DEZVOLTAREA UNUI NOU CONCEPT DE CONDUCERE A PROCESELOR DE DEFORMARE PLASTICA BAZAT PE NOI TEHNICI DE REDUCERE A DIMENSIONALITATII

Transcription

1 Universitatea Dunarea de Jos din Galati Facultatea de Mecanica Catedra Constructii de Masini, Robotica si Sudare DEZVOLTAREA UNUI NOU CONCEPT DE CONDUCERE A PROCESELOR DE DEFORMARE PLASTICA BAZAT PE NOI TEHNICI DE REDUCERE A DIMENSIONALITATII Raport anual grant ID_1759 Contract 676/2009 Colectiv: prof. dr. ing. Catalina MAIER prof. dr. ing. Alexandru EPUREANU prof. dr. ing. Vasile MARINESCU prof. dr. ing. Viorel PAUNOIU asist. dr. ing. Florin Bogdan MARIN cercet. drd. ing. Mitica AFTENI

2 Universitatea Dunarea de Jos din Galati Facultatea de Mecanica Catedra Constructii de Masini, Robotica si Sudare Proiect ID-1759/2008 Raport in extenso pentru etapa unica 2009 Cuprins A Obiective, activitati si rezultate planificate 3 B Prezentarea in extenso a activitatilor realizate Analiza proceselor de deformare plastica la rece Identificarea elementelor componente ale proceselor de 6 deformare plastica 1.3. Definirea modelului conceptual al proceselor de deformare 7 plastica la rece Notiuni noi utilizate 7 Componentele noului model conceptual al proceselor de 8 defprmare plastica Studiu de caz: ambutisarea unei piese de forma complexa 9 Modelul fizic redus al procesului de ambutisare 10 complexa cu nervuri de retinere Modelarea cu elemente finite a modelului fizic redus 11 al procesului de ambutisare complexa cu nervuri de retinere Rezultatele simularii numerice 14 Noua metodologie de identificare a legii de comportare a 22 materialului Context stiintific 22 Prezentarea noii metodologii de identificare a legii de 28 comportare a materialului Bibliografie 30 C Valorificarea rezultatelor obtinute 32 C1. Brevete de inventie propuse 33 C2. Articole stiintifice publicate 35 C3. Rezumatul etapei 49 2

3 A. Obiective, activitati si rezultate planificate Obiectiv planificat: Ob. 1 Dezvoltarea modelului conceptual al procesului de deformare plastica la rece Activitati realizate: 1.1. Analiza proceselor de deformare plastica la rece Identificarea elementelor componente ale proceselor de deformare plastica Definirea modelului conceptual al proceselor de deformare plastica la rece Rezultate livrate pe etapa: Documentatia de descriere/utilizare a noii metodologii de identificare a legii de comportare a materialului B. Prezentarea in extenso a activitatilor realizate Activitatea 1.1. Analiza proceselor de deformare plastica la rece Procesele de deformare plastica sunt din ce in ce mai mult raspandite in industria aeronautica, constructoare de automobile, electronica, automatica, alimentara, s.a. Ponderea pieselor obtinute prin deformare plastica fata de cele obtinute prin alte procedee este de pete 60%, ceea ce determina urmatoarele cerinte privind procesele de deformare plastica: - cresterea competitivitatii produselor prin asigurarea calitatii acestora; - cresterea competitivitatii intreprinderilor producatoare prin asigurarea raportului optim calitate-pret. Avand in vedere cerintele de mai sus se impune analiza proceselor de deformare plastica in vederea: i).evidentierii problemelor de rezolvat pentru a asigura calitatea ceruta a produselor obtinute; ii). gruparii proceselor de deformare plastica la rece coreland diferite criterii astfel incat abordarea acestora prin intermediul modelelor lor reduse sa poata fi realizata.; aceasta abordare, conform ultimelor studii, pare a fi deosebit de importanta pentru asigurarea raportului optim calitate-pret. Procesele de deformare plastica se desfasoara cu viteza ridicata iar numarul parametrilor care intervin este deosebit de mare. Acestea fac dificila asigurarea obiectivelor principale: a). calitatea pieselor obtinute (acuratete dimensionala, absenta defectelor) si b). absenta variatiilor dimensionale intre piese. S-au dezvoltat si continua sa se dezvolte cercetari pentru identificarea celor mai bune metode de aplicat pentru indeplinirea obiectivelor de mai sus. Metodele dezvoltate pana in prezent sunt: - conducerea procesului de deformare plastica prin care vom intelege actiunea in urma careia marimile de stare ale procesului capata o evolutie, in timp si spatiu, impusa; - controlul procesului de deformare plastica prin care vom intelege actiunea in urma careia marimile de stare ale procesului sunt mentinute la valori impuse; in cazul proceselor de deformare plastica, in special a tablelor, au fost adoptate diferite solutii: i). MPF multi-point forming este deformarea cu matrite reconfigurabile multipunct pentru realizarea pieselor 3

4 complexe 3D; MPF se bazeaza pe constructia discreta a suprafetei de lucru a elementelor active [1-6], care este compusa dintr-un numar de pini a caror pozitie pe verticala depinde de forma piesei de realizat fara posibilitatea modificarii acestei pozitii in timpul procesului sau intre 2 piese successive deformate; ii). DDF digitized-die forming este o metoda de deformare sectiune cu sectiune pentru realizarea unor piese de dimensiuni mari cu seturi de elemente active de dimensiuni mici; principiul de realizare a pieselor prin aceasta metoda ii da un caracter si mai mare de flexibilitate decat tehnica MPF [7-12]; iii). VP-DDF Varying path DDF se carcaterizeaza pin variatia continua a formei zonei de lucru a elementelor active, variatie comandata numeric in timpul procesului pe un criteriu strict geometric; modul de variatie a acestei forme este descris printr-o serie de forme intermediare corespunzatoare momentelor t 0, t 1 [13-??] iv). Multi-step DDF reprezinta o aproximare a tehnicii VP-DDF caracterizata prin realizarea piesei prin deformarea succesiva in mai multi pasi; aplicarea unor deformatii de amploare mica prin aceasta metoda permite evitarea aparitiei defectelor de deformare; v). Closed-loop forming process consta in integrarea unui sistem de feedback privind forma piesei, echivalent cu un sistem de masurare 3D, in sistemul DDF [15]. Toate aceste tehnici asigura controlul procesului de deformare dupa criterii strict geometrice si se aplica la forme particulare de piese. - utilizarea instrumentelor numerice pentru proiectarea proceselor si echipamentelor care consta in realizarea unui mare numar de experimente numerice pentru optimizarea parametrilor tehnologici si constructivi ai proceselor si echipamentelor; dupa definirea acestor parametri nu mai este posibila interventia asupra lor, in cazul observarii unor abateri fata de obiectivele stabilite (a si b, de mai sus). Concluzia 1: Comportarea materialului in procesele de deformare plastica este neliniara ceea ce impune adaptarea permanenta a parametrilor de control ai procesului in functie de reactia de raspuns a materialului. Concluzia 2: Deoarece procesele de deformare plastica se desfasoara cu viteza foarte mare, sistemul de control al acestora trebuie sa asigure o viteza de raspuns tot atat de mare. In consecinta, controlul si adaptarea parametrilor proceselor de deformare plastica pe baza analizei cu elemente finite sunt imposibil de realizat datorita duratei mari a unui astfel de calcul. A rezultat astfel necesitatea identificarii unui nou model conceptual al proceselor de deformare plastica bazat pe reducerea dimensionalitatii pentru asigurarea controlului acestora. O caracteristica importanta a controlului, in acest caz, este utilizarea drept criteriu a reactiei de raspuns a materialului pe parcursul desfasurarii procesului. Constructia si identificarea modelelor reduse ale proceselor de deformare plastica se bazeaza pe descompunerea acestora in elemente componente caracteristice, echivalente cu macroelemente care asociaza o geometrie cu starea de tensiuni indusa de aceasta. Din acest motiv, procesele de deformare plastica la rece se vor grupa in 2 categorii: procese de deformare a semifabricatelor sub forma de tabla si procese de deformare a semifabricatelor volumice. In prima categorie intra procedeele de prelucrare prin taiere, indoire, ambutisare, tragere pe calapod, fasonare prin planare, reliefare, umflare, gatuire. In cea de adoua categorie se incadreaza procedeele de deformare volumica prin extrudare, presare in matrita, aplatizare, refulare. Gruparea in acest mod este determinata de starile de tensiuni si deformatii foarte diferite care iau nastere in materialul deformat, in cazul celor doua categorii de procese. De exemplu, in cazul prelucrarii pieselor din materiale metalice sub forma de tabla: 4

