Odborně-vzdělávací a zpravodajský portál z oblasti strojírenství a navazujících oborů
Články >> Simulace tažení plechů při návrhu lisovacích nástrojů
Chcete dostávat MM Průmyslové spektrum ZDARMA až do Vaší schránky? Více informací zde.
Nomenklatura: CAD/CAM/CAE/CIM

Simulace tažení plechů při návrhu lisovacích nástrojů

Česká dceřiná společnost firmy Siwe se zabývá konstrukcí a výrobou lisovacího nářadí. Následující dvoustrana popisuje její zkušenosti se zavedením simulace tažení pomocí softwaru PamStamp 2nd Generation

Firma Siwe patří mezi nejlepší evropské dodavatele lisovacích nástrojů pro plošné tváření plechu. Nosným oborem jsou karosářské vnitřní díly, zejména vysokopevnostní výztuhy, tvářené za tepla nebo za studena ze speciálních ocelí. Jako příklad lze uvést nárazníky, boční výztuhy dveří, sloupky karoserií, střešní rámy atd. Vysoké pevnosti těchto dílů se dosahuje nejen samotným materiálem, ale i důmyslným tvarem výlisku na hranici vyrobitelnosti. Zjednodušeně řečeno - čím obtížnější tváření, tím pevnější výlisek při zachování minimální hmotnosti. Často se objevují ostrá zaoblení o poloměru jedno- až dvojnásobku tloušťky plechu a různé vyztužovací prolisy, které vůbec nerespektují základní tvar výtažku.

Rizika při konstrukci a výrobě lisovacího nářadí

Konstrukcí a výrobou lisovacího nářadí se zabýváme také v české pobočce firmy Siwe. Několikrát jsme byli nuceni přijmout velmi obtížnou zakázku, i když "každému bylo jasné", jak to dopadne. Jindy nás zaskočil tvar, který vypadal na první pohled docela nevinně. Řešení těchto případů nás vždy stálo příliš mnoho času a sil. Pouze některé tvary se opakují i v dalších generacích vozidel, což nám často znemožnilo takto získané zkušenosti zúročit příště. Přitom stanovení pevné ceny již v okamžiku uzavření kontraktu a vysoké penále za nedodržení termínu dodávky přinášejí do naší práce riziko velkých ztrát. Jediným řešením těchto problémů je rychlá a kvalitní simulace tahu, protože ji uznávají naši zákazníci jako pádný argument pro změnu ceny již ve fázi poptávky. Pro zvýšení kvality a jistoty v našich nabídkách jsme postrádali nástroje pro tyto činnosti:
  • kontrolu lisovatelnosti a základní stanovení počtu operací;
  • rozvíjení výlisků do roviny (stanovení přístřihu);
  • rychlé modelování a úpravu pomocných ploch v okolí výlisku;
  • přesnou simulaci tažení pro stanovení technologických sil a detailní ověření metody lisování.
  • Testování numerické simulace

    Nejprve jsme dostávali výsledky simulace od externí firmy (AutoForm). Praktické použití těchto dat ale bylo sporné - neznali jsme všechny podmínky výpočtu a naše interpretace také nebyla vždy správná. Zcela nám chybělo kvalitativní posouzení zvlnění výlisku během tažení. Danou nepřesnost způsobuje použití membránové teorie tažení za účelem zjednodušení výpočtu. Řešič pak uvažuje pouze tahovou složku napjatosti. Je zřejmé, že membránová teorie nepopisuje tažení pro malé poloměry dostatečně přesně. Podobně skončily i pokusy o spolupráci s naší mateřskou firmou, která simulaci tahu (PamStamp) má, ale její počítač je přetížen vlastními výpočty - výsledky byly zajímavé, ale dostávali jsme je se zpožděním.
    Uvedené skutečnosti nás přivedly k rozhodnutí zakoupit vlastní nástroj pro simulace tažení. Měli jsme určité zkušenosti s nabízenými produkty a dobré reference o produktu PamStamp. Nechali jsme si proto předvést od společnosti MECASESI podrobnou technickou prezentaci všech funkcí nové verze PamStamp druhé generace, označované ve zkratce PS2G.

