Investigation of formability of material in incremental sheet metal forming process

Abstract

ABSTRACT: Currently, Incremental Sheet Forming (ISF) is known as a novel technology, which promises a higher flexibility in process, lower production price and lead time, in addition to improved formability of material compared to conventional forming processes. The beneficial aspects of ISF are mainly ascribed to the essence of this technique that is progression of forming process by propagation of localized plastic deformation. However, this special characteristic concurrently induces the major imperfection of the process that is long processing time. Furthermore, this attribute of ISF along with nonlinear behavior of material, lead to complexity in simulation of the process. Accordingly, to achieve better understanding of the process and to extend its application over different industrial fields, a great deal of efforts has been focused on experimental investigation of ISF during the last decade. However, a few number of research work are reported to aim at optimization of the process by consideration of process parameters. Moreover, the interaction effects of participating parameters are mostly neglected by these studies. This thesis, taking an experimental-statistical approach, attempted to investigate the individual and interactional effect of predictor parameters, namely tool and step size, feed rate, spindle speed and blank thickness upon formability of material in ISF. To do so, a set of screening trials of 16 runs conducted prior to the main experimental campaign of 72 runs in order to realize the reasonable levels of aforesaid participating factors. The preliminary and the main tests were designed and later analyzed according to Two-Factorial and Optimal Design of Experiment (DOE) by application of scholarly accredited commercial software, Design Expert. For the sake of preciseness, a novel sensor system was developed and employed to detect the crack, once it appeared on the specimens. Based on the literature review and the knowledge of process acquired through this research, a new indicator proposed to effectively measure the formability of material in ISF. In addition, Individual and interactive effect of associated factors up on the new criterion were assessed by development of a quadratic and also modified cubic response surface models. More specifically, the positive effect of elevated spindle speed (2400 to 3000 rpm) on formability was highlighted in this study. However, feed rate (up to 5000 mm/min) was found to produce no significant effect, which means the process time can be remarkably reduced. Blank thickness was considered as a continuous numerical factor along with the rest of factors to provide an empirical model; hence it portrayed the greatest individual effect upon formability. Regarding the interaction effects, it was explored that the factors of spindle speed and blank thickness interdependently create the strongest effect on formability. At the next stage, interaction of the tool and step size was depicted to play a key role. Finally, the process was optimized in terms of maximum achievable formability, minimum processing time, and minimum sheet thickness. By optimized process parameters, it was demonstrated that approximately 96% of the maximum formability can be attained, using a moderate sheet thickness (1.26 mm), while the average forming time can be reduced to about 5.5 min. Maintaining the same criteria, but setting the spindle speed at zero, the most optimized situation revealed a reduction of about 29% in formability and an increase of about 62% in processing time. Keywords: Incremental sheet forming, formability, design of experiments, process parameters, individual effects, interaction effects, optimization. …………………………………………………………………………………………………………………………

ÖZ: Şu anda, Artan Yaprak Şekillendirme (ISF), geleneksel kalıplama işlemleri ile karşılaştırıldığında malzeme Katlamaya ek olarak, bir süreç içinde daha yüksek bir esneklik, düşük üretim fiyat ve süreçte yeni bir teknoloji olarak bilinir. ISF ve yararlı yönlerini özellikle lokalize plastik deformasyonun yayılma sürecini oluşturan ilerlemesinde bu tekniğin özü atfediliyor. Bununla birlikte, bu özel karakteristik aynı uzun işlem zamanı işleminin büyük kusur indükler. Ayrıca, malzemenin doğrusal olmayan davranışı ile birlikte ISF bu niteliği, süreci simülasyon karmaşıklığı yol açar. Buna göre, sürecin daha iyi anlaşılmasını sağlamak ve farklı endüstriyel alanlar üzerinde uygulama genişletmek için, çabaları büyük bir anlaşma son on yılda ISF deneysel araştırma odaklı olmuştur. Ancak, araştırma çalışmalarının az sayıda proses parametrelerinin dikkate alarak süreç optimizasyonu yapılmıştır. Ayrıca, katılımcı parametrelerin etkileşim etkilerinin çoğunlukla bu çalışmalar tarafından ihmal edilmiştir. Bu tez, deneysel-istatistiksel bir yaklaşım alarak, ISF malzemenin şekillendirilebilirlik üzerine belirleyici parametreleri, yani uç ve adım büyüklüğü, besleme oranı, dingil hızı ve plaka kalınlığı bireysel ve etkileşimsel etkisini araştırmak için yapılmıştır. , Bu nedenle söz konusu katılımcı faktörlerin makul seviyelere gerçekleştirmek üzere 72 ana deneysel kampanyası öncesinde yapılan 16 pistlerinden tarama çalışmalarında bir set yapılmıştır. Ön ve ana testler tasarlanmış ve daha sonra bilimsel akredite ticari yazılım, “İki Faktöriyel” ve “Optimal Design of Experiment” (DOE)’e göre analiz edilmiştir. Bu numuneler üzerinde belirdi kez doğruluk uğruna, yeni bir sensör sistemi, geliştirilip çatlak tespiti yapmak için istihdam edildi. Literatür taraması ve araştırma yoluyla edinilen sürecinin bilgiye dayanarak, yeni bir gösterge etkili ISF malzemenin şekillendirilebilirlik ölçmek için önerdi. Buna ek olarak, yeni ölçütler kadar ilişkili faktörlerin bireysel ve etkileşimli etkisi kuadratik ve ayrıca değiştirilmiş kübik yanıt yüzey modellerinin geliştirilmesi ile değerlendirildi. Daha spesifik olarak, şekillendirilebilirlik yükseltilmiş mili hızının pozitif etkisi (2400-3000 rpm) bu çalışmada vurgulanmıştır. Bununla birlikte, besleme hızı (5000 mm/dak) işlem süresi önemli ölçüde düşürüldüğünde hiçbir önemli etki ürettiğini tespit edilmemiştir. Plaka kalınlığı bir deneysel model sağlamak faktörlerin geri kalanı ile birlikte sürekli bir sayısal faktör olarak kabul edildi; dolayısıyla şekillendirilebilirlik üzerinde en büyük bireysel etki canlandırdı. Etkileşim etkileri ile ilgili olarak, dingil hızı ve plaka kalınlığı faktörlerin karşılıklı bir bağımlılık şekillendirilebilirlik üzerinde güçlü bir etki yaratmak olduğu araştırılmıştır. Bir sonraki aşamada, uç ve adım büyüklüğü etkileşimi önemli bir rol oynamak için tasvir edilmiştir. Son olarak, işlemi maksimum şekillendirilebilirlik, minimum işlem süresi ve minimum saç kalınlığı açısından optimize edilmiştir. Optimize edilen işlem parametreleri olarak, bu ortalama oluşturucu zaman yaklaşık 5.5 dk için azaltılmış olabilir iken maksimum şekillendirilebilirlik yaklaşık 96%, bir orta tabaka kalınlığı (1.26 mm) kullanılarak elde edilebilir olduğu bulunmuştur. Aynı kriterler bakımı, ama sıfır mili hızı ayarı, en optimum duruma şekillendirilebilirlikte yaklaşık 29% bir azalma ve işlem süresi yaklaşık 62% lik bir artış gösterdi. Anahtar Kelimeler: Artımlı sac şekillendirme, şekillendirilebilirlik, deney tasarımı, proses parametreleri, bireysel etkileri, etkileşim etkisi, optimizasyon.