5 Nr.crt. Zona Schema mecanica a deformatiilor Starea de tensiuni Starea de deformatii Tabelul 1 Legea constantei volumului 1 Flansa σ ρ ε ρ ε ρ +ε θ +ε g=0 σ θ ε θ ε g σ g Racordarea cu ε σ g g σ flansa θ ε θ +ε 2 ε ρ θ +ε =0 g σ ρ ε ρ ε z 3 Peretele lateral εg+ε z=0 ε g σ z σ ρ ε ρ 4 Racordarea cu baza ε ρ θ +ε =0 σ θ ε θ +ε σ g ε g g 5 Baza ε ρ θ +ε =0 σ ρ ε ρ +ε σ θ ε θ ε g g 5

6 Acivitatea 1.2. Identificarea elementelor componente ale proceselor de deformare plastica Ideea de baza in descompunerea pieselor de realizat in elemente componente caracteristice este ca acestea din urma sa reprezinte elemente geometrice de baza carora li se asociaza o stare de tensiuni caracteristica. Aceasta idee decurge din studii anterioare ale echipei de cercetare implicate si in cadrul carora se evidentiau starile de tensiuni caracteristice ale unor procese de deformare plastica in vederea stabilirii criteriilor limita pentru pierderea stabilitatii materialului [16-20]. Analizand cele doua categorii de procese de deformare plastica la rece, cele care pornesc de la semifabricate din tabla si cele care pornesc de la semifabricate volumice, se pot evidentia o serie de elemente componente caracteristice care pot fi utilizate pentru a construi orice forma complexa de piesa data. Prin analogie cu metoda elementelor finite acestea pot fi numite macroelemente si identificarea lor este echivalenta cu identificarea modelului numeric redus corespunzator. Avand in vedere unul din cele mai complexe procese de deformare plastica a tablelor, ambutisarea pieselor de forma complexa (fig.1), se pot evidentia urmatoarele exemple de macroelemente componente: Fig. 1. Macroelemente componente ale proceselor de deformare plastica a tablelor metalice In aceasta figura se evidentiaza asocierea elementelor geometrice A-E cu urmatoarele starii de tensiuni caracteristice: A si C intindere + compresiune cu dominanta in intindere; B intindere + compresiune cu raport intre acestea controlat prin nervura de retinere; D intindere biaxiala; E intindere + compresiune cu dominanta in compresiune, ceea ce le transforma in macroelemente caracteristice. Exemple de macroelemente componente ale proceselor de deformare a semifabricatelor volumice: Fig. 2 6

7 Fiecare dintre aceste macroelemente care, din punct de vedere geometric pot fi componente ale unei piese date, se caracterizeaza printr-o anumita stare de tensiuni care trebuie astfel controlata incat san nu conduca la pierderea stabilitatii materialului si, implicit la aparitia defectelor sau abaterilor dimensionale la piesa data. Pentru fiecare macroelement se genereaza modelul numeric redus prin parcurgerea urmatorilor pasi: - definirea parametrilor de intrare si de iesire care caracterizeaza macroelementul; - analiza cu elemente finite a evolutiei acestor parametri in timpul procesului de deformare; - realizarea unei baze de date cu valorile parametrilor macroelementului; - stabilirea corelatiilor dintre acestia si identificarea parametrilor care au cea mai mare pondere ca si a corelatiilor celor mai puternice dintre parametri parametrii principali; - identificarea modelului numeric redus al macroelementului; - proiectarea echipamentului tehnologic necesar simularii fizice a deformarii macroelementului -modelul fizic al macroelementului; - realizarea experimentala a deformarii macroelementului pentru validarea/corectarea modelului numeric redus al macroelementului. In urma parcurgerii acestor pasi se completeaza o biblioteca de modele numerice ale macroelementelor componente ale proceselor de deformare plastica, biblioteca la care se face apel pentru generarea modelului numeric redus al oricarui proces de deformare plastica. Activitatea 1.3. Definirea modelului conceptual al proceselor de deformare plastica la rece Notiuni noi utilizate Model fizic redus specific unui proces de deformare plastica = modelul experimental care ilustreaza cat mai corect/complet cea mai complexa istorie a deformatiilor din timpul procesului de deformare sau o stare de tensiuni complexa care poate degenera si determina pierderea stabilitatii materialului in timpul desfasurarii procesului de deformare. Stabilirea acestui model se bazeaza pe analiza prin simulare numerica a procesului si pe identificarea zonelor critice ale piesei. Zona critica a piesei = zona in care starea de tensiuni este foarte favorabila pierderii stabilitatii materialului si, implicit, aparitiei defectelor. Parametri principali ai procesului = parametrii identificati ca avand influenta si corelatiile cele mai puternice in timpul unui process de deformare plastica. Model numeric redus al unui macroelement/al procesului = ansamblul relatiilor matematice care guverneaza evolutia parametrilor principali in timpul desfasurarii procesului de deformare. In cazul modelului numeric redus al procesului de deformare plastica, acesta se obtine folosind modelele numerice reduse ale macroelementelor componente si conditiile la limita dintre acestea. Elaborarea programului-piesa consta in proiectarea procesului tehnologic si a echipamentului tehnologic necesar realizarii acestuia (tehnologia de prelucrare a piesei, parametrii procesului tehnologic, parametrii geometrici si tehnologici ai elementelor active si cinematica acestora, s.a.). 7

8 Componentele noului model conceptual al proceselor de deformare plastica Componentele noului model conceptual al proceselor de deformare plastica sunt prezentate in figura 3. Fig. 3.Modelul conceptual al proceselor de deformare plastica In cazul unei piese date se porneste de la desenul de executia al acesteia si se parcurg pasii reprezentati de componentele modelului conceptual al procesului, astfel: 1. proiectarea procesului de prelucrare consta in proiectarea tehnologiei de prelucrare si a echipamentului tehnologic necesar realizarii acesteia; 2. simularea numerica a procesului de deformare folosind o lege de comportare din literatura de specialitate/legea de comportare identificata este o componente importanta in elaborarea programului-piesa; in prima etapa, cand se utilizeaza o lege de comportare din literature de specialitate se repereaza macroelementul care descrie cea mai complexa istorie a deformatiilor din timpul procesului, informatie necesara in etapa de proiectare a modelului fizic redus; dupa identificarea legii de comportare a materialului piesei simularea numerica se realizeaza atat pentru procesul real de prelucrare cat si pentru modelul fizic redus al acestuia in vederea completarii bazei de date si a corectarii programului-piesa proiectat. 3. determinarea zonelor critice ale piesei se realizeaza prin simularea numerica a procesului de prelucrare; in urma acestei actiuni se identifica zonele: i). cu cea mai complexa istorie a deformatiilor, ii). in care starea de tensiuni este favorabila pierderii stabilitatii materialului si aparitiei defectelor, iii). in care se impune montarea unor senzori pentru urmarirea reactiei de raspuns a materialului in vederea adaptarii parametrilor algoritmului de control al procesului; 4. proiectarea modelului fizic redus corespunzator procesului de prelucrare se realizeaza in urma analizei rezultatelor din etapele anterioare; realizarea experimentelor pe acest model are urmatoarele obiective: i). furnizarea de informatii care completeaza baza de date; ii). validarea algoritmului si programului de control al procesului de prelucrare; iii). identificarea legii de comportare a materialului; 5. identificarea legii de comportare a materialului folosind modelul fizic redus al procesului de deformare constituie o metodologie noua care asigura o mai mare corelatie intre rezultatele simularii numerice si cele experimentale; 8

