Experimentální měření křivky mezních deformací

Jedním z příkladů zástupce nových trendů je optický měřicí systém Aramis od firmy GOM, který je určen pro bezkontaktní měření reálných 3D deformací. Aramis představuje unikátní řešení, jehož pomocí lze získat data o kompletním 3D povrchu, objemu a deformacích tam, kde by jinak bylo třeba použít velké množství tradičních měřicích přístrojů (tenzometrů, LVDT, extenzometrů apod.). Stejné nastavení systému je používáno pro více aplikací a lze je snadno integrovat do stávajících testovacích prostředí.

Využívá stále se zdokonalující záznamovou techniku v podobě dvou CMOS (nebo CCD) kamer. Princip zjišťování, ať už posunutí nebo deformace, spočívá v nanesení kontrastního vzoru na povrch zkoumaného objektu. Speciální software si pak zkoumanou oblast rozdělí do menších podoblastí, na kterých vypočítá přesný poměr bílých a černých pixelů, tzv. stupeň šedi. Vzhledem k faktu, že kontrastní vzorek je nanesen ručně, jedná se o náhodnou veličinu a určení podoblasti je tedy pevně definováno. Systém pracuje díky dvěma kamerám ve 3D a po zaznamenání referenčního stavu hledá v následném (zatíženém) stavu stejné podoblasti, jejichž poloha je zjištěna pomocí stupně šedi. Takovýmto způsobem je systém schopen pracovat do doby, než je nasnímanými daty zaplněno hardwarové rozhraní obsluhujícího počítače, a to i při vysokých frekvencích snímání.

Systém Aramis lze využít v procesu měření materiálových charakteristik či křivek mezních deformací. Křivka mezních deformací (FLC) je hraniční křivka diagramu mezních deformací (FLD). Diagram mezních deformací obsahuje informaci o hlavních a vedlejších napětích šetřených míst výlisku. Křivku mezních deformací je možné využít v následujících případech:

• pro posouzení tvářitelnosti materiálu na základě měření deformací na výlisku (například optickou metodou);
• pro posouzení tvářitelnosti materiálu na základě výsledků numerické simulace (AutoForm, Pam-Stamp).

V obou případech je možné z FLD zjistit tvářitelnost materiálu. V případě, že se v některém místě výlisku stav deformace přibližuje anebo převyšuje FLC, je potřebné proces tváření navrhnout jiným způsobem. Zlepšení stavu lze dosáhnout například zlepšením třecích poměrů, zvětšením tažné mezery, změnou materiálu, změnou přidržovacích podmínek či změnou designu výlisku.

Existuje několik způsobů, jak určit FLC křivku. Podobně jako při určování jiných materiálových charakteristik, i v případě FLC je možné křivku určit buď experimentálně, použít zjednodušený model, anebo tuto křivku získat za použití metod numerické simulace. Každá z těchto metod má samozřejmě své výhody a nevýhody. Jejich srovnání je uvedeno v tabulce.

Za experimentální metody lze považovat například vykonání Nakajima testu [ISO 12004-2] anebo Marciniakova testu. Mezi matematické modely řadíme například Hill-Swift (Rees 1994), Sing-Rao (Sing 1995), NADDRG (Levy 1996), Raghavan model (Raghavan 1994). V případě numerické simulace je možné kombinovat různé matematické i experimentální modely za použití nejrůznějších materiálových modelů.

V případě tohoto pokusu byla experimentálně měřena FLC křivka provedením Nakajima testu. Všechny mechanické zkoušky byly vykonány na zařízení Erichsen 145-60 ve spolupráci s Technickou univerzitou v Košicích. Toto zařízení je určeno pro testování všech druhů plechů. Zařízení disponuje elektrohydraulickým řízením, elektronickou regulací přidržovací síly i rychlostí tažníku a maximální tažnou silou 600 kN. Velmi důležitou součástí Nakajima testů je kontrola třecích poměrů. V případě nedostatečného zabezpečení třecích podmínek nastane trhlina mimo požadované oblasti, a proto je v takovém případě test považován za neplatný. Tento jev se projevuje se zvětšováním zbývající šířky materiálu přístřihu. Z toho důvodu byl v případě zkoušky dvouosé deformace – pro získání bodu na pravé straně diagramu – použit i test hydraulickým vybulováním plechu (Bulge Test). V tomto případě plech není tvářen kovovým půlkulovým tažníkem, ale sloupcem oleje, přičemž nevzniká žádné tření. V tomto případě se trhlina materiálu objevovala v místě, které je v souladu s tolerancí podle normy. Tento test byl vyhodnocován systémem Argus, jelikož z konstrukčních důvodů nebylo možné provést vyhodnocování průběhu testu v reálném čase.

Měření bylo provedeno na vzorcích plechu HX180BD+Z100 tloušťky 0,6 mm. Tento plech je používán v automobilovém průmyslu a má následující mechanické vlastnosti: mez kluzu 200 MPa, mez pevnosti 310 MPa a tažnost 34 %. Na vzorky vyrobené v souladu s normou byl nanesen náhodný vzor černé a bílé barvy. Následoval proces nanesení mazadla a PE fólie. Vzorek byl poté vložen do zařízení a byla nastavena přidržovací síla o velikosti 100–150 kN. Rychlost posuvu tažníku byla nastavená na hodnotu 1 mm.s^-1. Deformace byly měřeny metodou řezů podle normy s použitím systému Aramis. Aramis tento povrch nasnímal dvěma synchronizovanými kamerami a na základě DIC metody vypočítal souřadnice bodů v prostoru. Během měření byla na zařízení Aramis nastavena frekvence 4 snímky za sekundu. Následoval proces vykonání a vyhodnocení zkoušek pro všech sedmi oblastí FLD. Výsledek tohoto měření ukazuje obrázek. Z každého přístřihu bylo vykonáno několik testů a v následném statistickém vyhodnocení byly použity jen platné vzorky, tj. vzorky, kde nastala trhlina v 15% vzdálenosti od vrcholu výtažku. Finální diagram mezních deformací je uveden na obrázku.

Během zmíněného experimentálního způsobu měření křivky mezních deformací byly použity nejmodernější technologie měření a testování, ať už jde o profesionální měřicí zařízení Aramis a Argus nebo o víceúčelové testovací zařízení Erichsen 145-60. Výsledkem použití těchto zařízení je získání experimentální FLC křivky v krátkém čase. Parametry nastavení a opakovatelnost měření zabezpečují získání těch nejpřesnějších výsledků měření. Získaná křivka mezních deformací napomůže v praxi odhalit nejen současná, ale i budoucí kritická místa výlisku, kde hrozí nebezpečí, že by mohlo dojít k trhlině v materiálu vlivem dosažení kritické velikosti hlavních a vedlejších deformací, a tím i k dosažení nepřípustného ztenčení materiálu.

Nové metody zkoumání materiálových vlastností přinášejí nejen úsporu času a mnohdy i financí, ale hlavně otevírají nové možnosti přístupu k řešení problému. Systém Aramis (ať už samotný nebo v kombinaci se systémem Argus) představuje účinný nástroj pro získání informací, které zpravidla nebyly dosažitelné konvenčními metodami. Oba systémy dodává na český i slovenský trh společnost MCAE Systems.

Miroslav Jurčišin

MCAE Systems, umístění na MSV: pavilon A1, stánky 23, 24

helena.matalova@mcae.cz

www.mcae.cz