defectes en les operacions de conformat de metalls. Les capacitats de predicció de la simulació numèrica es basen en l'evolució de les variables del model a través del procés, és a dir, desplaçaments, deformació, velocitat de deformació, tensions i perduda de la rigidesa. En aquest treball, es van construir diferents models del procés de laminació cònica amb el programari comercial ABAQUS. Primer, es va comparar l'eficiència de les diferents estratègies i mètodes de solució utilitzats per a modelar el procés. Després, es va proposar un model segmentat més eficient que redueix el temps de càlcul fins a 300 vegades en comparació amb els models convencionals. A més, es van implementar diferents models desacoblats de fractura dúctil a través d'una subrutina (VUMAT). Es va trobar que els models de fractura dúctil poden predir amb les condicions de fallada utilitzant una formulació d'evolució de mal no lineal.
Finalment, aquesta recerca millora la comprensió de la deformació del material en el procés de laminació cònica i proporciona un marc per a millorar l'eficiència en els processos de deformació incremental.
(Español) La laminación cónica es un proceso de deformación incremental en el cual una chapa o preforma metálica se convierte en una pieza axisimétrica hueca. Varios metales dúctiles y aleaciones pueden ser deformados por laminación cónica, ya sea en condiciones frías o calientes, y los más comunes incluyen al acero, aluminio, cobre y aleaciones de níquel. La forma de las piezas procesadas por laminación cónica puede ser no solo cónica, sino también cóncava, convexa, o una combinación, con aplicaciones variadas en industrias como la aeroespacial, automotriz, y más.
El principal enfoque de esta investigación fue el estudio del límite de conformado a temperatura ambiente del proceso de laminación cónica a través de ensayos experimentales y simulaciones por elementos finitos. Tradicionalmente, obtener una pieza exitosa depende en gran medida de la experiencia del operador, donde las condiciones adecuadas se encuentran después de varios intentos.
Por otro lado, el límite de conformado de cualquier proceso de deformación de metales es un dato esencial que ayuda a predecir la aparición de defectos con anticipación, garantizando la calidad del producto final. Por lo tanto, en el presente trabajo se determinaron los mapas de proceso para un acero DC04, un acero inoxidable AISI 420, las aleaciones de aluminio AA2024 y AA7075 que endurecen por precipitación, en las cuales los límites del proceso se encontraron en función de la reducción de espesor, ángulo de ataque de la rulina, velocidad de giro y velocidad de avance. Los hallazgos experimentales revelaron una relación convincente entre la máxima reducción de espesor permitida y la relación entre la velocidad de avance con el radio de la nariz de la rulina. A medida que aumentaba la relación de velocidad de avance, la máxima reducción de espesor permitida mostraba una disminución exponencial, descrita por una ecuación paramétrica. También, se encontró que la máxima reducción de espesor permitida fue del 84% para el DC04 y del 80% para el resto de los materiales.
Además, se ha demostrado que las simulaciones numéricas son una herramienta eficiente para predecir con precisión la respuesta mecánica y la aparición de defectos en las operaciones de conformado de metales. Las capacidades de predicción de la simulación numérica se basan en la evolución de las variables del modelo a través del proceso, es decir, desplazamientos, deformación, velocidad de deformación, tensiones y perdida de la rigidez. En este trabajo, se construyeron diferentes modelos del proceso de laminación cónica con el software comercial ABAQUS. Primero, se comparó la eficiencia de las diferentes estrategias y métodos de solución utilizados para modelar el proceso. Después, se propuso un modelo segmentado más eficiente que reduce el tiempo de cálculo hasta 300 veces en comparación con los modelos convencionales. Además, se implementaron diferentes modelos desacoplados de fractura dúctil a través de una subrutina (VUMAT). Se encontró que los modelos de fractura dúctil pueden predecir con las condiciones de fallo utilizando una formulación de evolución de daño no lineal. Finalmente, esta investigación mejora la comprensión de la deformación del material en el proceso de laminación cónica y proporciona un marco para mejorar la eficiencia en los procesos de deformación incremental.