Lemezalakítás technológiai tervezése /CAE/

Tartalom Lemezalakítási “Technikák” Számítógéppel segített “Technológiai tervezés” Számítógéppel segített geometriai, technológiai és folyamat “Modellezés” Számítógéppel segített “Analízis” Számítógéppel segített “Teszt & Szimuláció”

Lemezalakzatok és -technikák Lyukasztás Kivágás Görgőzés (fémnyomás esztergán) -------------------------------------------- (él-)Hajlítás (mély-, nyújtva-)Húzás Peremezés Formázás (nyújtva húzás „megmunkáló központon”) Sajtolás, hidro-alakítás, stb.

Számítógéppel segített technológiai tervezés Modellezés Geometria Anyagminőség és -törvények Tribológia Folyamat Alakváltozási és feszültségi állapot (folyásfeltételek), … Analízis Teríték és perem szükséglet Eszköz választás (erő- és szerszám szükséglet) Alakváltozás és feszültség értékek Maradó deformációk és feszültségek (pl. visszarugózás), tönkremenetel (pl. szakadás), … Tesztelés és Szimuláció

Vonatkozó technológiai folyamatok és műszaki alakzat kategóriák 1D Geometriai, technológiai bonyolultság Vonatkozó technológiai folyamatok és műszaki alakzat kategóriák 1D egyszerű élhajlítás egyenes vonalú élek mentén; tengelyszimmetrikus (mély-) húzás, (belső-) peremezés kvázi sík fenekű merőleges hengeres falú csészék esetén (a peremfeltételi görbe terítéksíkban fekvő egyenes él vagy zárt kör) 1.5D profilos élhajlítás egyenes vonalú élek mentén; kvázi sík fenekű adott dőlésszögű kúpos falú tengelyszimmetrikus alakzatok húzása, peremezése 2D egyszerű élhajlítás 2D-s síkbeli élek mentén; nem tengelyszimmetrikus (mély-) húzás, (belső-) peremezés kvázi sík fenekű adott profilos hengeres vagy kúpos falú csészék esetén (a peremfeltételi görbe terítéksíkban fekvő 2D-s él) 2.5D 2D-s terítéksíkkal párhuzamos élek között történő hajlítás, (mély-)húzás, (belső-) peremezés kvázi sík fenekű változó profilos, peremes vagy változó magasságú alakzatok esetén 3D 3D-s görbék között kifeszülő lemezalakzatok hajlítása, (mély-) húzása, (belső-) peremezése (a peremfeltételi görbe határozottan adott térbeli alakzat) Szabad formájú (numerikus) alakzatok Változó peremfeltételi görbékkel jellemzett, bonyolult profilos alakzatok alakítása numerikus szerszámfelületek közötti üregben

Technológiai kulcskérdések terítékszükséglet, optimális teríték ? II alakítási erőszükséglet illetve maximális alakítási erő (erő-út diagram) és meghatározó összetevői ? III alakítási fokozatok, lépések száma, optimális alakja (közbenső kontúr és profil) ? IV globális folyamat szimuláció; közbenső alakzatok, teríték alakváltozás ? V globális sebesség-, alakváltozás- és feszültség-eloszlás a deformált lemeztestben ? VI szerszámszükséglet (ráncgátló erő/nyomás, borda szükséglet) ? VII felkeményedés hatása, ciklikus terhelés hatás; terhelés és oldás hatása? VIII technológiai paraméterek hatása, mint húzási sebesség, ráncgátló erő vagy nyomás, hőmérséklet, borda vagy ránctartó ütemezés ? IX súrlódás hatása a ráncgátló alatt illetve az alakító felületek mentén; öblítés hatása ? X a sík lemez terhelhetősége és alakíthatósága; tönkremeneteli jellemzők, hullámosodás, ráncosodás, lemezvastagság változás, diffúz és lokális instabilitás, szakadás ? XI anizotropia hatása; fülesedés, optimális teríték elhelyezés, sávtervezés ? XII Rugalmas hatások; visszarugózás és rugalmas hullámosodás ?

A szerszámtervezés kiindulópontja – az elemzés Kulcskérdések az elemzéssel szemben tehát: Terítékszükséglet, anyagszükséglet, sávtervezés, sávoptimálás Erőszükséglet, terheléselemzés, ráncgátlás Húzási fokozatok, lépések, optimális közbenső alakok Szerszámszükséglet, bordák, sávadagolás, … Ráncosodás, hasasodás, gyűrődés, fülesedés, visszarugózás Narancsosodás, szakadás, repedés, instabilitás, kontrakció Maradó feszültségek, deformációk, torziós hatások, … … és miért nem széleskörű még mindig az ipari gyakorlatban?