    Software PamStamp

    PS2G má modulární strukturu. Podle potřeb zákazníka lze sestavit optimální konfiguraci za odpovídající cenu. Modul QuikStamp-Inverse Solver řeší naše první dva požadavky. Rychle ukáže nejkritičtější místa z hlediska zeslabení a zvlnění výlisku. Dále poskytuje dostatečně přesný odhad velikosti a tvaru nástřihu.
    Efektivní návrh technologických ploch kolem výlisku nabízí modul DieMaker. Přechodové plochy lze parametrizovat. Spolu s modulem QuikStamp-Direct můžeme včas dostat potřebné množství variant k základní optimalizaci nářadí i nástřihu. Takto připravený model je nutno doladit přesnou simulací. Naším cílem je předat do výroby konstrukci nástroje a geometrii polotovaru v provozuschopném stavu, což se nám nyní díky vlastní simulaci tažení také daří.
    Samostatnou kapitolou je zvlnění výlisku a odpružení. PS2G poskytuje reálný pohled dovnitř nástroje na průběh tváření. Tak můžeme nalézt a odstranit příčiny vzniku zbytečných vln během lisování a nadměrného odpružení po ostřižení výlisku. Při velikosti prvku sítě MKP blízké tloušťce plechu odpovídají tvary vln skutečnosti.
    Při školení jsme byli seznámeni s principem řešiče PS2G-AutoStamp, který pracuje se skořepinovým modelem, a tudíž počítá s tahovou, ohybovou i krutovou složkou napjatosti a s numerickou metodou řešení soustavy pohybových rovnic simulované deformace plechu, popsaného uzly a elementy konečnoprvkové sítě. Získání přesných výsledků proto potřebuje delší výpočtový čas. Z tohoto důvodu jsme testovali řešič PS2G-AutoStamp na výkonnější stanici HP J6000 se dvěma procesory. Tato stanice snížila výpočetní čas a poskytovala výsledky z přesného řešiče PS2G-AutoStampu na rozměrově největších a tvarově složitějších dílech maximálně do dvou hodin. S těmito výpočetními časy jsme byli spokojeni.
    Ve zkušební době jsme řešili poměrně složitý díl, tvářený postupně ve třech operacích. Výsledky výpočtů ukazovaly, že proces lisování velmi závisí na přesných rozměrech polotovaru a nastavení přidržovacích sil. S ohledem na výrobní termíny jsme byli nuceni stanovit krok nástroje pro stříhání polotovarů pouze na základě výpočtů, přestože výroba tažných nástrojů ještě nezačala. Jak se později ukázalo, krok byl stanoven správně a zkušební výroba si vynutila pouze lokální změny polotovaru v nejkritičtějších místech o velikosti několika milimetrů.
    Protože PS2G splnil všechny naše požadavky, bylo rozhodnuto využít výhodnou nabídku na čtyřletý pronájem.

    Práce s PamStamp 2nd Generation

    Po celou dobu testování včetně instalace na nás působil PS2G velmi přátelským dojmem. PS2G je připraven pro všechny používané operační systémy Unix na platformě HP, SGI, IBM, SUN a pro PC platformy Windows NT, 2000 a XP. Na platformě Windows pracuje PS2G v nativním prostředí, tudíž nepotřebuje žádný emulátor grafického prostředí Unixu.
    Uživatelské prostředí je příjemné, snadno a intuitivně se ovládá pomocí funkčních tlačítek - toolbars - a expertních toolbars (Project, Visibiliti, Data Setup a Analysis), která progresivně vedou uživatele při nastavování úlohy nebo při vyhodnocování výsledků. Toto prostředí, díky objektové konstrukci celého programu PS2G, lze zákaznicky modifikovat v úrovni správce s vyššími právy. Základním objektem je projekt, který je typu CAD-Mesh, QuikStamp nebo AutoStamp. Jednotlivé objekty se mezi projekty CAD a QuikStamp přenášejí automaticky nebo pomocí funkce Save As mezi CAD/QuikStamp a AutoStamp.
    Řešený díl ve formátech IGS, VDA a CatiaModel se otevře v pracovním okně režimu CAD po kliknutí na tlačítko Apply. Takto otevřený model obsahuje plochy a konečnoprvkovou síť. Následně se lze jedním kliknutím pravého tlačítka myši přepnout do režimu QuikStamp a počítat odhad lisovatelnosti z geometrie dílu řešičem Inverse, nebo zůstat v režimu CAD a začít konstruovat technologické plochy (přidržovací plochy, tažný rádius, tažné stěny, zalepené díry aj.). Po jejich vytvoření funkcemi DieMakeru se konstruktér může přepnout do režimu QuikStamp a řešit odhad lisovatelnosti výlisku řešičem Direct a provádět iterační kroky změn geometrie technologických ploch a nástřihu. Řešič QuikStamp Direct pracuje jen s tažnicí a nástřihem. Takto optimalizovanou geometrii tažnice a nástřihu včetně materiálového modelu lze prostřednictvím funkce Save As uložit do projektu typu AutoStamp.
    Řešič AutoStamp pracuje s kompletním modelem nářadí. Pomocí makra se velmi jednoduše vytvoří model geometrie nástroje (tažníky, přidržovače, tažnice atd.). Pak už stačí vybrat příslušné makro pro definování procesu, zadat nutné parametry (materiál, tření, síly, popř. zdvihy) a spustit řešič AutoStamp.

    Přehledný a názorný preprocessing a postprocessing

    Další velkou výhodou je zmíněný systém maker pro nastavení úlohy simulace procesů. Vedle dodávaných základních maker pro konvenční procesy s operacemi od gravitace, zavírání, tažení, ostřižení až po springback lze vytvářet vlastní makra - scénáře speciálních procesů s libovolnou kombinací operací (tah, ostřih, ohyb, odpružení aj.). Tato možnost je výhodná pro definování víceoperačního procesu pro sériovou výrobu, respektive pro postupový nástroj. Návrhář maker disponuje všemi funkcemi (od svařeného nástřihu, sendvičového nástřihu, kolíků, plynových a ocelových pružin přes vytvoření vlastního souřadného systému až po definování stupňů volnosti v uzlu), které konstruktér nářadí pro technologii plošného tváření používá a potřebuje.
    Pro konstruktéra a technologa je důležitá názorná a přehledná interpretace výsledků. PS2G nabízí expertní toolbar Analysis (postprocessing) vybavený funkcemi, s jejichž pomocí se dá rychle a jednoduše popsat fyzikální stav výlisku z hlediska ztenčení, resp. zhutnění plechu, napjatosti a deformace na horní a dolní ploše nebo vztažené na střednici výlisku. Pomocí Toolbar Analysis se vyhodnocují výsledky ze všech řešičů - QuikStamp Direct, Inverse, AutoStamp - v jednom uživatelském prostředí.
    PS2G Analysis je vybaven důležitými funkcemi pro vyhodnocování výlisku v diagramu mezních přetvoření FLD (Forming Limit Diagram). Velmi příjemná je funkce Strain/Zones by Duality, rychle vypovídající o typech a velikosti deformací na výlisku. Toto hodnocení je poněkud neobvyklé, ale dává jeden globální parametr pro celkové hodnocení výlisku z hlediska mezních deformací: určuje nejkritičtější místa - trhliny a zvlnění.

    §§§

    Hlavním přínosem PS2G při vývoji a konstrukci nářadí v oblasti plošného tváření je vysoká přesnost výpočtového modelu. Díky možnosti modelovat široké spektrum okrajových podmínek a dalších provozních parametrů dostáváme věrohodné výsledky, které se v podstatě shodují se skutečností.
    PS2G vytváří projekty s příponou .pre, což ve zkratce označuje preprocessing (příprava úlohy pro numerickou simulaci metodou konečných prvků). Prý to ale také znamená, jak s úsměvem říkají inženýři z ESI-group, "Precise-Rapid-Easy" (přesný-rychlý-jednoduchý). S tímto přirovnáním nelze nesouhlasit.
    Ing. Petr Hanák

    Další články

    CAD/CAM/CAE/CIM

    Komentáře

    Nebyly nalezeny žádné příspěvky

    Sledujte nás na sociálních sítích: