Modelowanie numeryczne przewidywania odkształceń sprężystych blach podczas gięcia

Wśród wielu metod przewidywania końcowego kształtu wyrobu wiodąca jest metoda elementów skończonych (MES), umożliwiająca określenie rozkładu naprężeń oraz odkształceń materiału, sił kształtowania oraz potencjalnych miejsc wystąpienia wad procesu kształtowania. Podczas projektowania procesu technologicznego gięcia należy uwzględnić krytyczny promień gięcia rozumiany jako najmniejszy promień, przy którym na rozciąganej powierzchni elementu poddawanego gięciu może wystąpić pękanie materiału. Wartość krytycznego promienia gięcia zależy od jakości powierzchni giętego materiału, skłonności materiału do pękania oraz położenia linii gięcia względem kierunku walcowania blachy.

Celem badań, których wyniki przedstawiono w artykule, było określenie wartości odkształceń sprężystych blachy stalowej DC04 za pomocą gięcia w tłoczniku o kształcie litery „V”. Analiza sprężysto-plastyczna procesu gięcia została przeprowadzona w programie Abaqus/CAE. W modelu numerycznym MES uwzględniającym orientację próbki, anizotropię materiału oraz zjawisko umocnienia odkształceniowego określono wpływ wartości współczynnika tarcia, metody całkowania oraz liczby punktów całkowania na wartość prognozowanych odkształceń sprężystych.

Materiał badawczy

Do badań odkształceń sprężystych materiału wykorzystano zimnowalcowane blachy stalowe głęboko tłoczne DC04 o grubości 2 mm przeznaczone do głębokiego tłoczenia o podwyższonych wymaganiach. Wartości podstawowych parametrów mechanicznych testowanych blach (tab. 1) określono w statycznej próbie jednoosiowego rozciągania zgodnie z normą PN-EN ISO 6891-1. Jednoosiowemu rozciąganiu poddano próbki wycięte wzdłuż (0°), poprzecznie (90°) oraz pod kątem 45° względem kierunku walcowania blachy, określając następujące parametry: granicę plastyczności R_p0,2, wytrzymałość na rozciąganie R_m, współczynnik anizotropii normalnej r, a także parametry umocnienia, tj. współczynnik umocnienia K_u oraz wykładnik umocnienia n występujące w równaniu σ = K_u · εⁿ, gdzie σ jest naprężeniem uplastyczniającym a ε – odkształceniem plastycznym.

Badania eksperymentalne

Gięcie blach w matrycy w kształcie litery V (ang. V-bending test) jest podstawową metodą oceny odkształceń sprężystych blach. Wyniki sprężynowania uzyskane w stosunkowo prostych testach technologicznych mogą być wykorzystane podczas badań sprężynowania złożonych geometrycznie elementów powłokowych o powierzchni nierozwijalnej. Stanowisko pomiarowe przedstawiono na rys. 1.

Próby zginania przeprowadzono na prostokątnych próbkach o wymiarach 20 × 110 mm.

Promienie zaokrąglenia krawędzi matrycy oraz stempla były równe 10 mm. Podczas badań zagłębiano stempel w przestrzeń matrycy na zadaną głębokość odpowiadającą strzałce ugięcia pod obciążeniem ƒ_ul, po czym odciążano próbkę i odczytywano wartość strzałki ugięcia po odciążeniu ƒ_l (rys. 2). Do przetwarzania sygnałów pochodzących od czujników przemieszczenia i siły na stemplu wykorzystano oprogramowanie QuantumX Assistant V.1.1.

Do ilościowej oceny odkształceń sprężystych blachy wykorzystano współczynnik sprężynowania K:

gdzie γ_l – kąt wygięcia próbki pod obciążeniem, γ_ul – kąt wygięcia próbki po odciążeniu (rys. 2).
Badaniom poddano po trzy próbki dla każdej orientacji próbek (wzdłużnej i poprzecznej względem kierunku walcowania arkusza), na tej podstawie wyznaczono średnią wartość współczynnika sprężynowania K.

Galeria

Zobacz więcej