VYUŽITÍ OPTICKÉHO SYSTÉMU ARGUS 4M V KRITICKÝCH OBLASTECH KAROSÁŘSKÉHO VÝLISKU a Ing. Pavel SOLFRONK Ph.D., b Ing. Tomáš JÍRA a Technická Univerzita v Liberci, Studentská 2, 461 17 Liberec, Česká republika, pavel.solfronk@tul.cz b Technická Univerzita v Liberci, Studentská 2, 461 17 Liberec, Česká republika, tomas.jira@tul.cz ABSTRAKT V současné době, která se vyznačuje neustálým zvyšováním trendů a cílů v oblasti výroby, je nezbytnou součástí pří plnění těchto standardů zapojení výpočetní techniky. Jedním z pomocných nástrojů, které velkou mírou mohou přispět k dosažení našich cílů a trendů, a to zejména v oblasti výroby karosářských výlisků, je systém ARGUS 4M dodávaný na náš trh fa. GOM a.s. Tento systém je tvořen snímací kamerou, výpočetní jednotkou a dodatečnými přípravky a dokáže na základě optického snímání rozlišovat a postupně vyčíslit hlavní a vedlejší napětí (hlavní a vedlejší deformace). Výsledné hodnoty lze zobrazit pomocí přednastavených modů do následných napěťových (deformačních) polí, které nám umožňují vytvořit si představu o průběhu a velikosti hlavních a vedlejších napětí (hlavní a vedlejší deformace), která vznikla při samotném tvářecím pochodu v lisovací lince. Celý proces, který se skládá z odebrání vzorku, vytvoření deformační sítě, optického snímání a následného výpočtu a sestavení napěťového (deformačního) modelu, lze dosáhnout v poměrně krátké době, a to tak, abychom mohli pružně reagovat a vytvořit zpětnou vazbu při samotném řešení problematických míst karosářských výlisků. Tento systém bude podroben důkladnému prověření v kritických oblastech mezního přetvoření u karosářských výlisků. Jeho výsledné hodnoty budou zobrazeny pomocí diagramů mezního přetvoření a porovnány s diagramy mezních přetvoření sestavených na základě zkoušky vypínáním tvarových zkušebních těles s proměnnou šířkou b u totožných materiálů v oblastech mezních přetvoření. 1. ÚVOD Cílem výzkumné práce je ověřit možnosti optického systému ARGUS 4M při analýze deformace výlisku v okolí lokálního ztenčení, či trhliny. Předpokládá se využití výsledků předkládané práce pro rozsáhlejší využití tohoto systému. Jako srovnávací měření, které umožňuje analýzu deformace i v blízkém okolí trhliny, byla volena konveční metoda měření na dílenském mikroskopu. Toto zařízení je používáno na katedře strojírenské technologie FS TUL. Testy budou provedeny na zkušebních vzorcích, které svým tvarem modelují různé stavy napjatosti na výlisku. Pro každou deformační stopu je použito dvou sad vzorků, na kterých bude provedena deformační analýza výše uvedenými metodami. Deformační stopy byly vytvořeny tak, aby korespondovaly s diagramem mezních přetvoření dále FLD (křivka mezních přetvoření, dále FLC ) a byly tak schopny popsat různé stavy napjatosti resp. stavy přetvoření ( mϕ = 0, 5 až m ϕ = 1 ) [1]. 2. POSTUP VÝZKUMNÉ ČÁSTI Pro výzkumnou část byly vybrány materiály, které jsou svým chemickým složením a materiálovými vlastnostmi vhodnými pro výrobu karosářských výlisků. Ve všech případech se jednalo o hlubokotažné IF oceli s žárově pozinkovanou vrstvou [2]. Tyto materiály byly podrobeny zkouškám drsnosti (přístroj: drsnoměr HOMEL TESTER T1000) a statické zkoušce tahem (přístroj: Zwick/Z030) ve všech třech směrech - 1 -