9 6. identificarea macroelementelor ce compun piesa data folosind biblioteca de macroelemente si criteriile de descompunere a piesei ce tin seama de elemente geometrice de baza si stari de tensiuni elementare caracteristice procesului de prelucrare a acesteia; 7. structurarea modelului numeric redus al procesului de deformare prin asamblarea macroelementelor identificate si stabilirea conditiilor la limita de impus intre acestea pentru mentinerea coeziunii materialului piesei. 8. identificarea parametrilor modelului redus al procesului de deformare plastica si a legilor care ii guverneaza folosind tehnici de reducere a dimensionalitatii (Proper Orthogonal Decomposition - POD) si tehnici de extragere a cunostintelor (rough theory, algoritmi genetici, retele neuronale); parametrii sunt actualizati atat in timpul desfasurarii procesului, pe baza reactiei de raspuns a materialului, cat si dupa fiecare exemplar prelucrat al piesei; 9. completarea bazei de date folosind datele numerice si experimentale rezultate din simularea numerica si fizica a procesului de prelucrare si a modelului fizic redus al acestuia. 10. generarea/actualizarea algoritmului si programului de control consta in doua actiuni distincte: a). generarea care se realizeaza, in prima etapa folosind setul de date numerice si experimentale obtinute inainte de realizarea efectiva a procesului de prelucrare; b). actualizarea, care se realizeaza atat on-line pe baza informatiilor obtinute in timpul desfasurarii procesului de prelucrare cat si off-line, dupa fiecare exemplar prelucrat al piesei, pe baza informatiilor privind abaterile dimensionale si de forma ale piesei, informatii furnizate prin actiuni de masurare si control; 11. validarea algoritmului si programului de control se realizeaza folosind modelul fizic redus al procesului; 12. realizarea procesului de deformare si achizitia datelor atat in timpul acestuia cat si dupa obtinerea fiecarui exemplar de piesa; datele obtinute in timpul procesului sunt utilizate pentru actualizarea algoritmului si programului de control a acestuia iar cele obtinute dupa fiecare exemplar de oiesa prelucrata se utilizeaza pentru completarea bazei de date si actualizarea parametrilor modelului numeric redus al procesului si a legilor care ii guverneaza pe acestia. Pentru mai buna intelegerea a acestui nou model conceptual al proceselor de deformare plastica la rece vom prezenta in continuare un studiu de caz aplicat unuia dintre cele mai complexe procese de deformare plastica la rece ambutisarea pieselor de forma complexa. Studiu de caz: ambutisarea unei piese de forma complexa Simularea numerica a unei astfel de piese scoate in evidenta existenta unor stari de tensiuni caracteristice: stare de tensiuni de tip intindere+compresiune cu dominanta in intindere stare de tensiuni de tip intindere+compresiune cu dominanta in compresiune stare de tensiuni de tip intindere biaxiala (expansiune). care pot genera pierderea stabilitatii materialului manifestata prin: revenirea elastica formarea cutelor fisuri, in conditiile neindeplinirii unor criterii limita. Controlul evolutiei starilor de tensiuni caracteristice ale procesului de anbutisare complexa se realizeaza, in principal, prin placa de retinere cu sau fara nervuri de retinere, lucru demonstrat prin urmatoarele: Trecerea materialului printre nervurile de retinere este echivalenta cu trecerea materialului printr-o succesiune de cicluri de indoire cu intindere indreptare cu intindere. Efectul trecerii unui element de material printr-un astfel de ciclu consta dintr-un ansamblu format din M r moment de incovoiere si T r tensiune de intindere. Succesiunea unor astfel de cicluri, ca urmare a trecerii materialului printre nervurile de retinere, are ca efect un moment total de incovoiere M rtot si o tensiune totala de intindere T rtot. 9

10 M rtot este orientat in sens invers fata de cel care determina revenirea elastica a materialului, anulandu-l sau diminuandu-l pe acesta. T rtot, adaugata la tensiunea de intindere existenta in material, modifica raportul dintre tensiunea de intindere si cea de compresiune eliminand pericolul formarii cutelor in cazul starii de tensiuni de tip intindere+compresiune cu dominanta in compresiune. In cazul placii de retinere fara nervuri, aceasta are ca efect doar adaugarea unei tensiuni de intindere suplimentare, echivalenta cu existenta tensiunii T rtot. Efectul de compensare a revenirii elastice in acest caz este mult diminuat. M rtot si T rtot conduc la uniformizarea distributiei tensiunilor in material in timpul procesului, ceea ce impiedica aparitia unor stari de tensiuni de tip intindere biaxiala (expansiune), generatoare de fisuri. Modelul fizic redus al procesului de ambutisare complexa cu nervuri de retinere Avand in vedere observatiile de mai sus, modelul fizic redus propus pentru un proces de ambutisare complexa, este cel prezentat in figura de mai jos: Fig. 4. Modelul fizic redus al procesului de ambutisare complexa cu nervuri de retinere 1 - poanson; 2 contrapoanson; 3 - placa activa; 4 inel de retinere1; 5 - nervura de retinere; 6 inel de retinere2; 7 epruveta. Odata stabilit acest model, am realizat punerea la punct a modelului numeric cu elemente finite pentru simularea numerica. Programul de element finit utilizat este MARC Mentat. Geometria epruvetei este cea prezentata in figura 5. Prin schimbarea parametrilor geometrici ai acesteia se pot obtine diferite dimensiuni ale macroelementului de tipul A din figura 1, dimensiuni corespunzatoare piesei ambutisate analizate. 10

11 Figura 5. Epruveta folosita in modelul fizic redus Modelarea cu elemente finite a modelului fizic redus al procesului de ambutisare complexa cu nervuri de retinere Conditiile la limita: Singura conditie la limita impusa consta in blocarea deplasarilor in directiile x si y la nivelul nodurilor ce apartin capatului dreapta al epruvetei prins intre poanson si contra-poanson. Aceasta conditie la limita a fost definita la nivelul meniului BOUNDARY CONDITIONS. Figura 6. Conditiile la limita Cinematica elementelor active deformatoare: Cinematica elementelor rigide care actioneaza asupra materialului contribuind la deformarea acestuia este descrisa in modulul CONTACT, submeniul CONTACT BODIES. La definirea cinematicii elementelor rigide care formeaza acest sistem, se ia in considerare ca deformarea materialului se realizeaza in doua etape: 1 patrunderea nervurii de retinere pe o adancime h; 2 deplasarea poansonului si contrapoansonului in sens negativ al axei z cu mentinerea nervurii de retinere in pozitia atinsa la sfarsitul etapei 1, aceasta deplasare realizandu-se pe distanta H. Poansonul 1 si contrapoansonul 2 vor avea aceeasi deplasare pe directia azei z in sens negativ al acesteia. Deplasarea poansonului si contrapoansonului este descrisa prin curba deplasare-timp din figura 7, care arata ca aceasta este formata dintr-un palier 1-2 de deplasare 11

12 nula corespunzator etapei de patrundere a nervurii de retinere si un tronson 2-3 in care deplasarea variaza liniar crescator in functie de timp. Cele doua tronsoane ale curbei de deplasare corespund intervalelor de timp de 10 si 90 unitati de timp (secunde) corespunzatoare celor etape in care se realizeaza deformarea materialului. Analiza cu elemente finite a fost realizata pentru diferite valori ale deplasarii nervurii de retinere in primele 10 unitati de timp, respectiv 0 mm, 1 mm, 2.5 mm, 3 mm. In urmatorul interval de 90 unitati de timp, s-a considerat o deplasare a poansonului si contrapoansonului de maxim 75 mm. Odata pus la punct modelul cu elemente finite, aceste valori ale deplasarilor si, implicit, tabelele care descriu acestea, pot fi modificate in functie de studiul care se doreste a se realiza. Figura 7. Deplasarea poansonului si contrapoansonului in functie de timp Placa activa 3 are o deplasare nula pe tot intervalul de timp considerat. Nervura de retinere 5 are o deplasare descrisa prin curba din figura 8. Cele doua tronsoane 1-2 si 2-3 corespund celor doua etape ale procesului de deformare considerat. Figura 8. Deplasarea nervurii de retinere in functie de timp pe parcursul procesului de deformare Tronsonul 1-2 descrie variatia liniara a deplasarii nervurii de retinere in sensul negativ al axei z, deplasare corespunzatoare patrunderii in materialul de deformat. Tronsonul 2-3 corespunde etapei in care poansonul si contrapoansonul se deplaseaza in sens negativ al axei z, nervura de retinere mentinandu-se in pozitia finala a etapei anterioare. 12

13 Inelele de retinere 4 si 6 pot fi considerate distincte sau formand un corp comun. Ele au o deplasare nula pe tot intervalul de timp corespunzator celor doua etape ale procesului de deformare a epruvetei. Definirea proprietatilor materialului s-a realizat in cadrul modulului MATERIAL PROPERTIES. Epruveta a fost considerata corp deformabil in timp ce toate celelalte elemente componente ale sistemului au fost considerate corpuri rigide. In faza de punere la punct a modelului cu elemente finite ale modelului fizic redus, am analizat doua tipuri de materiale otel dual fazic DP600 si aliaj de aluminiu AA pentru care parametrii legii de comportare sunt cunoscuti din literatura [Raport 3DS]. De asemnea, in aceasta etapa, am considerat ca lege de comportare doar legea lui Swift fara ecruisaj cinematic ai carei parametri au fost definiti la nivelul modulului MATERIAL PROPERTIES (figura 9). De asemenea s-a considerat materialul ca fiind izotrop cu respectarea criteriului Hill. Figura 9. Definirea proprietatilor materialului de deformat Rezultatele simularii numerice Atat in faza de lansare a calculului cu elemente finite cat si in faza de post-procesare a rezultatelor s-au avut in vedere obiectivele urmatoare: - obiectiv 1: evidentierea istoriei complexe a deformatiei materialului Pentru aceasta s-au trasat: 13

