Témata
Reklama

Vývoj v simulaci procesů tváření plechu metodou FEM

Pro různá zadání jsou představována nová řešení simulace procesů tváření plechů na základě simulačních výpočtů, orientovaných na praxi. Možná přesnost výsledků simulací je zde přitom v přímé korelaci s popisem a respektováním veškerých vlivových veličin, participujících na příslušném postupu tváření, pokud možno co nejbližším skutečnosti. Zvláště popis a vzetí v úvahu veličin, ovlivňujících proces, jako např. chování materiálu, tření a systém nástroj-stroj v simulačním modelu mají pravděpodobně největší rozvojový potenciál využití FEM v technice tváření.

Tento příspěvek by měl poskytnout přehled o možnostech použití inovativních simulačních nástrojů a technik v tváření plechů a ukázat tendence budoucího vývoje při použití metody konečných prvků FEM.
Reklama
Reklama
Reklama

Výpočet zpětného odpružení hlubokotažných součástí

Odpružení hlubokotažných součástí představuje v průmyslové praxi velký problém. Vzhledem k rostoucí automatizaci výrobních procesů, kde manipulační systémy a roboty navzájem propojují lisy, hraje předpoklad odpružení důležitou roli. I dodržování rozměrových a tvarových tolerancí je ztíženo výskytem pružné deformace součástí. Odpružení je však jen velmi těžko předvídatelné, takže numerická simulace odpružení blízká realitě je velmi zajímavá. Simulace odpružení se provádí zpravidla v návaznosti na simulaci tváření jako dodatkový výpočet.
Pro znovuvytvoření statické rovnováhy plechové součásti po tváření je nutno výsledky simulace, jež se vypočítávají dynamicky explicitním solverem přenést do staticky implicitního programu. Zavedením rovnováhy sil se jednotlivé pružnostní podíly součásti odpruží.

Ohřev plechů při hlubokém tažení

Další, dosud nezohledněný vliv na odpružení a finální vlastnosti součástí představuje ohřev plechů při hlubokém tažení plastickým zpracováním a procesy tření. Teplota součásti se zvyšuje až o 30 °C, což se odráží v tepelné dilataci materiálu v posuvech. Oproti izotermické simulaci odpružení se započtením tepelné dilatace dráhy odpružení S-rail předpokládají ve značně vyšší míře.

Poddajnost nástrojů

Hluboké tažení s poddajným přidržovačem je inovativní nástrojovou koncepcí, s jejíž pomocí lze dosáhnout rovnoměrnějšího rozdělení tlaku pod přidržovačem. To umožňuje kompenzaci zesílení plechů v oblasti kontaktu s nástrojem pružnou deformací přidržovače. Přitom je přidržovač proveden jako tenká kovová deska, jež se může tvarově přizpůsobit podle svého zatížení. Spojení kovové desky s lisem má podobu seřiditelných sloupků. Tvarové přizpůsobení přidržovače pod zatížením je přitom určující pro rozdělení přítlaku na plochy, otěr a následně pro tok materiálu. Tloušťka plechu přidržovače a uspořádání a seřízení spojovacích prvků musí být přitom zjištěny metodou FEM.
Pro realistické znázornění tvářecího procesu simulací FEM je třeba přidržovač pružně modelovat. Je však zapotřebí brát v úvahu velké množství numerických dat.

Výpočet optimálních parametrů při simulaci hlubokotažných procesů

Výchozími parametry, branými v současnosti v úvahu při simulaci tváření plechů pomocí metody FEM, jsou geometrie nástrojů, materiál, geometrie ploštin, tření mezi obrobkem a nástrojem a parametry procesu, jako jsou dráha tváření a přídržná síla.
Dále se simulace tváření v praxi nepoužívá pro automatizovanou optimalizaci parametrů procesu. Obvyklým postupem je v současnosti iterativní postup, tzn. že jednotlivé parametry se tak dlouho ručně přizpůsobují, až proces vypadá jako realizovatelný. Přitom je pro každou iterační smyčku nutný úplný výpočet metodou FEM, čímž prakticky představuje virtuální experiment. Potenciál simulace, jenž by byl přizpůsobován vhodnými algoritmy při simulaci tváření - čímž by bylo dosaženo optimalizovaných průběhů parametrů procesu -, není využíván.
Využití těchto algoritmů by ušetřilo iterační kroky a tím i mnoho času, ale také by se tímto způsobem dalo dosáhnout optimálních parametrů procesu, jež nelze zjistit konvenčním způsobem nebo s konstantním tlakem přidržovače.
Konvenční způsob zjišťování přídržné síly je následující. Přídržná síla se odhadne na základě hodnot známých ze zkušenosti nebo na základě analytických zásad a vyzkouší se při pokusném lisování. Pomocí regulátoru by se měl identifikovat průběh přídržných sil, nacházející se bezprostředně na dolní hranici zvrásnění 1. typu. Tzn. že přídržná síla by v průběhu simulace měla být tak ovlivněna, aby se při tváření zabránilo zvrásnění. Pro tuto strategii je nutné, aby zvrásnění bylo při simulaci rozpoznáno, resp. bylo možno je předpovídat.
K zjištění konstantní přídržné síly při hlubokém tažení existují různé, na elementárních zásadách spočívající možnosti výpočtu. Podle simulace se zjednodušením pravoúhlé geometrie vychází nekonstantní průběh přídržné síly s hodnotou pro zabránění zvrásnění 1. typu v hodnotě 29,1 kN.
Pro tento proces je pozoruhodné to, že přídržné síly vypočtené dle elementárních zásad Dutschkeho, Sommera a Stocka jsou vesměs podstatně vyšší. Praktické zkušenosti vlastně ukazují, že tyto hodnoty jsou spíše příliš nízké. Ve zde uváděném případě lze toto připsat široké zbývající přírubě na konci tváření. Základní zásady výpočtu vycházejí z optimalizované výchozí ploštiny, u které by měla být příruba při procesu hlubokého tažení pokud možno co nejvíce zatažena. Podle toho vůbec nevychází skutečná hloubka tažení jako proměnná do vzorců pro výpočet. V citovaném případě však příruba představuje funkční plochu součásti. Vycházíme-li z větší hloubky tažení a vypočtený průběh přídržné síly příslušně extrapolujeme, dojdeme vesměs k vysokým výpočtovým konstantním přídržným silám.
Pro prozkoumání vlivu minimálně nutné přídržné síly oproti konstantní přídržné síle na výsledek tváření byla simulace hlubokého tahu provedena i s konstantní přídržnou silou 62,3 kN. Zdůrazněn byl kritický kout součásti vzhledem k nejmenšímu průměru v rohu. Při konstantní přídržné síle 62,3 kN klesá tloušťka plechu v tomto rozsahu z 0,8 mm na méně než 0,7 mm, zatímco tloušťka plechu při minimálně nutné přídržné síle se snižuje na cca 0,75 mm. Optimalizací přídržné síly je tak o zhruba 50 % menší. Je nápadné, že u obou součástí se minimální tloušťka plechu vyskytuje ke konci procesu. Tento úbytek tloušťky není ovlivňován přídržnou silou. Podle toho by pro tuto součást nebylo možné použít pro výpočet průběhu přídržné síly kritérium založené na chování tloušťky plechu.
Při výchozí tloušťce plechu 1,0 mm je při konstantní přídržné síle minimální tloušťka 0,91 mm v oblasti vystavené riziku trhlin na výstupu ze zaoblení vysekávaných hran. Při použití minimálně potřebné přídržné síly je úbytek plechu pouze 0,96 mm. Pomocí simulace vypočtený průběh přídržné síly lze úbytek tloušťky plechu v oblasti vystavené riziku trhlin podstatnou měrou snížit.

Tváření vnitřním přetlakem

Při tváření vnitřním přetlakem (Internale Hochdruck-Umformung - IHU) je výchozí trubka umístěna mezi vrchní a spodní tvářecí nástroj, které se uzavřou a tváření probíhá současným účinkem axiální síly a vnitřního přetlaku, zpravidla vodní emulze, přivedené jedním z razníků. Obvyklé tlaky se pohybují v oblasti několika Mbar. Tlakem se trubka radiálně rozšiřuje. Pro zabránění zeslabení se trubka v nástroji axiálně pohybuje. Tímto postupem lze připravit komponenty, které byly dříve nevyrobitelné nebo se vyráběly svařováním.
Proces značně závisí na úrovni řízení tvářecího stroje, protože je velmi citlivý na axiální síly, příp. průběh vnitřního přetlaku. Je-li axiální síla příliš velká při současně nízkém vnitřním přetlaku, dochází k zvrásnění a zaškrcení trubky. V opačném případě dochází k jejímu protržení.
Na obrázku nazvaném Omezení procesu tváření vnitřním přetlakem je problém ilustrován a je vyznačen optimální průběh zatěžování. Obtíže spočívají v nalezení kombinace parametrů, která umožňuje bezchybné provedení procesu. Většinou mají nelineární průběh, vyžadující velké náklady na experimenty. Pro jejich snížení se často používá FEM simulace.
U geometrií se vznikem nežádoucích zvrásnění je nutno tomuto stavu zabránit volbou vhodných algoritmů. Prvním kritériem je rozdílná deformace pro rozdílné tloušťky plechu při ohýbání stěny trubky. Jako druhé kritérium se volí lokální normálová rychlost. Vlivem nestabilního charakteru tvorby zvrásnění silně vzrůstá lokální normálová rychlost. Přípustné přetváření se naproti tomu vyznačuje výrazně pomalejší normálovou rychlostí. Pro díly s komplexní geometrií se proto volí tzv. fuzzy řízení známé pod anglickým termínem fuzzy fication. Toto zpracování se užívá pro všechny elementy trubky. Jako výsledek simulace získáváme simulační výpočet průběhu zatěžování optimalizovaného procesu tváření vnitřním přetlakem.

