Electropulsing to assist conventional manufacturing processes

Abstract

This thesis presents a study on the variation of the mechanical properties of some materials. These variations are registered for processes as bottom bending, wire drawing or round turning, which are performed under high density electropulses. This research implied the study of several issues related to the manufacturing processes and the electric pulses. For example, some isolated systems are developed for each process. This is required for protecting the monitoring devices and machinery from electric drifts.
 On the other hand, several electropulse generators are designed and manufactured to electrically assist the aforementioned manufacturing processes. The electrical connectors is the main technological issue in each process to ensure good electrical contact during experimentation.
 Once the manufacturing setup is under control, electropulses are applied on various materials whilst its physical properties are measured and recorded. In particular, the processes are achieved under different electric configurations to infer the influence of the electropulses. The obtained results show that different mechanical and manufacturing properties like elastic restoring forces, yield strength, power consumption, surface roughness and material hardness among others are modified when the manufacturing process is assisted with a pulsed electric field. Additionally, the machinability and formability is improved when the metallic material is affected by current pulses. However, it should be noted that the mechanical properties behavior under different electrical parameters, like current density, frequency discharge and pulse duration, is complex and does not follow an expected relationship. Furthermore, numerical simulation analyses is required to study and understand the complex
 behavior of the mechanical properties.
 The manufacturing process of bending, machining and drawing process was done at the Universitat Politècnica de Catalunya (Spain) in collaboration with the Northwestern University (USA), the Universidad Pontificia Universidad Católica de Chile (Chile) and the Universidad Tecnológica de Pereira (Colombia). This thesis is funded by the Ministry of Economy and Competitiveness of Spain, reference project: DPI2011-26326 (grant no. BES-2012-056760).
 Along the document detailed information on methodology for the aforementioned processes and some conclusions are provided En el presente estudio se documenta la variación de las propiedades mecánicas registradas en diversos procesos de fabricación, doblado, mecanizado y trefilado, cuando estos procesos son asistidos con generadores de pulsos de alta densidad de corriente Para cada proceso de fabricación se ha realizado un utillaje específico para aislar eléctricamente la máquina de ensayo. Esto permite inducir los pulsos de corriente únicamente a través de las probetas metálicas, sin correr el riesgo de inhabilitar las máquinas de fabricación. Varios generadores de pulsos de corriente han sido diseñados y fabricados a lo largo de la tesis para asistir eléctricamente los procesos de fabricación mencionados. Para cada estudio se varía el área de contacto de los conectores eléctricos con el material para asegurar un buen contacto eléctrico durante la experimentación. La influencia de los pulsos de corriente eléctrica en los diferentes materiales manufacturados ha sido registrada y estudiada por varios equipos de medida. Además, se ha necesitado de programas de simulación numérica para estudiar y comprender el comportamiento de las propiedades mecánicas. Los resultados obtenidos en este trabajo demuestran que varias propiedades mecánicas como la recuperación elástica, esfuerzos de fluencia, potencia consumida, rugosidad superficial y dureza del material entre otras son modificadas cuando los procesos de fabricación son asistidos por un campo eléctrico. En resumen, se observa que la maquinabilidad del material metálico mejora cuando es fabricado bajo la influencia de los pulsos eléctricos. Esto es debido a que se reduce los esfuerzos de fluencia, mejora la rugosidad superficial, se atenúa la recuperación elástica y disminuye su dureza superficial. Aun así, cabe indicar que el comportamiento de las propiedades mecánicas anteriores bajo las condiciones eléctricas son complejas y no siguen una relación trivial. Indicar que los avances en el área de fabricación realizados en este trabajo en los procesos de doblado, mecanizado y trefilado han sido realizados en la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC), Escola Universitaria d'Enginyeria Tècnica Industrial de Barcelona (EUETIB) en colaboración con la Pontificia Universidad Católica de Chile (PUC), la Universidad Tecnológica de Pereira (UTP) y la Northwes tern University. En consecuencia, a lo largo del documento se detalla la metodología de estudio y los resultados obtenidos de los diferentes procesos mencionados, comparando los procesos convencionales respecto a los asistidos. Además, se estudiará en profundidad la influencia de los pulsos de corriente en el comportamiento de las principales propiedades mecánicas, según el proceso.