Моделирование обработки листового металла

Сегодня металлообрабатывающая промышленность все чаще использует моделирование для оценки работы штампов, процессов и заготовок перед изготовлением инструментов для испытаний. Анализ методом конечных элементов (FEA) является наиболее распространенным методом моделирования операций формовки листового металла, позволяющим определить, позволит ли предлагаемая конструкция производить детали без дефектов, таких как трещины или морщины.

Проблемы формовки листового металла

Формовка листового металла, которую часто называют штамповкой , представляет собой процесс, при котором кусок листового металла, называемый заготовкой, формируется путем растяжения между пуансоном и штампом.

Наиболее болезненными и наиболее частыми дефектами являются морщины, истончения, пружинение, сколы или трещины. Судя по опыту технических специалистов, в отрасли используется несколько методов устранения основных дефектов. Однако правильный процесс является наиболее важным, поскольку он включает в себя правильную геометрию, за которой следует ряд шагов, необходимых для достижения окончательной геометрии. Что требует определенного опыта или большего количества итераций.

Деформация заготовки обычно ограничивается короблением, сморщиванием, разрывом и другими негативными характеристиками, что делает невозможным соблюдение требований к качеству или приводит к необходимости работать с меньшей, чем желательно, скоростью.

Складки при вытяжке представляют собой серию гребней, образующихся радиально в вытянутой стенке из-за коробления при сжатии. Практически это связано с низким давлением держателя заготовки, из-за которого материал проскальзывает и образуются морщины. Оптимальное давление удержания заготовки является ключевым моментом, однако в некоторых случаях оно не работает. Тогда вытяжные валики являются решением, а расположение и форма вытяжных валиков являются проблемой, которую можно проанализировать с помощью FEA на этапе проектирования до производства инструмента.

Трещина в вертикальной стенке из-за высоких растягивающих напряжений небольшого радиуса блокирует поток материала и приводит к чрезмерному утончению в этой точке, обычно более 40% толщины листа. привести к трещинам. В некоторых случаях это может произойти из-за чрезмерного давления держателя заготовки, которое ограничивает поток металла. Где-то это может быть связано с неправильной организацией процесса, например, с попыткой сделать более глубокую загрузку за один этап, что в противном случае осуществимо только за два этапа.

Утончение – это чрезмерное растяжение вертикальной стенки из-за высоких растягивающих напряжений, вызывающее уменьшение толщины, особенно на небольшом радиусе металлических деталей, однако допускается утонение до 20% из-за технологических ограничений.

Упругое сопротивление является особенно важным аспектом формовки листового металла. Даже относительно небольшая упругость в конструкциях, сформированных на значительную глубину, может привести к деформации заготовки до такой степени, что допуски не будут соблюдены. Новые материалы, такие как высокопрочная сталь, алюминий и магний, особенно склонны к пружинению.

Формовка листового металла – это скорее искусство, чем наука. Проектирование оснастки, процесса штамповки, материалов и геометрии заготовок в основном осуществляется методом проб и ошибок.

В настоящее время программное обеспечение для моделирования подпадает под CAE (компьютерное проектирование) и использует анализ методом конечных элементов для прогнозирования распространенных дефектов на этапе проектирования до изготовления штампа.

Традиционный подход к проектированию пуансона и штампа для успешного производства деталей заключается в создании испытательных инструментов для проверки способности определенной конструкции инструмента производить детали требуемого качества. Инструменты для опробования обычно изготавливаются из менее дорогих материалов, чтобы снизить затраты на опробование, однако этот метод по-прежнему является дорогостоящим и требует много времени.

История моделирования обработки листового металла

Первая попытка моделирования обработки металлов давлением была предпринята с использованием метода конечных разностей в 1960-х годах, чтобы лучше понять процесс глубокой вытяжки. Позже точность моделирования была увеличена за счет применения нелинейного анализа методом конечных элементов в 1980-х годах, но время вычислений в то время было слишком большим, чтобы применить моделирование к промышленным задачам.

Быстрые улучшения компьютерного оборудования, произошедшие за последние несколько десятилетий, сделали метод анализа конечных элементов практичным для решения реальных задач обработки металлов давлением. Был разработан новый класс кодов FEA, основанный на явном интегрировании по времени, что позволило сократить время вычислений и требования к памяти. Динамический явный подход FEA использует другую центральную явную схему для интегрирования уравнений движения. В этом подходе используются матрицы сосредоточенных масс и типичный шаг по времени порядка миллионных долей секунды. Метод оказался надежным и эффективным для решения типичных промышленных задач.

По мере развития компьютерного оборудования и операционных систем ограничения памяти, которые препятствовали практическому использованию неявных методов конечных элементов, были преодолены. При использовании неявного метода временные шаги вычисляются на основе прогнозируемой величины деформации, возникающей в данный момент моделирования, что предотвращает ненужную вычислительную неэффективность, вызванную вычислением слишком маленьких временных шагов, когда ничего не происходит, или слишком большого временного шага, когда большие количества происходят деформации.

Методы конечно-элементного анализа

Два основных направления применения метода конечных элементов для формовки листового металла можно определить как инверсный одношаговый и инкрементный.

Обратные одношаговые методы вычисляют потенциал деформации геометрии готовой детали по отношению к сплющенной заготовке. Сетка изначально с формой и характеристиками материала готовой геометрии деформируется до плоской заготовки. Деформация, рассчитанная в ходе этой операции обратного формования, затем инвертируется для прогнозирования потенциала деформации плоской заготовки, деформируемой в окончательную форму детали. Предполагается, что вся деформация происходит за один шаг или шаг и является обратным процессу, который должно представлять моделирование, отсюда и название «Инверсный одношаговый».

Методы инкрементального анализа начинаются с сетки плоской заготовки и моделируют деформацию заготовки внутри инструментов, смоделированных для представления предлагаемого производственного процесса. Это постепенное формование вычисляется «вперед» от исходной формы к окончательной и рассчитывается за несколько временных приращений от начала до конца. Приращения времени могут быть определены явно или неявно в зависимости от применяемого программного обеспечения конечных элементов. Поскольку инкрементные методы включают модель оснастки и позволяют определять граничные условия, которые более полно воспроизводят производственное предложение, инкрементальные методы чаще используются для проверки процесса. Обратный одношаговый метод из-за отсутствия инструментов и, следовательно, плохого представления процесса ограничивается проверкой осуществимости на основе геометрии.

Инкрементальный анализ заполнил роль, ранее выполнявшуюся за счет использования инструментов доказательства или инструментов прототипирования. В прошлом контрольные инструменты представляли собой штампы для небольших партий, изготовленные из более мягкого, чем обычно, материала, которые использовались для планирования и испытаний операций обработки металлов давлением. Этот процесс был очень трудоемким и не всегда давал полезные результаты, поскольку мягкие инструменты сильно отличались по своему поведению от более долго работающих производственных инструментов. Уроки, извлеченные из мягких инструментов, не были перенесены в конструкции жестких инструментов. Моделирование по большей части вытеснило этот старый метод. Моделирование, используемое в качестве виртуальной пробы, представляет собой моделирование обработки металлов давлением, основанное на определенном наборе входных переменных, иногда номинальных, наилучшем, наихудшем случае и т. д. Однако качество любого моделирования зависит от данных, используемых для создания прогнозов. Когда моделирование рассматривается как «проходной результат», производство инструмента часто начинается всерьез. Но если результаты моделирования основаны на нереалистичном наборе производственных ресурсов, то его ценность как инженерного инструмента сомнительна.

Анализ надежности

Недавние инновации в стохастическом анализе, примененные к моделированию формования листового металла, позволили первопроходцам обеспечить повторяемость своих процессов, которую нельзя было бы обнаружить, если бы они использовали отдельные наборы моделирования в качестве «виртуальной проверки».

Использование моделирования формовки листового металла

Модели материалов типа Шабош иногда используются для имитации эффектов пружинения при штамповке листового металла. Эти и другие усовершенствованные модели пластичности требуют экспериментального определения кривых циклического напряжения-деформации. Испытательные стенды использовались для измерения свойств материала, которые при использовании в моделировании обеспечивают превосходную корреляцию между измеренным и расчетным упругим возвратом.

Многие операции обработки металлов давлением требуют слишком большой деформации заготовки, чтобы ее можно было выполнить за один этап. Многоэтапные или последовательные операции штамповки используются для постепенного придания заготовке желаемой формы посредством серии операций штамповки. Программные платформы для моделирования поэтапной формовки решают эти операции с помощью серии одноэтапных операций штамповки, которые поэтапно моделируют процесс формования.

Другая общая цель при проектировании операций обработки металлов давлением — спроектировать форму исходной заготовки так, чтобы окончательная формованная деталь требовала небольшого количества операций резания или вообще не требовала их, чтобы соответствовать геометрии конструкции. Форму заготовки также можно оптимизировать с помощью моделирования методом конечных элементов. Один подход основан на итерационной процедуре, которая начинается с приблизительной исходной геометрии, моделирует процесс формования, а затем проверяет отклонение полученной сформированной геометрии от идеальной геометрии изделия. Узловые точки корректируются в соответствии с файлом смещения, чтобы исправить геометрию кромки заготовки. Этот процесс продолжается до тех пор, пока форма торцевой заготовки не будет соответствовать проектной геометрии детали.

Моделирование обработки металлов давлением дает особые преимущества в случае высокопрочных сталей и современных высокопрочных сталей, которые используются в современных автомобилях для снижения веса при сохранении безопасности транспортного средства при столкновении. Эти материалы имеют более высокую текучесть и прочность на разрыв, чем обычная сталь, поэтому матрица подвергается большей деформации в процессе формования, что, в свою очередь, увеличивает сложность проектирования матрицы. Моделирование листового металла, учитывающее деформацию не только заготовки, но и матрицы, можно использовать для разработки инструментов для успешной формовки этих материалов.

Промышленное применение

Инженеры Tata Motors использовали моделирование обработки металлов давлением для разработки инструментов и параметров процесса для создания новой конструкции масляного насоса. Первые прототипы, которые были изготовлены закрытыми, соответствовали прогнозам моделирования.

Компания Nissan Motor использовала моделирование обработки металлов давлением, чтобы решить проблему разрывов при штамповке металла. Была создана простая имитационная модель для определения влияния радиуса кромки заготовки на высоту, на которой материал может быть сформирован без разрыва. На основе этой информации был разработан новый штамп, который решил проблему.

В отрасли доступно множество программ обработки листового металла, таких как SolidWorks и LITIO. Для высокопрочных алюминиевых конструкций марок 2x, 6x и 7x используются новые алгоритмы моделирования. были разработаны с помощью технологической платформы Hot Form Quench (HFQ) и поддерживаются обширной библиотекой карточек материалов сплавов; затем применяется для производства легких кузовов белого цвета, корпусов аккумуляторов электромобилей и аэрокосмических конструкций.

В настоящее время программное обеспечение FEA, такое как LS DYNA, AUTOFORM, HYPERFORM, PAMSTAMP, очень хорошо подходит для виртуального моделирования процессов перед производством продукции. Такие дефекты, как морщины, истончения и трещины, можно увидеть на этапе проектирования, непосредственно перед разработкой процесса, что приводит к правильному выбору процесса и сокращению времени выполнения заказа, а также к экономии ценных денег, которые в противном случае были бы вложены в беспокойные производственные итерации.