14 * curba tensiune deformatie a materialului (figura 10) si s-au evidentiat ciclurile succesive de deformare la care este supus materialul in timpul procesului de deformare folosind acest model fizic; in figura aceasta s-a luat in considerare nodul 270 care initial se afla in pozitia indicata in figura 11. db1-rp5-dist6-pt E E+02 Stess E E E E E E E E E E E E E E+03 Strain E+03 libre fin penetration avant entrée ds cavite 1ere moitie DB 2ieme moitie DB rayon matrice Figura10.. Curba tensiune-deformatie pentru nodul 270 al epruvetei (otel dual fazic DP600) Figura 11. Pozitionarea nodurilor analizate pe epruveta, inaintea deformarii * curbele reprezentand evolutia unor marimi importante pentru aprecierea evolutiei starii de tensiuni si deformatii in diferite zone ale epruvetei in timpul procesului de deformare (figura 11: a evolutia tensiunii echivalente Von Mises, b distributia tensiunii echivalente Von Mises in material la trecerea prin zona racordarii placii de ambutisare, c si d evolutia componentei σ 11, respectiv σ 22 a tensorului tensiunilor Cauchy in nodul central din zona liber deformabila a epruvetei; figura 12 distributia deformatiei plastice echivalente; figura 13 evolutia componentelor ε11, respectiv ε 22 ale tensorului deformatiilor plastice in nodul care trece prin zona nervurii de retinere si, la sfarsitul deformarii programate ajunge in zona racordata a placii de ambutisare). 14

15 a). b). c). d). Figura 11. Distributia si evolutia tensiunilor in materialul deformat a). evolutia tensiunii echivalente Von Mises in material la sfarsitul deformarii; b). distributia tensiunii echivalente Von Mises in materialin timpul deformarii; c). evolutia componentei σ 11 a tensorului tensiunilor Cauchy in timpul deformarii ; d). evolutia componentei σ 22 a tensorului tensiunilor Cauchy in timpul deformarii 15

16 nodul Figura 12. Distributia componentei normale a deformatiei plastice, ε 11 in materialul epruvetei la sfarsitul deformarii (2,5 mm patrundere a nervurii de retinere) ε11 ε 22 Figura 13. Evolutia componentelor, respectiv ale tensorului deformatiilor plastice in nodul

17 nodul Figura 14. Distributia componentei normale a deformatiei plastice, ε 11 in materialul epruvetei la sfarsitul deformarii (2,5 mm patrundere a nervurii de retinere) Figura 15. Evolutia componentelor ε11 ε 22, respectiv ale tensorului deformatiilor plastice in nodul Din analiza comparativa a figurilor 13 si 15 se observa variatia ciclica a componentelor si ε 22 ale deformatiei plastice in cazul prezentei nervurilor de retinere (fig. 13) fata de cazul in care patrunderea nervurilor de retinere este nula (fig. 15). ε 11 17

18 a). b). Figura 16. Distributia deformatiei plastice echivalente in materialul epruvetei la sfarsitul deformarii a). fara patrunderea nervurii de retinere; b). 2,5 mm patrundere a nervurii de retinere 18

19 a). b). Figura 17. Distributia componentei σ 22 a tensorului tensiunilor Cauchy in materialul epruvetei la sfarsitul deformarii a). fara patrunderea nervurii de retinere; b). 2,5 mm patrundere a nervurii de retinere Din analiza figurilor 16 si 17 se observa uniformizarea distributiei, de-a lungul conturului piesei, a deformatiilor si tensiunilor (de exemplu, componenta σ 22 a tensorului tensiunilor Cauchy) in cazul prezentei nervurii de retinere (fig. 17.b). In cazul absentei acesteia se produce o localizare a valorilor maxime ale tensinulor si deformatii si, implicit, pot aparea defecte in piesa deformata. 19

20 - obiectiv 2: identificarea modelului numeric redus al procesului de ambutisare complexa Unul din obiectivele simularii modelului fizic redus este si de a determina corelatiile intre diferitii parametri ai acestuia. Pentru aceasta se analizeaza curbele de variatie pentru: componente 11, 22 si 33 ale tensiunilor si deformatiilor in diferite zone ale epruvetei, evolutia fortelor (figurile 14,15). Evolutia acestor marimi a fost analizata pentru diferite valori ale adancimii de patrundere a nervurii de retinere si ale parametrilor geometrici ai epruvetei. Figura 14. Evolutia fortelor exercitate de elementele rigide deformatoare 20

21 Figura 15. Evolutia deformatiei ε 33 pe parcursul deformarii, in diferite zone (noduri) ale epruvetei Nod Nod Nod Nod Figura 16. Pozitionarea nodurilor in care s-a analizat evolutia deformatiei ε 33 21

22 Noua metodologie de identificare a legii de comportare a materialului Context stiintific In conditiile elaborarii unui material nou, caracterizarea comportamentului sau mecanic si identificarea legii de comportare sunt deosebit de importante pentru a cunoaste domeniul sau de utilizare si limitele acestuia in procesele de prelucrare pe care le sufera pentru a se transforma in piesa finita. In cazul semifabricatelor sub forma de tabla, multe dintre acestea au destinatii care presupun rezistenta ridicata la : - coroziune; - variatii mari ale temperaturii; - presiuni mari si variatii mari ale acesteia; - soc, ceea ce este echivalent cu o limita de elasticitate ridicata si, implicit, o rezistenta la rupere ridicata. Aceste cerinte conduc la realizarea unor materiale noi al caror comportament mecanic nu este suficient cunoscut astfel incat procesele de deformare la care sunt supuse aceste materiale sa fie bine controlate pentru a asigura obtinerea pieselor de buna calitate si cu durabilitate mare. Pe de alta parte, informatizarea proceselor tehnologice presupune utilizarea simularii numerice ca instrument de proiectare a : - formei piesei (avand in vedere solicitarile ei ulterioare); - tehnologiei de prelucrare; - echipamentului tehnologic necesar prelucrarii. In procesul simularii numerice cu elemente finite cunoasterea modelului legii de comportare care aproximeaza cel mai bine comportamentul mecanic al materialului, este deosebit de importanta. Deformarea plastica a materialelor metalice sub forma de tabla presupune deformatii mari si schimbari severe ale directiei de deformare. Deformatiile plastice mari conduc, in cazul multor materiale, la dezvoltarea unor structuri de dislocatii persistente care determina o puternica anizotropie la curgere. Aceasta anizotropie indusa in material determina, la randul ei, o reactie de raspuns sub forma relatiei tensiune-deformatie diferita in functie de tipul schimbarii de traiectorie a deformatiei. Obtinerea prin deformare plastica a pieselor presupune costuri foarte mari si consum mare de timp pentru faza de proiectare a procesului tehnologic si a echipamentului tehnologic necesar. Simularea numerica reprezinta un instrument important pentru reducerea acestor costuri dar eficienta acestui instrument este puternic influentata de modelul legii de comportare a materialului folosit ca si de reprezentarea corecta a interactiunilor dintre material si elementele active. De aceea se impune i). o intelegere cat mai completa a mecanismelor de deformare a materialului in interactiunea lui cu elementele active deformatoare si ii).folosirea unei legi de comportare care sa includa reactiile de raspuns (relatii tensiune-deformatie) ale materialului in functie de istoria deformatiei (efectul Bauschinger, efectul cross-hardening). In cazul in care aceste doua conditii nu sunt satisfacute acuratetea rezultatelor simularii numerice este scazuta si, implicit, eficienta acesteia. Noua metodologie de identificare a legii de comportare a materialului, are ca idee cheie utilizarea unei metode experimentale de solicitare a materialului care sa simuleze cea mai complexa istorie a deformatiilor ce survine in material in timpul procesului considerat. 22

23 Avand in vedere aceasta particularitate a metodologiei propuse, vom face o trecere in revista a metodelor experimentale folosite pana in prezent, cu particularizare la materialele sub forma de tabla. Legea de comportare mecanica a unui material este definita prin : criteriul de plasticitate legea de curgere; legile de evolutie a variabilelor interne de stare. Metodele de identificare a legii de comportare a materialelor sub forma de tabla, conform literaturii de specialitate, se bazeaza pe realizarea incercarilor mecanice care pot fi: Incercari mecanice simple cum sunt: Incercarea la tractiune Obiectivele acestei incercari sunt : determinarea curbelor de ecruisare a materialului pentru diferite directii de solicitare fata de directia de laminare; studiul anisotropiei din punct de vedere al : * tensiunii variatia limitei de elasticitate in functie de variatia orientarii directiei de solicitare fata de directia de laminare; * deformatiei determinarea coeficientului de anisotropie r( α) variabil in functie de orientarea directiei de solicitare fata de directia de laminare. Incercarea la forfecare De ce este necesara incercarea la forfecare? Incercarea simpla (monotona) la forfecare, adaptata pentru table, permite atingerea unor valori ale deformatiei plastice net superioare celor obtinute prin incercarea la tractiune simpla si comparabile cu cele atinse in procesele reale de deformare plastica. Incercarea ciclica la forfecare se poate realiza pentru amplitudini mari ale deformatiei (10%, 20%, 30%) si permite completarea informatiilor privind ecruisarea materialului : - efect Bauschinger; - evidentierea componentei cinematice a ecruisarii. Figura 17 [21] Obiectivele incercarii la forfecare (monotona si ciclica) sunt : * determinarea curbelor de ecruisare a materialului pentru diferite orientari ale epruvetei fata de directia de laminare (0 0, 45 0, 90 0, ) atat pentru forfecarea monotona cat si pentru cea ciclica; * determinarea sensibilitatii materialului la viteza de deformare prin realizarea incercarii la forfecare monotona cu salt de viteza; 23

