Simulace toku materiálu při tváření pomocí software PAM-STAMP Jan Šanovec František Tatíček Jan Kropaček Fakulta strojní, České vysoké učení technické v Praze, Ústav strojírenské technologie, Technická 4, 166 07 Praha 6, ČR fato@centrum.cz, sanovec@fsid.cvut.cz Abstrakt V technické přípravě výroby se dnes již běžně využívá mnoho druhů softwarů, zaměřených na výpočtovou analýzu a simulaci při hlubokém tažení plechů. Mezi nejznámější bezesporu patří software francouzské firmy ESI s názvem PAM - AutoStamp TM, založený na metodě konečných prvků (FEM). Na naší katedře byla provedena simulace na tímto software na skutečných výliscích. Výzkum byl proveden díky výzkumnému záměru MŠMT Rozvoj metod a prostředků integrovaného strojního inženýrství J04/98:212200008. Today a lot of programs exist for the deep drawing simulation. It is very important to know how well the simulation results correspond with reality. Therefore the simulation of PAM - AutoStamp TM was made at our department. Real stampings from Automotive Industry were used. 1. Úvod V součastné době se při navrhování lisovacího zařízení využívá prostředí virtuálního prototypu, které je založeno na výpočetních simulacích. Důležitým parametrem je pak požadavek na kvalitu finálního výrobku, která se zpětně promítá do vývoje a samozřejmě rychlosti a přesnosti využívaného CAD/CAM software. Bez využívání možnosti počítačů byla po dlouhou dobu technika tváření plechů do jisté míry omezena schopností přesně a spolehlivě předpovídat výsledek procesu, do kterého vstupuje velký počet proměnných, jako jsou: požadovaný tvar výlisku, materiál a rozměr použitého přístřihu a způsob jeho zpracování. V současnosti se do tvaru výlisku promítá větší mnohotvárnost a komplexnost, a tak je již téměř nemožné správně rozhodnout o lisovatelnosti bez počítačové podpory. V procesu vývoje dílu a přípravy výroby výlisku lze odlišit tři časové úseky, v kterých se uplatní simulace tažení: Hlavním požadavkem na software, při návrhu a konstrukci dílu zhotoveného technologií plošného tváření, je rychlost zpětné vazby, optimalizace rádiusů a tvarů ploch, které se na daném díle vyskytují z hlediska vyrobitelnosti. Je důležité, zda je výlisek vyrobitelný v přípustných tolerancí tloušťky, nebo zda na výlisku nebude oblast, v níž nebylo dosaženo potřebné plastické deformace atd. Inverzní výpočtové metody umožňují provést deformačně-napěťovou analýzu výlisku při pouhé znalosti výsledného tvaru. Tento systém je možno použít při optimalizaci tvaru dílu z hlediska jeho kvality i vyrobitelnosti v co nejmenším počtu operací. V případě, že je díl již navržen, volí se pro jeho výrobu často technologie tažení v pevných nástrojích. Při konstrukci geometrie činných částí tažných nástrojů nastává problém návrhu optimálního tvaru technologických ploch, zejména u stále komplikovanějších tvarů výlisků, které jsou dnes obvyklé v automobilovém průmyslu. Tvar těchto ploch, tvar přístřihu a volba plochy přidržovače hrají významnou úlohu při vytváření daného výlisku. Při využití počítačové podpory a numerické simulace se využívá rychlého řešiče a na základě výsledků
simulace se provádí optimalizace tvaru (např. dutiny tažnice, tak aby během tažení nedocházelo k trhání). V posledních fázích vývoje nářadí a přípravy výroby výlisku je nutné provést detailní analýzu pomocí souhrnného programového souboru procesu lisování. Analýza získaná tímto způsobem je důležitá během optimalizace výchozího tvaru přístřihu, rozložení a účinnosti brzdících lišt, volby materiálu apod. Výsledky slouží také jako model při provozní optimalizaci záběhu sériového nářadí a řešení odpružení po procesu tváření a následném ostřižení. 2. Simulace Simulace toku materiálu byla provedena při tažení vnitřní části předních dveří Škoda Fabia. Jednalo se o tažení hlubokotažného plechu o tloušťce 1 mm. Lisovací postup, který umožňuje postupový lis Schuler TB57 5900 6 2300, byl navržen na 8 operací: 1. tah (obr. 1), 2. tah (obr. 2), obvodový řez a děrování, obvodový řez a děrování, kalibrování, dotvarování a děrování (obr. 3), technická kontrola, klempíř. Obr. 1 První tahová operace Obr. 2 Druhá tahová operace Obr. 3 Konečná podoba výlisku
CAD data tažnice pro 1. a 2. tah byla převedena na konečnoprvkovou síť, která byla podle potřeby upravena v programu HyperMesh a tento CAD model byl načten do prostředí PAM-Stamp. Pomocí ovladače PAM-Manager byl nadefinován účinek ekvivalentního modelu brzdných drážek, v podsouboru PAM-Generis byl nadefinován proces tažení a okrajové podmínky. Po vyhodnocení simulace byla stanovena místa, která lze považovat za kritická a budou předmětem zkoumání na zvolené součásti. 1. TAH: přidržovač s brzdnými drážkami (žlutě) tažník přístřih tažnice Obr 4 Výchozí ustavení nástrojů a přístřihu
Obr. 5 Stav výlisku po prvním tahu 2. TAH: přidržovač s brzdnými lištami přístřih tažník tažnice Obr. 6 Řez výchozím ustavením (před 2. tahem)
Obr. 7 Stav výlisku po druhém tahu 3. Výsledky simulací Z mnoha simulaci pomoci software PAM-STAMP uvádíme výsledky pro 1. a 2. tah pro 2 řezy v místech největších deformací označená A, B (místa u závěsu dveří). Pro provedení simulace prvního tahu, kdy dochází k největším přetvořením materiálu, byly vybrány dvě kritické oblasti pro analýzu. Tato místa byla označena již předem za problémová a simulace tento předpoklad potvrdila. Výpočtová simulace v programu PAM-STAMP byla provedena pro první a druhý tah, neboť pro tyto dvě operace byla k dispozici konstrukční data nářadí včetně technologických ploch. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 - simulase - směr 1 tah 1, řez A
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 - - simulace směr 1 - tah 1, řez B 00 5,0000 100 15,0000 200 25,0000 300 35,0000 400 - simulace - směr 1 tah 2, řez A
0 5 10 15 20 25 30 - - simulace - směr 1 - tah 2, řez B 4. Závěr Z časových důvodů nebylo možné provést ověření těchto nasimulovaných hodnot pomocí metody měrných sítí. První výsledky měření byly výrazně lepší než pro simulace v software ICE STAMP. Po dohodě s MECAS Plzeň budou výsledky simulací publikoványaž po zpracování více výlisků dílů na vozech Škoda Oktavia a Fabia. LITERATURA [1] KROPÁČEK, J. Analýza tváření kritického výlisku osobního vozu Škoda Fabia. Diplomová práce, Praha, 2001