Az elemzés „kiindulópontja” - a modellezés Egy CAA/CAE – pl. FEA – érdekében a következő technológiai modelladatok szükségesek: Folyás-modell (jó esetben az anyagadatokkal kielégíthető) Lemezanyag modell Szilárdsági és rugalmassági modelladatok (1-3 x 5-6 adat) Felkeményedési görbék (1-3 x 3-5 adat) Normál vagy síkbeli anizotrópiai görbék (4 adat) Instabilitás görbék (SLD, FLD) (1-3 x 6-9 adat) Tribológiai modell Statikus, differenciálatlan (1 jó adat) Dinamikus, differenciált (>4 x 1-4 adatfüggvény)

Modellezés – anyagjellemzők, -viselkedés Technológiai tesztek, vizsgálatok az anyagviselkedés feltérképezésére Szilárdsági (pl. húzó-szakító) teszt Rugalmas viselkedés, rugalmas illetve folyáshatár és a maximális alakváltozás és feszültség paraméterek Felkeményedési függvény és paraméterei (Nánai, Hollomon, Ludwig formula) Síkbeli anizotrópia és paraméterei (Langford diagram) Határállapot vizsgálat Instabilitás és határ-alakváltozás görbék, diagrammok (SLC, SLD: Keeler-Goodwin diagram) megjegyzés: elméletileg lehetséges feszültség határgörbék és -diagrammok Ideális merev-képlékeny Felkeményedő Homogén síkbeli anizotrop Inhomogén síkbeli anizotrop

Modellezés – anyagjellemzők, -viselkedés r=r= r0 =1.75; r45=1.15; r90=1.95;

Modellezés – geometria Ipari igény A legtöbb lemezalkatrész húzott, peremezett, hajlított és nem körszimmetrikus, de nem is szabadformájú alakzatok kombinációja (pl. szögletes alakzat). Ezek az alakzatok, mint 2-2.5 dimenziós geometriai és technológiai problémák modellezhetők.

2.5D-s lemezalkatrészek az iparban

Modellezés – 2.5d-s lemezalakítási folyamat: szabad húzás 2D-s (sík) görbék jellemzik a geometriai alakzatot és a technológiai folyamatot Egyéb geometriai-technológiai paraméterek függetlenül kezelhetők a sík görbéktől A deformált lemez egyes részeit a eltérő terhelések érik helytől és időpillanattól függően, azaz a tipikus zónák alakja és mérete is változik – a folyamat két időbeli szakaszra bontható: „gördülő szakasz" (H<Hkrit) „húzási szakasz" (H>Hkrit)

Modellezés – 2.5D-s peremfeltételek újraértelmezése (mély-) Húzás Konvex eset a modellezés inverz esetei (belső) Peremezés Konkáv eset Állandó kinematikai kényszer alapú peremfeltételek

Modellezés – alakváltozási és feszültségállapot Lemez részek Kúpos fal, tórusz felületek és nem érintkező perem Érintkező perem Vasalt perem Alakváltozási és feszültség-állapot Sík-feszültség Megoszló ráncgátló nyomás Sík-folyás Normál feszültség 2 Kontakt szorzó c ≡ 0 0 < c < 1 c=1

Az elemzés lehetséges módszerei Bonyolultsági fok ideálisan nem merev és/vagy rugalmas képlékeny Anyagmodell lineáris vagy nem lineáris Geometriai- izotrop vagy anizotrop technológiai dimenzió homogén inhomogén felkeményedés Állapot modell sík-folyás sík- térbeli alakváltozás feszültég és feszültség állapot 1-1.5D empirikus & analitikus szemi-analitikus megoldások 2D SLM 2.5D hibrid SLM, FEM 3D SLM or FEM

SLM – Stress- and Strain- (Slip-) Line Methods alakváltozás- és feszültség-vonalak módszerei Alkalmazás Kúpos transzlációs vonalfelületek, melyeket két sík- vagy térgörbe (bélyeg és üreg kontúr) feszít ki állandó vagy változó profil mentén Szemi-analitikus megoldás Az anyagtörvények és folyásfeltételek elhagyhatók kvázi sík alakváltozást feltételezve azaz az idealizált folyamatból kiinduló analízis az attól való eltérés jó becslésével

csúszó-vonal módszerek véges elemes módszerek Módszerek piramisa 1-1.5D 2D 2.5D 3D I empirikus formulák II analitikus módszerek (SLM alapú III csúszó-vonal módszer sík-folyás alapú hibrid módszerek) IV V sík feszültség alapú csúszó-vonal módszerek VI VII fő-feszültség- és alakváltozás vonalak módszerei véges elemes módszerek VIII IX SLM alapú X hibrid módszerek XI XII FEM

Számítógéppel segített modellezés, elemzés és szimuláció Eight Step Computer Aided Process Engineering Nyolc- Lépéses Számítógéppel Segített techn.-i Folyamat- Tervezés

Teríték tervezés Nem kiteríthető alakzatok „egyszerű” kiterítése Miért “TERÍTSÜNK” ki egy “NEM-KITERÍTHETŐ” alakzatot És hogyan, hogy “EGYSZERŰ” legyen?

