Lemezalakítás technológiai tervezése /CAE

Lemezalakító szerszámok tervezésének kulcskérdései: Dr. Boór Ferenc

Nem kiteríthető alakzatok kiterítése CAD/CAE/CAM rendszerekbenNem kiteríthető alakzatok kiterítése CAD/CAE/CAM rendszerekben

Budapest Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem

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

CAD

CAP

CAM

Assurance

Planning

ControlTest

CAMManufacturing

GeometryProcessor

MaterialProcessor

TechnologyProcessor

Tool-production

Expert system ProcessSimulation

CPS

ModellingAnalysis

ModellingAnalysis

II. (FEM)

I. (SLM)

model-data

CAQ

Testing &SimulationProcessor

Product & Tool Design

CAT

AI

Quality




Geometriai,technológiaibonyolultság

Vonatkozó technológiai folyamatokés

műszaki alakzat kategóriák

1Degyszerű 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

2Degyszerű 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)

2.5D2D-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

I terítékszükséglet, optimális teríték ?

IIalakítási 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?

VIIItechnológiai 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 ?

Xa 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

r

x

y

_r

x

y

r( )_

Homogén síkbeli anizotrop

Inhomogénsíkbeli anizotrop

Felkeményedő




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

B

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

1

2

3

1

2 3

0

-k

-2k

-2k

punch curveblank curve

v<vv

p

p

1

2

3

1

2 3

k

2k

2k

blank curvepunch curve

v>v

vp

p

(mély-) HúzásKonvex eset

(belső) PeremezésKonkáv eset

a modellezés inverz esetei

Állandó kinematikai kényszer alapú peremfeltételek




Modellezés – alakváltozási és feszültségállapot

Lemez részekKúpos fal, tórusz felületek és nem érintkező perem

Érintkező perem

Vasalt peremVasalt perem

Alakváltozási és feszültség-

állapotSík-feszültség

Megoszló ráncgátló nyomás

Sík-folyásSík-folyás

Normál feszültség

2

0

Kontakt szorzó c ≡ 0 0 < c < 1 c=1c=1

c 1 3

2 1 3

2




Az elemzés lehetséges módszereiBonyolultsági fok ideálisan nem ideálisan

merev és/vagy rugalmas képlékeny

Anyagmodelllineáris vagy

nem lineáris

Geometriai- izotrop vagy anizotroptechnológiai

dimenzió homogén inhomogén felkeményedés

Állapot modellsík-folyás

sík-térbeli alakváltozásfeszültég

és feszültségállapot

1-1.5Dempirikus & analitikus

empirikus & analitikus

szemi-analitikus megoldások

2Dempirikus & analitikus

szemi-analitikus megoldások

SLM

2.5D2.5Dsszzemi-analemi-analiititikuskus

megoldásokmegoldásokSLMSLM hhiibrid SLM, FEMbrid SLM, FEM

3D SLM or FEM hibrid SLM, FEM hibrid SLM, FEM




SLM – Stress- and Strain- (Slip-) Line Methodsalakváltozás- 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




Módszerek piramisa1-1.5D 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 alapúcsúszó-vonal módszerek

VI sík-folyás alapú

VII sík feszültség

alapúfő-feszültség- és

alakváltozás vonalak módszerei

véges elemes módszerek

VIII

IX SLM alapú

X hibrid módszerek

XI

XII (SLM alapú hibrid módszerek)véges elemes

módszerekFEM




Számítógéppel segített modellezés, elemzés és szimuláció

PLANE CAE

SYSTEM

1

2

3

4

5

6

7

8

Global Analysis

Local Analysis

CAD model CAD model

of part of tool

segmentation requirement

localization to segments

stress- and strain-

limit analysiscontour or profile

localization to

process-simulation

Eight

Step

Computer

Aided

Process

Engineering

Nyolc-

Lépéses

Számítógéppel

Segített techn.-i

Folyamat-

Tervezés




Teríték tervezésNem 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 Kiteríthető Nem kiteríthető

Contour Flange

kiteríthető egyenes mentén kihúzott alakzat esetén

Flange

kiteríthető egyenes élek esetén

Lofted Flange

kiteríthető hengeres és sík felületek esetén





CAD Alakzatok Kiteríthető

Kiteríthető Jog & Flouver

kiteríthető egyenes élek mentén kivágott peremek esetén





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




Teszt & SzimulációTerítékperem alakváltozásFelületmodell

Térbeli alakváltozás-és

feszültség-állapotszimuláció




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%)

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2000

20

40

60

80

100

120

1400 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

0

20

40

60

80

100

120

140

Material M2HFriction = 0.15BHF = 120 kN

Experimental

Simulated by SLM-EdgeBend

Co

ord

inat

e Y

Coordinate X

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2000

20

40

60

80

100

120

1400 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

0

20

40

60

80

100

120

140

Experimental

Simulated by SLM-EdgeBend


Co

ord

inat

e Y

Coordinate X

-250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200-160-140-120-100-80-60-40-20

020406080

100120140160

-250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200

-160-140-120-100-80-60-40-20020406080100120140160

Simulated by SLM - EdgeBend

Experimental


Co

ord

inat

e Y

Coordinate X




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!

Documents

Lemezalakítás technológiai tervezése /CAE