24 * determinarea influentei starii initiale de ecruisare a materialului prin realizarea incercarii ciclice la forfecare cu mai multe cicluri Essai 1 Essai 2 Contrainte de cisaillement (MPa) Déformation de cisaillement Figura 18[21] Incercarea la compresiune Se stie ca limita la curgere a materialelor este diferita in conditii de solicitare la tractiune, respectiv compresiune. In cazul materialelor metalice sub forma de tabla, pentru a evita flambajul epruvetei in timpul solicitarii la compresiune, se poate realiza aceasta incercare pe epruvete de forma circulara, cu diametrul de 10 mm. In cazul acestei incercari, cand este vorba despre semifabricate sub forma de tabla, obiectivul este de a obtine curba de ecruisare a materialului. Incercari mecanice combinate Comportarea materialului la un moment dat in timpul procesului de prelucrare depinde esential de istoricul deformatiei. De aceea este important sa se analizeze influenta traiectoriei complexe a deformatiei asupra comportamentului mecanic al materialului (fig. 3). Acest lucru este realizabil prin analiza rezultatelor incercarilor mecanice compuse sub forma : - tractiune + forfecare (fig. 4) - forfecare + tractiune (fig. 5) - forfecare + forfecare (fig. 5) Figura 19 24

25 Figura 20 Figura 21 Incercari tehnologice speciale sau simulative Aceste incercari au fost utilizate, pana in prezent, in special pentru validarea unor modele constitutive noi [18-20] si, foarte rar, pentru identificarea unor parametri ai unui astfel de model [17, 21]. Rolul acestor incercari este de a realiza reproducerea sau simularea unor stari de tensiuni si deformatii specifice proceselor de deformare a tablelor in vederea stabilirii criteriilor limita privind aparitia unor defecte la piesele obtinute. De-a lungul timpului cercetarile au fost focalizate pe studiul unor defecte ale pieselor cum sunt: revenirea elastica, formarea cutelor, ruperea. Aceste defecte sunt determinate de pierderea stabilitatii materialului sau, mai exact, de atingerea unor criterii limita privind starea de tensiuni si deformatii in materialul supus deformarii. 25

26 In aceasta categorie pot fi incluse atat incercarile de tipul: Erichsen, Swift, Nakazima, Marciniak cat si incercarile de tipul: Nine test (figura 22) si variante ale acestuia, 2D draw bending test (figura 24), cyclic pure bending test, draw bend test (figura 25), 3 point cyclic bending test (figura 26), biaxial tensile test [24], bulge test (figura 27), s.a. Figura 22. Nine Test [19] a) b). Figura 23. a).experimental test apparatus for angle binder draw bead simulations; b) Draw bead detail[21] Figura 24. 2D draw bending test [25] 26

27 Figura 25. Draw bend test[..] Figura point cyclic bending test [..] Figura 27. Bulge test [22] 27

28 Tendinta constructiei acestora este de a obtine o cat mai mare apropiere de conditiile reale de deformare a materialului in timpul proceselor de deformare plastica si, mai mult, de a obtine conditii dintre cele mai complexe ale istoriei deformarii materialului. Motivul acestei evolutii este de a determina legea de comportare care, folosita in programele de simulare numerica, sa conduca la cresterea acuratetei rezultatelor obtinute sau, altfel spus, sa conduca la rezultate cat mai apropiate de cele experimentale. Determinarea legii de comportare care raspunde cel mai bine acestei cerinte se realizeaza prin introducerea in programele de analiza cu elemente finite a modelelor constitutive propuse si compararea rezultatelor simularii numerice cu rezultatele experimentale obtinute prin deformarea materialului conform uneia dintre schemele incercarilor tehnologice (simulative) prezentate mai sus. Prezentarea noii metodologii de identificare a legii ce comportare Noua metodologie de identificare a legii de comportare a materialului, are ca idee cheie utilizarea unei metode experimentale de solicitare a materialului care sa simuleze cea mai complexa istorie a deformatiilor ce survine in material in timpul procesului considerat. Aceasta metoda experimentala va fi folosita pentru identificarea parametrilor legii de comportare, specifici istoriei complexe a deformatiilor. Astfel, noua metodologie de identificare a legii de comportare a materialului propusa consta in parcurgerea urmatoarelor etape: 1. proiectarea planului experimental, care include descrierea: metodei experimentale folosite, definirea parametrilor acestei metode, planificarea experimentelor; 2. achizitia/prelucrarea datelor experimentale pentru obtinerea curbei σ ε va consta in descrierea metodei de achizitie a datelor experimentale si a metodei de prelucrare a acestora; 3. stabilirea familiei de modele ale legii de comportare a materialului care vor fi luate in considerare in etapa urmatoare; familia de modele se stabileste astfel incat sa corespunda celei mai complexe istorii a deformatiei corespunzatoare procesului considerat; 4. identificarea parametrilor legii de comportare pentru fiecare model considerat, folosind metoda analizei inverse 5. analiza comparativa a modelelor identificate si a rezultatelor experimentale pentru selectarea modelului care prezinta cea mai buna corelatie cu rezultatele experimentale 6. validarea modelului selectionat prin folosirea lui la simularea numerica a modelului fizic redus al procesului si compararea cu rezultatele experimentale In cazul aplicarii noii metodologii de identificare a legii ce comportare, la ambutisarea pieselor complexe, metoda experimentala de solicitare a materialului este elaborata avand in vedere cea mai complexa istorie a deformatiilor Aceasta poate fi ilustrata de trecerea materialului printre nervurile de retinere, care materializeaza una din cele mai complexe solicitari ciclice a materialului la ambutisarea complexa. Metoda experimentala de analiza a comportarii materialului in timpul deformarii include si realizarea incercarii la tractiune pentru identificarea parametrilor care nu tin seama de ecruisajul cinematic al materialului. Incercand sa tinem cont de necesitatea unei cat mai mari apropieri fata de procesul real de deformare a materialului in timpul ambutisarii pieselor complexe, propunem ca schema de deformare pentru identificarea legii de comportare a materialului, conform noii metodologii sa fie urmatoarea: Fig. 25. Schema de deformare aplicata in metoda experimentala propusa pentru identificarea legii de comportare 1 rola superioara; 2 si 3 role inferioare; 4 bac de retinere; 5 bac de tragere. 28

29 Aceasta schema corespunde principiului de deformare a materialului in cadrul testului Nine [19], cu unele modificari, si este adoptata pornind de la modelul fizic redus determinat mai inainte (fig. 4). Fata de testul Nine, aceasta metoda include 2 geometrii diferite ale rolelor care simuleaza nervura de retinere: a). cu axa de rotatie liniara, b). cu axa de rotatie in arc de cerc. Cele doua geometrii simuleaza solicitarea materialului la nivelul macroelementelor caracteristice A, C si E din figura 1. Fata de modelul fizic redus, s-a eliminat zona in care se simuleaza trecerea peste zona racordata a placii active pentru reducerea zonelor de contact cu frecare intre material si elementele rigide deformatoare. Obiectivul principal al acestei metode de solicitare a materialului este de a identifica parametrii legii de comportare care tin seama de ecruisarea cinematica a acestuia. Pentru a exclude efectul fortelor de frecare, elementele cilindrice care materializeaza nervura de retinere au o miscare de rotatie libera in jurul axei lor. Pe epruveta se traseaza reperele prezentate in figura 6 pentru a putea masura evolutia deformatiei elementului Δ 0 pe parcursul trecerii lui printre elementele ce materializeaza nervura de retinere. Fig. 26 Sunt cunoscute metodele experimentale clasice folosite pentru identificarea legiii de comportare a materialelor, cum sunt: incercarile mecanice simple (tractiune, compresiune, forfecare), incercarile mecanice combinate (tractiune-compresiune, tractiune-forfecare, forfecare-tractiune), incercarile tehnologice (Erichsen, Fukui,...), incercarile tehnologice speciale. Metoda propusa face parte din categoria incercarilor tehnologice speciale si deformarea materialului in zona de lucru (fig. 5) se desfasoara in doua etape: patrunderea rolei superioare 1 care, prin intermediul fortei F 1 deformeaza materialul similar deformarii acestuia de catre nervurile de retinere; tragerea materialului cu viteza v printre rolele 1, 2 si 3 care materializeaza nervuria de retinere. Aceste doua etape se desfasoara cu aplicarea simultana a fortei de intindere F in sens invers directiei de deplasare a materialului printre role. Achizitia datelor se va realiza folosind o camera video cu viteza inalta de inregistrare. Imaginile captate vor reprezenta pozitiile pe care le vor avea reperele trasate la distanta initiala Δ 0, in diferite momente ale deplasarii materialului in directia de tragere. Ele vor fi prelucrate cu ajutorul unui program specializat pentru prelucrarea imaginilor, program realizat in laboratorul PDPR al Universitatii din Galati. Pe baza rezultatelor acestei prelucrari si a achizitiei celorlalti parametri ai incercarii, se va trasa curba de ecruisare a materialului. Stabilirea familiei de modele ale legii de comportare a materialului stabilindu-se astfel incat sa corespunda celei mai complexe istorii a deformatiei corespunzatoare procesului considerat, in cazul ambutisarii pieselor de forma complexa se vor retine cele care tin cont de ecruisarea cinematica a materialului. 29

30 Bibliografie [1] Walczyk, D.F. and Hardt, D.E., Design and Analysis of Reconfigurable Discrete Dies for Sheet Metal Forming, Journal of Manufacturing Systems, 1998, 17(6), [2] Nardiello, J., Christ, R., and Papazian, J.M., Block Set Form Die Assembly, USA Patent 6,053,026, April [3] Papazian, J.M., Anagnostou, E.L., Christ, R.J., Hoitsma, D., Orivile P, Schwarz, R.C., Spitzer, K., and Barkley, C., Tooling for Rapid Sheet metal parts production, 6th Joint FAA/DoD/NASA conference on Aging Aircraft, September 2002 [4] Walczyk, D.F. and Longtin, R.S., Fixturing of compliant parts using a matrix of reconfigurable parts, ASME Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2000, 122(4), [5] Cai, Z., Li, M., Optimum path forming technique for sheet metal and its realization in multipoint forming, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 110, pag , [6] Cai, Z.Y., Li, M.Z., Multi-point forming of three-dimensional sheet metal and the control of the forming process. Int. J. Pressure Vessels Piping 79 4 (2002), pag [7] Cai, Z.Y., Li, M.Z., Yan, Q.G., Flexible forming for sheet metal, Journal of Applied Science 20 (2002) (in Chinese). [8] Chen, J.J., Li, M.-Z., Multi-point section forming technology, J. Harbin Instit. Technol. 32 (2000) (4), pag [9] Zhongyi, C., Mingzhe, L., Zhaohua, F., Theory and method of optimum path forming for sheet metal, Chin. J. Aeronautics 14 2 (2001), pp [10] Boers, S.H.A., Schreurs, P.J.G., Geers, M.G.D., Path-Dependent Plasticity and 3D Discrete Forming, VIII International Conference on Computational Plasticity, COMPLAS VIII, CIMNE, Barcelona, [11] Zhong-Yi Cai, Ming-Zhe Li, Xi-Di Chen, Digitized die forming system for sheet metal and springback minimizing technique, Int. Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 28, nr /2006, pp [12] Zhong-Yi Cai, Ming-Zhe Li, A finite element method to generate digitized-die shape from the measured data of desired part, Int. Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 30, nr. 1-2/2006, pp [13] Hoppe H, DeRose T, Duchamp T et al, Surface reconstruction from unorganized points, Comput Graph 26(2)/2002, pp [14] M-Z Li, Z-Y Cai, Z Sui, X-J Li, Principle and applications of multi-point matched-die forming for sheet metal, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineering, Part B: Journal of Engineering Manufacture, vol. 222, nr. 5/2008, pp [15] Julian M. Allwood, Omer Music, Ankor Raithathna and Stephen R. Duncan, Closed-loop feedback control of product properties in flexible metal forming processes with mobile tools, Cirp Annals Manufacturing Technology, vol. 58, issue 1/2009, pp [16] L.M. Smith, Y.J. Zhou, D.J. Zhou, C. Dub, C.Wanintrudal, A new experimental test apparatus for angle binder draw bead simulations, Journal of Materials Processing Technology, vol. 209/2009, pp [17] Per-Andersen Eggertsen, Kjell Mattiasson, An inverse approach for material parameter identification in a cyclic bending test using LS-DYNA and LS-OPT, 7 th European LS-DYNA Conference, [18] R. Padmanabhan, Jihyun Sung, H. Lim, M.C. Oliveira, L.F. Menezes, R.H. Wagoner, Influence of draw restraining force on the springback in advanced high strength steels, Int. J. Mater. Form., 2008, suppl. 1, pp , DOI /s [19] Clemens Barthel, Till Clausmeyer, Bob Svendsen, Numerical investigatiomn of draw bending and deep drawing taking into account cross hardening, 7 th European LS-DYNA Conference, [20] L.R. Sanchez, Characterisation of a measurement system for reproductible friction on sheet metal under plane strain, Tribology International, N0. 32, 1999, pp

31 [21] L.R. Sanchez, A new cyclic anisotropic model for plane strain sheet metal forming, Int. J. Mech. Sciences, N0. 42, 2000, pp [22] L.M. Smith, Y.J. Zhou, D.J. Zhou, C. Du, C. Wanintrudal, A new experimental test apparatus for angle binder draw bead simulation, No. 209, 2009, pp [23] bulge test [24] Banabic, D., Bunge, H. J., Pöhlandt, K. and Tekkaya, A. E.Formability of Metallic Materials, 2000 (Springer-Verlag, Berlin, Germany). [25] A. Makinouchi, On the Expected Role of Benchmark Test in Evaluating the Sheet Metal Forming Simulation Software, Proceedings of Int. Conf. Metal Forming Process Simulation in Industry, 1994, pp [26]. 3 point bending test [27] C. Maier, M. Teodorescu, M. Banu 1995, Analysis of stress and strain state during the deep-drawing of automotive body panels, using the finite element method, SISOM 95, Academia Romana, Bucuresti, , ISSN [28] C. Maier, M. Teodorescu, A. Dimofte, 1997, Mathematical model of the stress state type tension with compression when the compression is dominant met in deep-drawing with drawbeads, SISOM 97, Academia Romana, Bucuresti, , ISSN [29] C. Maier, M. Teodorescu, C. Rusu, 1997, Finite element modeling of drawbead test, SISOM 97, Academia Romana, Bucuresti, , ISSN [30] C. Maier, M. Banu, S. Bouvier, V. Tabacaru, V. Marinescu - Designing of an inverse redrawing dies, having reconfigurable characteristics, aided by FEM simulation, Analele Universitatii Dunarea de Jos din Galati, Fasc. V., Tehnologii în construcţia demaşini, anul XXIV(XXIX) 2007, ISSN , p.17 [31] C. Maier, N. Kosmalski, M. Banu, Al. Epureanu, V. Paunoiu Design of the virtual model of redrawing process, Analele Universitatii Dunarea de Jos din Galati, Fasc. V., Tehnologii în construcţia demaşini, anul XXIV(XXIX) 2007, ISSN , p.11 [32] C. Maier, C. Teodosiu, S. Bouvier, 2001, Preliminary results of identification of elastoplastic models for some materials used in the Benchmarks, Workshop on Digital Die Design Systems (3DS), RIKEN Institut, Japan, 25-35, IMS

32 C. Valorificarea rezultatelor obtinute 32

33 C1. Brevete de inventie propuse 33

34 Metoda si echipament pentru modelarea comportarii tablelor subtiri in procesul de ambutisare cu nervuri de retinere Autori: Maier C., Epureanu Al., Banu M., Paunoiu V., Marinescu V., Marin F.B. - Rezumat - Inventia se refera la o metoda de a construi un model redus, care sa descrie comportarea tablelor subtiri pe parcursul procesului de ambutisare cu nervuri de retinere, precum si la un echipament ce poate fi folosit pentru implementarea metodei in procesul de fabricatie. Metoda si echipamentul pentru modelarea comportarii tablelor subtiri in procesul de ambutisare cu nervuri de retinere se pot aplica, atat la proiectarea proceselor si echipamentelor tehnologice necesare pentru ambutisarea din table subtiri a componentelor mecanice, in scopul gasirii unor valori optimale pentru parametrii geometrici ai matritei si ai placii de retinere si pentru forta de retinere, astfel incat indicatorii de calitate ai produsului si indicatorii de economicitate ai procesului sa aiba valori cat mai favorabile, cat si la controlul online al proceselor de ambutisare. Algoritmul de aplicare a metodei consta in descompunerea procesului concret de ambutisare in procese elementare, modelarea fiecarui proces elementar astfel rezultat si constructia modelului redus al procesului global de ambutisare, prin compunerea modelelor proceselor elementare aferente si asocierea acestora cu conditiile la limita, specifice zonelor care separa procesele elementare. In cazul ambutisarii pieselor complexe tipurile de procese elementare care pot fi identificate sunt: - tipul 1 - corespunzator starii de solicitare de intindere+compresiune cu dominanta in intindere; - tipul 2 corespunzator starii de solicitare de intindere+compresiune cu dominanta in compresiune; - tipul 3 corespunzator starii de solicitare la intindere biaxiala. Pe de alta parte, modelul general al proceselor elementare se obtine prin procesarea datelor rezultate in urma unui program experimental, care consta in derularea repetata, cu valori schimbate ale parametrilor, a unui proces standard de ambutisare cu nervuri de retinere, folosind echipamentul pentru implementarea metodei in procesul de fabricatie, conform inventiei. Inventia prezinta urmatoarele avantaje: - modelul obtinut este mai aproape de realitatea fizica a procesului de ambutisare, deoarece se construieste pe baza unor date experimentale specifice produsului, procesului si echipamentului pentru care a fost construit; - modelul este simplu si de aceea poate fi utilizat pentru conducerea online a procesului de ambutisare; - baza de date ce a fost folosita la constructia modelului poate fi folosita si la constructia altor modele, care sa descrie alte procese de ambutisare. 34

35 C2. Articole stiintifice publicate 35

36 36

37 37

38 38

39 39

40 40

41 41

42 42

43 43

44 Proiect ID-1759/2008 Raport in extenso pentru etapa unica

45 Proiect ID-1759/2008 Raport in extenso pentru etapa unica

46 Proiect ID-1759/2008 Raport in extenso pentru etapa unica

47 Proiect ID-1759/2008 Raport in extenso pentru etapa unica

48 Proiect ID-1759/2008 Raport in extenso pentru etapa unica

49 Proiect ID-1759/2008 Raport in extenso pentru etapa unica 2009 C3. Rezumatul etapei Obiectiv planificat: Ob. 1 Dezvoltarea modelului conceptual al procesului de deformare plastica la rece Activitati realizate: 1.4. Analiza proceselor de deformare plastica la rece Identificarea elementelor componente ale proceselor de deformare plastica Definirea modelului conceptual al proceselor de deformare plastica la rece Rezultate livrate pe etapa: Documentatia de descriere/utilizare a noii metodologii de identificare a legii de comportare a materialului Activitatea 1.1. Analiza proceselor de deformare plastica la rece Analiza proceselor de deformare plastica la rece se realizeaza cu scopul: i).evidentierii problemelor de rezolvat pentru a asigura calitatea ceruta a produselor obtinute; ii). gruparii proceselor de deformare plastica la rece coreland diferite criterii astfel incat abordarea acestora prin intermediul modelelor lor reduse sa poata fi realizata. Procesele de deformare plastica se desfasoara cu viteza ridicata iar numarul parametrilor care intervin este deosebit de mare. Acestea fac dificila asigurarea obiectivelor principale: a). calitatea pieselor obtinute (acuratete dimensionala, absenta defectelor) si b). absenta variatiilor dimensionale intre piese. Metodele utilizate pentru indeplinirea acestor obiective sunt: - conducerea procesului de deformare plastica prin care vom intelege actiunea in urma careia marimile de stare ale procesului capata o evolutie, in timp si spatiu, impusa; - controlul procesului de deformare plastica prin care vom intelege actiunea in urma careia marimile de stare ale procesului sunt mentinute la valori impuse; in cazul proceselor de deformare plastica, in special a tablelor, au fost adoptate diferite solutii: i). MPF multi-point forming este deformarea cu matrite reconfigurabile multipunct pentru realizarea pieselor complexe 3D; MPF se bazeaza pe constructia discreta a suprafetei de lucru a elementelor active, care este compusa dintr-un numar de pini a caror pozitie pe verticala depinde de forma piesei de realizat fara posibilitatea modificarii acestei pozitii in timpul procesului sau intre 2 piese successive deformate; ii). DDF digitized-die forming este o metoda de deformare sectiune cu sectiune pentru realizarea unor piese de dimensiuni mari cu seturi de elemente active de dimensiuni mici; iii). VP-DDF Varying path DDF se carcaterizeaza pin variatia continua a formei zonei de lucru a elementelor active, variatie comandata numeric in timpul procesului pe criteriu strict geometric; iv). Multi-step DDF reprezinta o aproximare a tehnicii VP-DDF caracterizata prin realizarea piesei prin deformarea succesiva in mai multi pasi; aplicarea unor deformatii de amploare mica prin aceasta metoda permite evitarea aparitiei defectelor de deformare; v). Closed-loop forming process consta in integrarea unui sistem de feedback privind forma piesei, echivalent cu un sistem de masurare 3D, in sistemul DDF. Toate aceste tehnici asigura controlul procesului de deformare dupa criterii strict geometrice si se aplica la forme particulare de piese. - utilizarea instrumentelor numerice pentru proiectarea proceselor si echipamentelor care consta in realizarea unui mare numar de experimente numerice pentru optimizarea parametrilor tehnologici si constructivi ai proceselor si echipamentelor; dupa definirea acestor parametri nu mai este posibila interventia asupra lor, in cazul observarii unor abateri fata de obiectivele stabilite (a si b, de mai sus). Concluzii: a). Comportarea materialului in procesele de deformare plastica este neliniara ceea ce impune adaptarea permanenta a parametrilor de control ai procesului in functie de reactia de raspuns a materialului. b). Deoarece procesele de deformare plastica se desfasoara cu viteza foarte mare, sistemul de control al acestora trebuie sa asigure o viteza de raspuns tot atat de mare. In consecinta, controlul 49

50 Proiect ID-1759/2008 Raport in extenso pentru etapa unica 2009 si adaptarea parametrilor proceselor de deformare plastic pe baza analizei cu elemente finite sunt imposibil de realizat datorita duratei mari a unui astfel de calcul. A rezultat astfel necesitatea dezvoltarii unui nou model conceptual al proceselor de deformare plastica bazat pe reducerea dimensionalitatii pentru asigurarea controlului acestora. O caracteristica importanta a controlului, in acest caz, este utilizarea drept criteriu a reactiei de raspuns a materialului pe parcursul desfasurarii procesului. Constructia si identificarea modelelor reduse ale proceselor de deformare plastica se bazeaza pe descompunerea acestora in elemente componente caracteristice, echivalente cu macroelemente care asociaza o geometrie cu starea de tensiuni indusa de aceasta. Din acest motiv, procesele de deformare plastica la rece se vor grupa in 2 categorii: procese de deformare a semifabricatelor sub forma de tabla si procese de deformare a semifabricatelor volumice. Acivitatea 1.2. Identificarea elementelor componente ale proceselor de deformare plastica Ideea de baza in descompunerea pieselor de realizat in elemente componente caracteristice este ca acestea din urma sa reprezinte elemente geometrice de baza carora li se asociaza o stare de tensiuni caracteristica. Analizand cele doua categorii de procese de deformare plastica la rece, cele care pornesc de la semifabricate din tabla si cele care pornesc de la semifabricate volumice, se pot evidentia o serie de elemente componente caracteristice care pot fi utilizate pentru a construe orice forma complexa de piesa data. Prin analogie cu metoda elementelor finite acestea pot fi numite macroelemente si identificarea lor este echivalenta cu identificarea modelului numeric redus corespunzator. Exemple de macroelemente componente ale proceselor de deformare plastica a semifabricatelor sub forma de tabla: Fig. 1. Exemple de elemente caracteristice ale proceselor de deformare plastica a tablelor Exemple de macroelemente componente ale proceselor de deformare a semifabricatelor volumice: Fig. 2. Exemple de elemente caracteristice ale proceselor de deformare plastica a semifabricatelor volumice Fiecare dintre aceste macroelemente care, din punct de vedere geometric pot fi componente ale unei piese date, se caracterizeaza printr-o anumita stare de tensiuni care trebuie astfel controlata incat sa nu conduca la pierderea stabilitatii materialului si, implicit la aparitia defectelor sau abaterilor dimensionale la piesa data. Pentru fiecare macroelement se genereaza modelul numeric redus prin parcurgerea urmatorilor pasi: - stabilirea parametrilor de intrare si de iesire care caracterizeaza macroelementul; - analiza cu elemente finite a evolutiei acestor parametri in timpul procesului de deformare; - realizarea unei baze de date cu valorile parametrilor macroelementului; - stabilirea corelatiilor dintre acestia si evidentierea parametrilor care au cea mai mare pondere ca si a corelatiilor celor mai puternice dintre parametri parametrii principali; - identificarea modelului numeric redus al macroelementului; - proiectarea echipamentului tehnologic necesar simularii fizice a deformarii macroelementului modelul fizic al macroelementului; 50

51 Proiect ID-1759/2008 Raport in extenso pentru etapa unica realizarea experimentala a deformarii macroelementului pentru validarea/corecta-rea modelului numeric redus al macroelementului. In urma parcurgerii acestor pasi se completeaza o biblioteca de modele numerice ale macroelementelor componente ale proceselor de deformare plastica, biblioteca la care se face apel pentru generarea modelului numeric redus al oricarui process de deformare plastica. Activitatea 1.3. Definirea modelului conceptual al proceselor de deformare plastica la rece Notiuni noi utilizate: Model fizic redus specific unui proces de deformare plastica = modelul experimental care ilustreaza cat mai corect/complet cea mai complexa istorie a deformatiilor din timpul procesului de deformare sau o stare de tensiuni complexa care poate degenera si determina pierderea stabilitatii materialului in timpul desfasurarii procesului de deformare. Stabilirea acestui model se bazeaza pe analiza prin simulare numerica a procesului si pe evidentierea zonelor critice ale piesei. Zona critica a piesei = zona in care starea de tensiuni este foarte favorabila pierderii stabilitatii materialului si, implicit, aparitia defectelor. Parametri principali ai procesului = parametrii evidentiati ca avand influenta si corelatiile cele mai puternice in timpul unui proces de deformare plastica. Model numeric redus al unui macroelement/al procesului = ansamblul relatiilor matematice care guverneaza evolutia parametrilor principali in timpul desfasurarii procesului de deformare. In cazul modelului numeric redus al procesului de deformare plastica, acesta se obtine folosind modelele numerice reduse ale macroelementelor componente si conditiile la limita dintre acestea. Elaborarea programului-piesa consta in proiectarea procesului tehnologic si a echipamentului tehnologic necesar realizarii acestuia (tehnologia de prelucrare a piesei, parametrii procesului tehnologic, parametrii geometrici si tehnologici ai elementelor active si cinematica acestora, s.a.). Componentele noului model conceptual al procesului de deformare plastica sunt prezentate in figura 3. Fig. 3.Modelul conceptual al unui proces de deformare plastica In cazul unei piese date se porneste de la desenul de executia al acesteia si se parcurg pasii reprezentati de componentele modelului conceptual al procesului, astfel: 1. proiectarea procesului de prelucrare consta in proiectarea tehnologiei de prelucrare si a echipamentului tehnologic necesar realizarii acesteia; 51

52 Proiect ID-1759/2008 Raport in extenso pentru etapa unica simularea numerica a procesului de deformare folosind o lege de comportare din literature de specialitate/legea de comportare identificata este o componenta importanta in elaborarea programului-piesa; in prima etapa, cand se utilizeaza o lege de comportare din literatura de specialitate se stabileste elementul care descrie cea mai complexa istorie a deformatiilor din timpul procesului, informatie necesara in etapa de proiectare a modelului fizic redus; dupa identificarea legii de comportare a materialului piesei simularea numerica se realizeaza atat pentru procesul de prelucrare cat si pentru modelul numeric redus al acestuia in vederea completarii bazei de date si a corectarii programului-piesa proiectat. 3. stabilirea zonelor critice ale piesei se realizeaza prin simularea numerica a procesului de prelucrare; in urma acestei actiuni se evidentiaza zonele: i). cu cea mai complexa istorie a deformatiilor, ii). in care starea de tensiuni este favorabila pierderii stabilitatii materialului si aparitiei defectelor, iii). in care se impune montarea unor senzori pentru urmarirea reactiei de raspuns a materialului in vederea adaptarii parametrilor algoritmului de control al procesului; 4. proiectarea modelului fizic redus corespunzator procesului de prelucrare se realizeaza in urma analizei rezultatelor din etapele anterioare; realizarea experimentelor pe acest model are urmatoarele obiective: i). furnizarea de informatii care completeaza baza de date; ii). validarea algoritmului si programului de control al procesului de prelucrare; iii). identificarea legii de comportare a materialului; 5. identificarea legii de comportare a materialului folosind modelul fizic redus al procesului de deformare constituie o metodologie noua care asigura o mai mare corelatie intre rezultatele simularii numerice si cele experimentale; 6. stabilirea macroelementelor ce compun piesa data folosind biblioteca de macroelemente si criteriile de descompunere a piesei ce tin seama de elemente geometrice de baza si stari de tensiuni elementare caracteristice procesului de prelucrare a acesteia; 7. structurarea modelului numeric redus al procesului de deformare prin asamblarea macroelementelor evidentiate la pasul anterior si stabilirea conditiilor la limita de impus intre acestea pentru mentinerea coeziunii materialului piesei. 8. identificarea parametrilor modelului redus al procesului de deformare plastica si a legilor care ii guverneaza folosind tehnici de reducere a dimensionalitatii (Proper Orthogonal Decomposition - POD) si tehnici de extragere a cunostintelor (rough theory, algoritmi genetici, retele neuronale); parametrii sunt actualizati atat in timpul desfasurarii procesului, pe baza reactiei de raspuns a materialului, cat si dupa fiecare exemplar prelucrat al piesei; 9. completarea bazei de date folosind datele numerice si experimentale rezultate din simularea numerica si fizica a procesului de prelucrare si a modelului fizic redus al acestuia. 10. generarea/actualizarea algoritmului si programului de control consta in doua actiuni distincte: a). generarea care se realizeaza, in prima etapa folosind setul de date numerice si experimentale obtinute inainte de realizarea efectiva a procesului de prelucrare; b). actualizarea, care se realizeaza atat on-line pe baza informatiilor obtinute in timpul desfasurarii procesului de prelucrare cat si off-line, dupa fiecare exemplar prelucrat al piesei, pe baza informatiilor privind abaterile dimensionale si de forma ale piesei, informatii furnizate prin actiuni de masurare si control; 11. validarea algoritmului si programului de control se realizeaza folosind modelul fizic redus al procesului; 12. realizarea procesului de deformare si achizitia datelor atat in timpul acestuia cat si dupa obtinerea fiecarui exemplar de piesa; datele obtinute in timpul procesului sunt utilizate pentru actualizarea algoritmului si programului de control a acestuia iar cele obtinute dupa fiecare exemplar de piesa prelucrata se utilizeaza pentru completarea bazei de date si actualizarea parametrilor modelului numeric redus al procesului si a legilor care ii guverneaza pe acestia. Pentru mai buna intelegerea a acestui nou model conceptual al proceselor de deformare plastica la rece vom prezenta in continuare un studiu de caz aplicat unuia dintre cele mai complexe procese de deformare plastica la rece ambutisarea pieselor de forma complexa. Studiu de caz: ambutisarea unei piese de forma complexa 52

53 Proiect ID-1759/2008 Raport in extenso pentru etapa unica 2009 Simularea numerica a unei astfel de piese scoate in evidenta existenta unor stari de tensiuni caracteristice: stare de tensiuni de tip intindere+compresiune cu dominanta in intindere stare de tensiuni de tip intindere+compresiune cu dominanta in compresiune stare de tensiuni de tip intindere biaxiala (expansiune). care pot genera pierderea stabilitatii materialului manifestata prin: revenirea elastica formarea cutelor fisuri, in conditiile nemaiindeplinirii unor criterii limita. Controlul evolutiei starilor de tensiuni caracteristice ale procesului de anbutisare complexa se realizeaza, in principal, prin placa de retinere cu sau fara nervuri de retinere, lucru demonstrat prin urmatoarele: Trecerea materialului printre nervurile de retinere este echivalenta cu trecerea materialului printr-o succesiune de cicluri de indoire cu intindere indreptare cu intindere. Efectul trecerii unui element de material printr-un astfel de ciclu consta dintr-un ansamblu format din M r moment remanent de incovoiere si T r tensiune remanenta de intindere. Succesiunea unor astfel de cicluri, ca urmare a trecerii materialului printre nervurile de retinere, are ca efect un moment remanent total de incovoiere M rtot si o tensiune remanente totala de intindere T rtot. M rtot este orientat in sens invers fata de cel care determina revenirea elastica a materialului, anulandu-l sau diminuandu-l pe acesta. T rtot, adaugata la tensiunea de intindere exiostenta in material, modifica raportul dintre tensiunea de intindere si cea de compresiune eliminand pericolul formarii cutelor in cazul starii de tensiuni de tip intindere+compresiune cu dominanta in compresiune. In cazul placii de retinere fara nervuri, aceasta are ca efect doar adaugarea unei tensiuni de intindere suplimentare, echivalenta cu existenta tensiunii T rtot. Efectul de compensare a revenirii elastice in acest caz este mult diminuat. M rtot si T rtot conduc la uniformizarea distributiei tensiunilor in material in timpul procesului, ceea ce impiedica aparitia unor stari de tensiuni de tip intindere biaxiala (expansiune), generatoare de fisuri. Avand in vedere observatiile de mai sus, modelul fizic redus propus pentru un proces de ambutisare complexa, este cel prezentat in figura de mai jos: Fig. 4 Model fizic redus cu nervuri de retinere Noua metodologie de identificare a legii de comportare a materialului, in cazul ambutisarii pieselor complexe, este elaborata avand in vedere cea mai complexa istorie a deformatiilor care survine in material in timpul unui astfel de process. Aceasta poate fi ilustrata de trecerea materialului printre nervurile de retinere, care materializeaza una din cele mai complexe solicitari ciclice a materialului la ambutisarea complexa. 53