válcování dle normy ČSN 10002-1 [3]. Výsledné hodnoty byly zpracovány jak pomocí grafického vyjádření, tak pomocí tabulkových dat Obr. 1. Obr. 1. Tahový diagram pro první vzorek ve směru válcování 90, výsledné hodnoty zpracovány do grafického i tabulkového řešení Figure 1. Tensile diagram for the first sample in the rolling direction 90, resultant values processed in the graphic and spreadsheet solution Na základě výsledných parametrů je možné říci, že zkoušené vzorky odpovídají údajům, které jsou uvedeny v materiálových listech [4], a dále budou ze zkoušeného materiálu vytvořeny deformační stopy. 3. POROVNÁVACÍ METODA VYPÍNÁNÍ TVAROVÝCH TĚLES S PROMĚNOU ŠÍŘKOU B Pro porovnací metodu zjištění diagramu mezního přetvoření experimentálním způsobem byla použita metoda vypínání tvarových zkušebních těles s proměnnou šířkou b. Tato metoda určování diagramu mezního přetvoření je dlouhodobě používána na katedře strojírenské technologie TU v Liberci a metodika provádění a vyhodnocení zkoušky je již podrobně propracována. Kriteriem pro ukončení zkoušky je vznik lokálního ztenčení nebo trhliny na testovaném vzorku Obr. 2. stop. Obr. 2. Sada vzorků určené k analýze deformačního přetvoření s oblastí lokálního ztenčení (trhliny) Figure 2. Set of samples for analysis of the forming deformation with an area of local thinning (fracture) - 2 -
Na základě výsledných hodnot [ 2kj, 1kj ] u detekovaných bodů v kritických oblastech výlisku (lokální ztenčení, oblast trhliny) byly sestaveny FLD. Diagramy je proleženo pásmo bodů (FLC), které odděluje bezpečnou oblast lisování od oblasti s místy vzniku lokálního ztenčení popř. trhliny Obr. 3. Diagram byl sestaven na základě regresní rovnice 1: 1kj = a + b 2kj + c 2kj 2 (1) kde: φ 2kj, φ 1kj souřadnice pásma bodů křivky mezního přetvoření a, b, c regresní koeficienty 1 0,9 0,8 0,7 0,6 φ1 [-] 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0-0,6-0,4-0,2 0 0,2 0,4 0,6 φ2 [-] Obr.3. Diagram mezních přetvoření zkoušeného vzorku pro různé deformační stopy Figure 3. FLD for a tested sample for various deformation traces 4. ANALÝZA POMOCÍ OPTICKÉHO SYSTÉMU ARGUS 4M Z předchozích materiálů, které byly použity pro metodu tvorby FLD pomocí zkoušky vypínání tvarových zkušebních těles s proměnnou šířkou b, byla vytvořena identická sada vzorků pro optikou analýzu pomocí systému ARGUS 4M. Na zkušební vzorek (plochý nástřih) je elektrochemicky vyleptána deformační mřížka bodů (deformační síť). Pro zhotovení deformační sítě byla použita šablona sítě bodů pro elektrochemické naleptání, která má rozměry 400 x 280 mm, rozměr síťě je 2 mm (vzdálenosti středu bodů). Na očištěný nástřih přiložíme síto (textilní šablona) a na něj pomocí nanášecího zařízení, které je zakončeno plstěným válečkem navlhčeným elektrolytem přejíždíme po sítu. Deformační síť byla nanesena pouze na místa u níž lze předpokládat největší stupeň přetvoření, které bude odpovídat tváření vzorku Obr. 4. - 3 -
Obr.4 Připravený vzorek pro analýzu ARGUS 4M Figure 4 Sample ready for ARGUS 4M analysis Jednou z možností, které optický systém ARGUS 4M nabízí [5], je i zobrazení výsledků pomocí FLD Obr. 5. Pro vytvoření FLD je nezbytné definovat FLC a materiálové vlastnosti. FLC je definovaná body, které představují zástupce vedlejších a hlavních deformací. Po zobrazení výsledných hodnot a úprav z tohoto projektu je možno vytvořit zprávu v různých zobrazovacích režimech Obr.5. Obr. 5. Zobrazení zkoušeného dílu pomocí FLD Figure 5. FLD visualisation of tested part 5. DISKUZE VÝSLEDKŮ Úkolem této práce bylo stanovení možností optického systému ARGUS 4M při analýze deformace v oblastech lokálního ztenčení při tváření plechu. Výsledky měření získané pomocí tohoto systému byly porovnávány s konveční metodou měření deformace na dílenském mikroskopu. Porovnání výsledků měření bylo provedeno pro různé stavy napjatosti, které reprezentují v širokém spektru technologii hlubokého tažení. Při samotné analýze rozložení deformací v oblasti lokálního ztenčení byly vypozorovány následující jevy, které jsou diskutovány dále. - 4 -
Analýza deformace v oblasti lokálního ztenčení (trhliny) pomocí optického systému ARGUS 4M a dílenského mikroskopu dosahuje nejvyšších rozdílných hodnot u vzorků o šířce b = 30 mm. Výsledky získané pomocí dílenského mikroskopu vykazují vyšší stupeň hlavních i vedlejších deformací Obr.6. 1,0 0,8 φ1,2 [-] 0,6 0,4 0,2 Mikroskop φ1 Mikroskop φ2 Argus φ1 Argus φ2 0,0 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0-0,2-0,4-0,6 L [mm] Obr. 6. Znatelné rozdíly hlavních a vedlejších deformací mezi mikroskopickou metodou a optickou analýzou ARGUS Figure 6. Discernible differences in the major and minor deformations between the microscopic method and the ARGUS optical analysis Tento rozdíl je patrný u všech testovaných materiálů. Vzorky o šířce b = 30 mm reprezentují stav napjatosti blížící se jednoosému tahu. Z tohoto důvodu dochází ve sledované oblasti k značnému přetvoření v obou hlavních směrech. I přesto, že systém ARGUS 4M pracuje s vysoce citlivou technologií snímaní, není možné pro vzorky (reprezentující jednoosý tah) v místě trhliny zachytit a znatelně rozpoznat jednotlivé body deformační mřížky Obr. 6. Obr. 7. Řada s body vykazující vysoké hodnoty přetvoření Figure 7. Series of points showing high deformation values - 5 -
Systém ARGUS 4M je z tohoto důvodu schopen vyhodnotit pouze body, které neleží bezprostředně v okolí trhliny a tyto body je schopen dále softwarově zpracovávat. Analyzované body mají logicky nižší hodnotu přetvoření než body bezprostředně sousedící s trhlinou. Jelikož je sledován průběh deformace kolmo na trhlinu, posouvá se průběh k nižším hodnotám. ZÁVĚR Z výsledků práce je patrné, že systém ARGUS 4M je velmi pružný nástroj pro analýzu deformace výlisku. V oblasti deformací, které se neblíží kritickým lomovým deformacím lze tvrdit, že systém je stabilní a poskytuje dostatečně přesné výsledky. V případě analýzy deformace v oblasti trhliny je využití systému ARGUS 4M diskutabilní. Z již uváděných důvodů není systém ARGUS 4M příliš vhodný pro analýzu deformace v blízkém okolí trhliny. Pro tento typ analýzy dodává firma GOM a.s. systém ARAMIS, jehož konfigurace je uzpůsobena tomuto požadavku. Z naměřených hodnot je vidět, že největší chyba měření deformace v okolí trhliny je u systému ARGUS 4M v oblastech, kde se napjatost blíží jednoosému tahu. Při tažení výlisků nepravidelných tvarů je však těchto oblastí na výlisku velice málo. I přes tento fakt bych však doporučoval systém ARGUS 4M využívat pouze pro analýzy deformace v oblasti stabilních deformací na výlisku, pro něž je tento systém určen. LITERATURA [1] BUCHAR, Z.: Diagramy mezního přetvoření tenkých hlubokotažných plechů, [Kandidátská práce], VŠST, Librec 1987. [18.5.2006]. [2] TMĚJ, J.; MIKEŠ, V: Teorie Tváření. Liberec: Vysoká škola strojní a textilní, 1990. 177s. ISBN 80-7083-011-5. [3] Norma ČSN EN 10002-1: Zkouška tahem, Český normalizační institut, 1994. [4] Norma DIN EN 10292:2000: Kontinuierlich feuerverzinktes Band und Blech aus weichen Stählen zum Kaltformen-Technische Lieferbedingungen e. V., Berlin, Juli 2000. [5] fa. GOM: Argus 4M Instruction, [ 12.2.2007] <http://www.gom.com/en/measuringsystems/argus/instruction/ > - 6 -