Shrnutí

Pro různá zadání jsou představována nová řešení simulace procesů tváření plechů na základě simulačních výpočtů, orientovaných na praxi. Možná přesnost výsledků simulací je zde přitom v přímé korelaci s popisem a respektováním veškerých vlivových veličin, které participují na příslušném postupu tváření, pokud možno co nejbližším skutečnosti.
Zvláště popis a vzetí v úvahu veličin ovlivňujících proces, jako např. chování materiálu, tření a systém nástroj-stroj v simulačním modelu, mají pravděpodobně největší rozvojový potenciál využití FEM v technice tváření.
Reklama
Vydání #3
Kód článku: 20308
Datum: 13. 03. 2002
Rubrika: Inovace / Tváření
Autor:
Firmy
Související články
Laserová i optická řešení a mnohem více

Pravidelné podzimní dny otevřených dveří uspořádala pro své současné i potenciální zákazníky koncem září společnost Lascam systems. Po tři dny mohli zájemci o laserové technologie navštěvovat showroom dceřiné společnosti Elya Solutions v Horních Počernicích, kde bylo v provozu více než sedm různých aplikací dceřiných i zastupujících společností. Jednotlivá stanoviště prezentovala široké portfolio aplikací a služeb, jež integrátorská společnost Lascam nabízí.

Kapalina jako tvářecí medium

V dnešní době je stále více kladen důraz na sofistikovanost i ekonomickou efektivnost výrobních procesů. Současně je žádána výroba stále složitějších tvarů, vyplývajících především z designových návrhů lisovaných součástí, které dříve nebyly řešitelné jako např. výroba negativních tvarů, složitě prostorově i tvarově orientovaných trubkových dílců apod. V tomto případě lze s výhodou, namísto pevných konvenčních nástrojů, využít výrobní metody zaměřené na nepevné nástroje, jako je např. kapalina.

Jsou smíšené konstrukce dočasně za svým zenitem?

Nikdo nenamítá proti oprávněné potřebě lehkých konstrukcí v dopravě, aeronautice, obalové technice a u pohyblivých částí strojů, systémů a zařízení. Avšak jsou smíšené konstrukce s plasty vyztuženými vlákny v současnosti opravdu za svým zenitem?

Související články
Moderní způsoby ochrany vysokopevných ocelí

V posledních letech je v automobilovém průmyslu kladen stále větší důraz na snižování hmotnosti vozu, potažmo spotřeby a z ní plynoucích emisí, za současného zvýšení bezpečnosti posádky. Jednou z možností, jak splnit tyto požadavky, je nahrazení starých materiálů používaných pro výrobu určitých komponentů za nové, pevnější. Díl z pevnějšího materiálu může být tenčí a potažmo i lehčí oproti dílu původnímu, ale současně je schopen vydržet stejné, nebo i větší namáhání.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Aditivní výroba ve tváření plechů

Trojrozměrný (3D) tisk, označovaný také jako aditivní výroba (additive manufacturing - AM), zaznamenal v poslední době značný rozvoj. Touto technologií je umožněna výroba i velmi tvarově komplikovaných trojrozměrných produktů. Objekty nebo výrobky jsou vytvářeny z podkladu digitálních 3D modelů nebo jiných elektronických datových zdrojů. Aplikační možnosti 3D tisku se s ohledem na progresivní vývoj této technologie jeví jako neomezené.