“NEM-KITERÍTHETŐ ALAKZATOK” nem vonalfelületek avagy azok, de nem kiteríthetők vagy nem hajlíthatók térbeli torzulások nélkül

2. 5D-s alakzatok CAD rendszerekben (sheet-metal) CAD Alakzat 2.5D-s alakzatok CAD rendszerekben (sheet-metal) CAD Alakzat Kiteríthető Nem kiteríthető Contour Flange kiteríthető egyenes mentén kihúzott alakzat esetén Flange kiteríthető egyenes élek esetén Lofted Flange kiteríthető hengeres és sík felületek esetén

2. 5D-s alakzatok CAD rendszerekben (sheet-metal) CAD Alakzatok 2.5D-s alakzatok CAD rendszerekben (sheet-metal) CAD Alakzatok Kiteríthető Kiteríthető Jog & Flouver kiteríthető egyenes élek mentén kivágott peremek esetén

2. 5D-s alakzatok CAD rendszerekben (sheet-metal) CAD Alakzatok 2.5D-s alakzatok CAD rendszerekben (sheet-metal) CAD Alakzatok Nem kiteríthetők Nem kiteríthető Jog & Flouver nem felszabadított egyenes élek mentén sem kiteríthető Nem kiteríthető Open & Closed Drawn Cutout, Dimple & Flange nyitott vagy zárt kihúzott, mélynyomot alakzatok nem egyenes élek mentén

Összefoglalva a minimális eltérés a körszimmetriától a húzott vagy peremezett alakzatok esetén, avagy az egyenes hajlítási élektől hajlított alakzatok esetén azt eredményezi, hogy sem a terítékszükséglet, sem a deformációs folyamat nem becsülhető megbízhatóan bonyolult véges elemes analízis nélkül! vagy mégis? … létezik iparos (tehát egyszerű, de kielégítően pontos) „más” megoldás is?

Mit is értünk “Kiterítés” alatt? Az anyagtörvények és folyásfeltételek nem szükségesek A lemezvastagság változatlan

Terítékszükséglet meghatározása az SLM-ben Klasszikus SLM

Teríték meghatározás az SLM módszerrel

Egyszerű avagy “Iparos” Csak geometriai adatokból CAD/CAM/CAE környezetben Az anyagszükséglet meghatározása érdekében

CAD/CAE környezetbe integrálható

DARAB (part) modell építés CAD rendszerben

Hajlító élek és hozzátartozó profilok kijelölése

Interfész modell átadása az integrált SLM modulnak

Interfész geometria az SLM-hez

Csúszóvonal-mezők generálása - SLM modulban

Térbeli trajektóriák kiterítése - az SLM modulban

Kiterített alakzat – újra a CAD-ben

Nem kiteríthető alakzatok terítéke

Nem kiteríthető alakzatok terítéke

Térbeli alakváltozás- Teszt & Szimuláció Terítékperem alakváltozás Felületmodell Térbeli alakváltozás- és feszültség-állapot szimuláció

Tesztek és kísérletek A kísérleteket a WHZ hidraulikus sajtóján végeztük Több, mint 300 különböző alakú mélyhúzott alakzaton végeztük el az SLM analízist, melyek Különböző bevonatolt és bevonatolatlan, mikro-ötvözött és -edzett korrózióálló fém lemez anyag minőséggel, mint: St14, St14Z, St15, St15E, St04E340, St4571, AlMg8, M2H Egy szerelt, kombinálható kísérleti mélyhúzó szerszámban

Eredmények A kísérleti darabok terítékszükségletének eltérése 3-6% (soha nem több, mint 7%)

Tanulság: Minél kevésbé tanulmányozzuk az analitikus lehetőségeket, módszereket, annál inkább vagyunk hajlamosak elfogadni bármilyen numerikus eredményt! Minél pontosabb eredményt akarunk elérni az analízis során, annál bonyolultabb modelleken, egyre nagyobb és nagyobb mértékben kell numerikus módszereket alkalmaznunk!