Lehké konstrukce automobilů - hybridní materiály

Automobilový průmysl je specifické odvětví, které je významně poháněno společenskými tlaky na ekologický provoz vozidel, tedy na snižování emisní zátěže i obecné spotřeby pohonných hmot a kontinuální vývoj elektromobility. Tyto trendy se dotýkají jak konstrukce vozu, tak i technologické zpracovatelnosti jednotlivých komponentů. Jenom v horizontu 10 let se předpokládá redukce dílů z oceli o 20 % a jejich nahrazení speciálními materiály na bázi kompozitu.

Plzeňské setkání strojařů

Katedra technologie obrábění Fakulty strojní Západočeské univerzity v Plzni letos uspořádala již devátý ročník mezinárodní konference Strojírenská technologie Plzeň. V porovnání s minulým ročníkem zaznamenala podstatně větší návštěvnost – čítala téměř dvě stě účastníků a uskutečnilo se bezmála šedesát prezentací. Náš časopis na konferenci figuroval jako mediální partner akce.

Téma: technologie pro výrobu forem

Díly, součásti či výrobky, které spatřily světlo světa díky tomu, že byly vylisovány, odlity či vykovány ve formě, jsou doslova všude kolem nás. Forma je zařízení často velmi složité a komplexní a k její výrobě je potřeba řada špičkových technologií. Následující článek představuje některé z nich.

Od konstrukce strojů po parkovací věže

Mezi starší generací strojařů pravděpodobně není nikoho, kdo by neznal původem škodováka Josefa Bernarda z Jičína. Tento strojírenský nadšenec příští rok oslaví své sedmdesátiny. Před třiceti lety po odchodu z místního Agrostroje položil základy společnosti Vapos, která dává perspektivní práci patnácti desítkám lidí z Jičína a blízkého okolí.

Cena MM Award na EMO 2019

Také v roce 2019 došlo na udílení cen MM Award. Jedná se o oficiální a jediné ceny udělované na veletrhu EMO. Porota i letos vybírala z mnoha přihlášených exponátů, nejen německých výrobců. Do užšího výběru se jich dostalo jen pár, a nakonec bylo rozdáno pět hlavních cen v pěti kategoriích. S prázdnou neodešly ani firmy, jejichž produkty se ocitly na druhém a třetím místě. I v tomto roce došlo k jistému „posunu“ ve vnímání obsahu jednotlivých kategorií, a tedy i oceněných produktů. Pojďme se podívat na vítězné exponáty podívat jednotlivě. Je to lehký nástin toho, jak EMO vidí němečtí kolegové.

Prostor pro laserovou automatizace je stále obrovský

Česká společnost Lascam systems se zabývá zejména dodávkami laserových zařízení pro obrábění kovů a plastů. Byla včas u rozvoje moderních laserových technologií a dnes pomáhá firmám s integrací laserových aplikací do výrobních procesů. Podle slov obchodního ředitele společnosti Karola Flimela se považují spíše za dodavatele řešení než distributora jednotlivých zařízení a za největší výzvu považují složité inovativní projekty, které přinášejí nový způsob výroby.

Made in Česko - Romantické tóny z Hradce Králové

V roce 1948 byla doslova ze dne na den znárodněna česká firma Petrof vyrábějící dokonalé, světově proslulé klavíry. Její majitel, dědeček dvou dam a pradědeček třetí, tedy těch, které v současné době firmu úspěšně vedou, musel tehdy okamžitě svoji továrnu opustit. O dlouhou řadu let později se, nejen díky revoluci, ale i díky nezměrnému úsilí jeho samého i jeho potomků, podařilo firmu, která figuruje na předním místě mezi českým „rodinným stříbrem“, vrátit do rukou rodiny Petrofů.

Pod dvou letech opět na EMO do Hannoveru

Od 16. do 21. září 2019 se uskuteční 22. ročník největšího světového veletrhu zpracování kovů EMO. Megaakce se koná opět v Německu, které je po Číně a USA třetím největším trhem obráběcích strojů na světě. Veletrhu se účastní téměř 2 100 vystavovatelů ze 47 zemí světa. Z České republiky se očekává účast 28 firem na ploše necelých 1 700 m2. Na minulý veletrh v roce 2017 přijelo do Hannoveru z České republiky přes 2 200 odborníků.

Lasery a optika v průmyslu

Měsíc květen se nesl ve znamení zákaznických setkání, dnů otevřených dveří, seminářů a konferencí. Také společnost Lascam v tomto jarním měsíci uspořádala dvoudenní konferenci. Již druhý ročník ve svém názvu Lasery + optika v průmyslu skrývá témata, která byla na pořadu dne. Představitelé významných světových výrobců laserových a optických technologií prezentovali stovce účastníků novinky a možnosti jejich využití.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit