ALAKÍTÁSI HATÁRDIAGRAMOK

MISKOLCI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI és INFORMATIKAI KAR

ALAKÍTÁSI HATÁRDIAGRAMOK ELMÉLETI ÉS KÍSÉRLETI ELEMZÉSE PHD ÉRTEKEZÉS TÉZISEI

Készítette:

Kovács Péter Zoltán okleveles gépészmérnök

SÁLYI ISTVÁN GÉPÉSZETI TUDOMÁNYOK DOKTORI ISKOLA GÉPÉSZETI ANYAGTUDOMÁNY, GYÁRTÁSI RENDSZEREK ÉS FOLYAMATOK GÉPÉSZETI ANYAGTUDOMÁNY TÉMACSOPORT Doktori Iskola vezető: Dr. Tisza Miklós a műszaki tudomány doktora, egyetemi tanár Témacsoport vezető: Dr. Tisza Miklós a műszaki tudomány doktora, egyetemi tanár Tudományos vezető: Dr. Tisza Miklós a műszaki tudomány doktora, egyetemi tanár

Miskolc 2012

A bemutatott kutatómunka az EUREKA_HU_08-ISMFP_ME (nyilvántartási száma: OMFB 220/2009) számú projekt keretében kezdődött. A kutatómunka a TÁMOP-4.2.1.B10/2/KONV-2010-0001 és a TÁMOP-4.2.2.B-10/1/KONV-2010-0008 jelű projekt részeként – az Új Magyarország Fejlesztési Terv keretében – az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg. Ezúton köszönöm meg a kutatómunkához nyújtott támogatást.

MISKOLCI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI és INFORMATIKAI KAR

ALAKÍTÁSI HATÁRDIAGRAMOK ELMÉLETI ÉS KÍSÉRLETI ELEMZÉSE PHD ÉRTEKEZÉS TÉZISEI

Készítette:

Kovács Péter Zoltán okleveles gépészmérnök

SÁLYI ISTVÁN GÉPÉSZETI TUDOMÁNYOK DOKTORI ISKOLA GÉPÉSZETI ANYAGTUDOMÁNY, GYÁRTÁSI RENDSZEREK ÉS FOLYAMATOK GÉPÉSZETI ANYAGTUDOMÁNY TÉMACSOPORT Doktori Iskola vezető: Dr. Tisza Miklós a műszaki tudomány doktora, egyetemi tanár Témacsoport vezető: Dr. Tisza Miklós a műszaki tudomány doktora, egyetemi tanár Tudományos vezető: Dr. Tisza Miklós a műszaki tudomány doktora, egyetemi tanár

Miskolc 2012

Alakítási határdiagramok elméleti és kísérleti elemzése Bíráló Bizottság:

elnök: titkár: tagok:

Dr. Páczelt István az MTA rendes tagja, egyetemi tanár, Miskolci Egyetem Vadászné dr. Bognár Gabriella CSc, egyetemi docens, Miskolci Egyetem Horváthné dr. Varga Ágnes CSc, egyetemi tanár, Miskolci Egyetem Dr. Szabó István CSc, egyetemi tanár, Szent István Egyetem Dr. Czinege Imre CSc, egyetemi tanár, Széchenyi István Egyetem

Hivatalos bírálók:

Dr. Voith Márton DSc, egyetemi tanár, Miskolci Egyetem Dr. Krállics György CSc, egyetemi docens, Budapesti Műszaki Egyetem

Alakítási határdiagramok elméleti és kísérleti elemzése

1. BEVEZETÉS A képlékenyalakítás napjaink egyik legdinamikusabban fejlődő technológiai eljárása. A korszerű képlékenyalakítás fő törekvése az, hogy a tervezett alkatrész alakját és méretét – a szilárdsági és alakváltozási jellemzők optimális értékeinek biztosítása mellett – olyan pontosan állítsa elő, amely az azt követő forgácsoló megmunkálást minimálisra csökkenti, gyakran teljesen ki is küszöböli. Ezt az utóbbi években egyre erőteljesebben érvényesülő tendenciát a szakirodalom az alakmegközelítő (near net shapeforming), illetve az alakpontos (net shapeforming) megnevezésekkel illeti. Ezen alakító eljárások széleskörű terjedése is még inkább kiemeli a képlékenyalakítás anyag- és energiatakarékos jellegét, amely a gépipari megmunkáló eljárások között elfoglalt kiemelkedő szerepét is alátámasztja [24]. A képlékenyalakítás technológiája az időszámításunk előtti évezredekben, mint kézműipar alakult ki. Kézműiparból tudománnyá fejlődését a mechanika képlékenységtan fejezetének kidolgozása, valamint az anyagtudomány és a fémfizika (anyagszerkezettan) fejlődése tette lehetővé [5]. A képlékenyalakítás különböző eljárásaival gyártott alkatrészek termékskálája a parányi mikroelektronikai alkatrészektől, a különféle háztartási eszközökön, a technikai haladás szempontjából mindig is kiemelt jelentőségű autóipari alkatrészeken keresztül, a csúcstechnológiai alkalmazásokig (repülőgépipar és űrtechnika) szinte az élet minden területére kiterjed. A képlékenyalakítás a megmunkáló, gyártó eljárások között mind az ún. előgyártó technológiák, mind pedig a feldolgozó, készre alakító eljárások között fontos szerepet tölt be. A gépészmérnöki gyakorlat számára a fő területet az ún. gépipari alkatrészgyártó alakító technológiák képezik. E technológiai eljárások alapvetően két nagy eljárás csoportba sorolhatók, nevezetesen a lemezalakító eljárások és a térfogat-alakító eljárások. Az értekezés fő témakörét a lemezalakító eljárások, azon belül is elsősorban az alakíthatóság témakörei képezik. A lemezalakítás a képlékenyalakító eljárások között az egyik legelterjedtebb technológia. Széleskörű elterjedtségét számos előnyös tulajdonsága indokolja, így például a lemezalakítással gyártott alkatrészek kiváló mechanikai tulajdonságai, alak- és méretpontossága, az eljárás nagy termelékenysége, a gazdaságos anyagfelhasználás, a gyártási folyamat könnyű automatizálhatósága. A lemezalakítás alapvetően a nagysorozat, illetve a tömeggyártás technológiája: kis darabszámnál a viszonylag jelentős szerszámköltségek miatt az eljárás gazdaságossága csökken. A lemezalakítás a gépiparban mindig is vezető szerepet betöltő húzóágazat, az autóipar kiemelten fontos gyártási eljárása. A lemezalakító technológiáknál a különféle lemez anyagoknak az alakíthatósága kiemelt jelentőségű kérdés. Számos esetben egy-egy alkatrész gyárthatósága, illetve a gyártás gazdaságossága alapvetően függ az alapanyagok alakíthatóságától. Az alakíthatóság olyan komplex fogalom, amelynek megítélésére önmagában a szokásos mechanikai jellemzők egyike sem alkalmas. Általában a jó alakíthatóság olyan anyagi tulajdonságokat jelent, amelyek kis alakító nyomással, a szerszám minimális kopása mellett nagymértékű alakváltozást tesznek lehetővé, törés vagy repedés veszélye nélkül. Az alakíthatóság ugyanakkor az anyagnak nem elidegeníthetetlen tulajdonsága; ugyanazon anyag alakíthatósága az ún. külső és belső állapottényezőkkel olykor igen tág határok között változtatható. Az alakíthatóságnak ilyen értelemben mind a mai napig nincs megbízható, általánosan elfogadott mérőszáma, ugyanakkor igen erőteljes törekvés tapasztalható olyan minősítő paraméterek, eljárások kidolgozására, amelyek – legalábbis adott körülmények között – megbízhatóan alkalmazhatók a gyártandó alkatrészek előállíthatóságának, megvalósíthatóságának értékelésére. A különféle numerikus modellező és szimulációs szoftverek terjedésével az alakíthatóság kérdése, különösen az alakítási határállapotok megbízható meghatározása egyre fontosabbá vált, ezért világszerte jelentős kutatások folynak ezen a területen. 3


E fejlesztési trendek figyelembevételével választottam értekezésem témájaként a lemezanyagok alakíthatóságának elméleti és kísérleti vizsgálatát. A finomlemezeket széles körben alkalmazzák a lemezalakító iparban. A lemezalapanyagot gyakran bonyolult alakító műveletek sorozatával dolgozzák fel félkész, vagy késztermékké. A lemezanyagok alakíthatósági megítélésére, a jelenlegi, szabványos, általános érvényű anyagjellemzők általában önmagukban nem alkalmasak. További probléma, hogy a hidegalakítás céljára alkalmazott lemezek szilárdsági és alakváltozási tulajdonságai rendszerint irányfüggők, anizotrop anyagként viselkednek. Ezek figyelembevételére, a konkrét lemezminőségek, alakítási és hőkezelési eljárások sajátosságainak megfelelően sokféle minősítő vizsgálatot alkalmaznak az egyszerű szakítóvizsgálattól a deformáció történetet is magában foglaló alakítási határgörbék módszeréig. 2. IRODALMI ÁTTEKINTÉS Az alakítási határdiagramok történetének kezdetét a legtöbb közlemény Keelernek tulajdonítja, aki először 1961-ben a Massachusetts Institute of Technology intézetében készített értekezésében [13] fogalmazta meg a lemezek képlékeny instabilitásával és törésével kapcsolatos téziseit. Az értekezés főbb megállapításait 1963-ban az American Society of Materials lapjain ismertette [14], majd ezt követően 1965-ben jelenttette meg azt a közleményt [15], amely már a ma is használt határdiagramformájában mutatja be a lemezek alakíthatóságának határállapotát. Col [4] az alakítási határdiagramok történetét elemző cikkében, Gensamer 1946-ban írott közleményéből [6] idéz egy ábrát, amely a főalakváltozások függvényében jeleníti meg az alakítás határállapotait és így tulajdonképpen az alakítási határdiagramokkal kapcsolatban megjelent első közleménynek tekinthető. A Keeler nevével fémjelzett alakítási határdiagram az alakítási határgörbét azonban csak a pozitív ε2 tartományra mutatja: Goodwin [8] 1968-ban terjesztette ki a határgörbét a diagram bal oldali (ε2< 0) tartományára és lényegében ettől kezdve használjuk a Keeler-Goodwin diagram megnevezést az alakítási határdiagramokra. A Keeler-Goodwin alakítási határdiagramok bal- és jobb oldalát – a kisebbik főalakváltozás (ε2) pozitív és negatív tartományát– is lefedő alakítási határgörbével, a lemezalakítás legkülönbözőbb típusaira is alkalmazhatók. Keeler hivatkozott közleményei [13]-[15] hatalmas lendületet adtak az alakítási határállapotok, az alakítási határdiagramok kutatásának. Nakazima és Kikuma 1967-ben [20] Swift jóval korábbi, 1952-ben publikált [22] eredményeiből kiindulva, a tönkremenetel bekövetkezési feltételeként a lokális befűződést javasolta. Marcziniak és Kuczinski [18] ugyancsak 1967-ben ismertették a lokális befűződés keletkezésére vonatkozó feltételezésüket, amelyet a szakirodalom a Marcziniak-Kuczinski elméletként nevez. Ugyanebben a cikkben ismertetik azt a javasolt próbatest kialakítást, amelynek alkalmazásával a tönkremenetelt eredményező határértékéket különböző alakváltozási állapotokra (különböző alakváltozási történetek esetére) is meg lehet határozni, és amely ma is az egyik alapmódszernek tekinthető az alakítási határdiagramok kísérleti meghatározására. Ezt követően széleskörű vita bontakozott ki a nemzetközi szakirodalomban a lokalizált befűződés és a törési határállapot értelmezését, alakítási határgörbeként való alkalmazását illetően [16], [26]. Az nyilvánvaló, hogy annak megállapítása, hogy mikor következik be a tönkremenetel töréssel bár kísérleti szempontból egyértelműbb, ugyanakkor a gyártás szempontjából túl késő. Az is nyilvánvaló, hogy egy alkatrész megfelelősége szempontjából a már látható lokális befűződés sem elfogadható. Ezért intenzív kutatások folytak a lokális befűződés bekövetkezésének előrejelzése, meghatározása érdekében. Nakazima [21] 1968-ban az alakítási határgörbék meghatározására félgömbvégződésű alakító bélyeggel különböző alakú próbatesteken elvégzett új kísérleti módszert javasolt, amely mai napig a legáltalánosabban alkalmazott vizsgálati technika.

4


Az 1972. évi Amsterdamban megrendezett IDDRG kongresszus több tekintetben is mérföldkőnek bizonyult. Ekkor ismertette Kobayashi [17] azt az eredeti elgondolást, amely az alakítás közbeni felületi érdesség változásával hozta kapcsolatba a lokális befűződés bekövetkezését. Ugyancsak itt ismertette Bragard [1] a lokális befűződés bekövetkezésének meghatározását néhány egyszerű kísérlet alapján lehetővé tevő módszerét, Hecker [12] pedig egy gyors, „üzemi” körülmények között is alkalmazható vizsgálati eljárást mutatott be. Grumbach és Sanz [10], [11] két jelentős elméleti munkát közölt: az egyik az ún. valódi törési határgörbe koncepciójának bevezetése volt, míg a másik munka az azóta is sokat vitatott komplex alakváltozási trajektóriák bonyolult problémakörét vetette fel. Ghosh és Hecker egy 1974-ben publikált cikkben [9] egy nagyon fontos következtetést vont le az alakíthatósági határértékek vonatkozásában. Rámutattak, hogy a síkalakváltozáshoz képest az alakváltozási határértékek mindig nagyobbak a nem csak síkban történő alakváltozás során. Az 1975-1990 közötti időszakot az alakítási határdiagramok kutatását illetően jelentős megtorpanás jellemezte, amely egyrészt az alakítási határdiagramok kísérleti meghatározásának jelentős munka- és időigényével, másrészt az 1974-es olajválság gazdasági következményeivel magyarázható. Az alakítási határdiagramok kutatása azonban az 1990-es években ismét a lemezalakítási kutatások homlokterébe került. Ebben a megújult kutatási érdeklődésben alapvetően két tényező játszott meghatározó szerepet. Az egyik ok a vizsgálatok időigényességének csökkentésében kiemelkedő szerepet játszó optikai alakváltozás mérő rendszerek, a CCD kamerák megjelenése volt, amelyek használatával a deformált, alakváltozott háló kiértékelésének korábban fáradságos manuális tevékenységét szinte teljes mértékben automatizálni lehetett. A másik ok a számítástechnikában, az informatikában bekövetkezett és ma is tartó robbanásszerű fejlődés, amely lehetővé tette a végeselemes mérnöki módszerek szinte mindennapos eszközként való hatékony használatát. Az optikai alakváltozás mérésnek az alakítási határdiagramok meghatározására való alkalmazásában alapműnek számít Tan és munkatársai [23] cikke, amely megnyitotta az utat az alakváltozások automatikus kiértékeléséhez. E technika az elmúlt 2 évtizedben szédületes fejlesztésen ment keresztül, amelyben kiemelkedő szerepet játszott két német cég. Az egyik az 1990-ben alapított Gesellschaft für Optische Messtechnik, amely GOM GmbH néven [7] e területen, a világon az egyik legjelentősebb vállalkozás. A másik a Vialux Messtechnik GmbH, amely az AutoGrid rendszer kifejlesztésével kimondottan a lemezalakítást célozta meg optikai alakváltozás-mérő hardvereinek és szoftvereinek kidolgozásával [25]. Az alakítási határdiagramok kísérleti meghatározásánál ez utóbbi rendszert alkalmaztam. Az előzőkben említett fejlesztéseknek köszönhetően újult erővel megindult kutatások közül Maron és munkatársai [19], valamint Cayssials [2], [3] munkássága kívánkozik különösen kiemelésre. Előbbi a lokális befűződés bekövetkezésének a képelemzés módszereivel történő meghatározásában, míg az utóbbi az FLC meghatározásának egy merőben új koncepciójának kidolgozásával hívta fel magára a figyelmet.

5


3. AZ ÉRTEKEZÉS CÉLKITŰZÉSE Doktori értekezésem témaválasztását alapvetően meghatározta, hogy 2003-ban a Miskolci Egyetem Mechanikai Technológiai Tanszékére kerülve, a Képlékenyalakító Szakcsoport munkájába kapcsolódtam be, ahol a tanszék vezetője, aki egyben tudományos vezetőm is, kutatási témaként a lemezalakítást, szűkebben a lemezek alakíthatóságának vizsgálatát jelölte meg számomra. Ez az időszak – amint az előző pontokban röviden ismertetett irodalom áttekintésből is látszik – jelentős változásokat, megújulást hozott a lemezalakítás, de különösen az alakíthatóság témaköreinek kutatásaiban. Ekkorra már világosan körvonalazódott, az is, hogy a lemezalakító eljárások fejlesztésének, az eljárások termelékenységének, hatékonyságának és gazdaságosságának növelésében az alakíthatóság, a lemez alapanyagok alakíthatóságának megbízható előre jelzése kulcsfontosságú. Az is nyilvánvalóvá vált, hogy a viszonylag jelentős nemzetközi kutatások ellenére még számos kérdés e területen megválaszolatlan, amelyek kutatása új tudományos eredmények elérésével is kecsegtet. Ezek alapján az értekezés fő célkitűzéseként a lemezanyagok alakíthatóságának vizsgálatát jelöltük meg, kiemelt hangsúlyt fektetve az alakítási határgörbék, alakítási határdiagramok tanulmányozására, kutatására. Ennek keretében – amint az értekezés főcíme is mutatja – célul tűztem ki az alakítási határdiagramok elméleti és kísérleti vizsgálatát, kiemelt figyelmet fordítva az alakítási határdiagramok meghatározásának új, korszerű vizsgálattechnikai lehetőségeire. Mivel az alakítási határdiagramoknál a lokális befűződéshez tartozó határgörbe meghatározásának megbízhatósága, pontossága, kiemelten fontos kérdés, célként fogalmaztam meg a lokális befűződés, a helyi kontrakció, valamint a diffúz kontrakció bekövetkezéséhez tartozó határgörbe meghatározására a rendelkezésünkre álló korszerű vizsgálótechnika lehetőségeinek felhasználásával minél pontosabb kritériumok felállítását. Célul tűztem ki továbbá olyan vizsgálati geometria kidolgozását, amelynek alkalmazásával a nagy munka- és időráfordítást igénylő kísérleti vizsgálatok volumene csökkenthető, miközben az eredmények reprodukálhatósága, megbízhatósága is megfelel az elvárásoknak. További célként fogalmaztam meg az alakítási határállapotokat alapvetően befolyásoló tényezők – az anyagjellemzők, a vizsgálati körülmények és egyéb feltételek – hatásainak szisztematikus elemzését, a hatások következményeinek feltérképezését. 4. A VIZSGÁLATOK MÓDSZEREI Az értekezésben a képlékenységtan és a képlékenyalakítás elméleti megoldási módszereit alkalmazva átfogó elméleti elemzést végeztem a lemezalapanyagok alakíthatósága szempontjából kiemelt jelentőségű folyási feltételek, folyási elméletek izotróp és anizotróp anyagokra vonatkozó eredményeinek feldolgozására, az alakíthatóság, az alakítási határdiagramok értelmezésére és meghatározásuk vizsgálatára. A kísérleti vizsgálatokat Miskolci Egyetem Mechanikai Technológia Tanszékén hazai és nemzetközi kutatási projektek támogatásával létrehozott integrált lemezalakíthatósági vizsgáló rendszerrel végeztem, amely egy elektro-hidraulikus, számítógép vezérlésű lemezvizsgáló gépet és egy automatizált optikai alakváltozás-mérő rendszert foglal magába. A kísérleti vizsgálatokhoz három különböző, a lemezalakításban általánosan alkalmazott alakítható acél anyagminőség (DC04, DC05 és DD14), alumínium vékonylemezek (Al 1050) és rézlemez (SF-Cu) vizsgálatait végeztem. Mivel az alakítási határdiagramok témaköre rendkívül szorosan kapcsolódik a modellezés, a szimuláció témaköreihez, a laboratóriumi kísérletek mellett nagy volumenű virtuális alakítási kísérleteket is végeztem, az AutoForm végeselemes programrendszer alkalmazásával.

6


5. ÚJ TUDOMÁNYOS EREDMÉNYEK T1. Különféle anyagok alakítási határdiagramjait elemezve kimutattam, hogy az alakítási határgörbe alakja és helyzete alapvetően függ a vizsgált anyag minőségétől, a lemezvastagságtól, a deformáció történettől és a vizsgálati körülményektől [K-9],[E-8]. a.

Az alakítási határdiagramokat befolyásoló tényezők között kiemelt szerepe van a deformáció történetnek (az alakváltozási útnak). Ezért az alakítási határdiagramok kísérleti meghatározásakor célszerűen lineáris alakváltozási utakat kell választani.

b.

Olyan lemezalakítási eljárások esetében, amelyeknél több, egymást követő műveletre van szükség, és az alakítás módja az egyik műveletről a másikra változik, az alakváltozási útvonal tört vonal. Ebben az esetben olyan kísérleti módszerrel kell az alakítási határdiagramot meghatározni, amely a tényleges alakítás deformáció történetét minél jobban megközelíti.

c.

Amennyiben az összetett deformáció történetet kezdetben jellemzően nyújtó alakítás, majd ezt követően nyomó alakváltozási útvonal követi, akkor az alakítási határgörbe a lineáris útvonallal meghatározott alakítási határgörbe alatt halad. Az ezzel ellentétes összetett alakváltozási útvonal – kezdetben ε2 < 0, amit kéttengelyű nyújtás (ε1 > 0 és ε2 > 0) követ, az alakítási határgörbe a lineáris útvonallal meghatározott alakítási határgörbénél magasabban halad.

T2. Az anyagminőség, az anyag állapota és különböző anyagjellemzők alakítási határdiagramokra gyakorolt hatását elemezve a következőket állapítottam meg [P-3], [K-6], [K-9], [E-9]: a.

A kifejezett öregedési hajlamot mutató anyagoknál az öregedést követően az alakítási határgörbe a szállítási – nem öregedett – állapothoz viszonyítva a vizsgált acél anyagminőségeknél mintegy 10%-kal kisebb alakváltozási értékeknél halad.

b.

Acél és alumínium finomlemezeken elvégzett kísérleti vizsgálatok alapján a hengerlési irány hatása az alakítási határgörbe helyzetére az alakítási határdiagram ε2 < 0 tartományában nagyobb, mint a kéttengelyű nyújtás (ε1 > 0 és ε2 > 0) szakaszán. Különösen szignifikáns a különbség az alumínium vékonylemezek esetén.

c.

Mind az n keményedési kitevő, mind pedig az r normál anizotrópia tényező növekedése kedvezően befolyásolja az alakítási határgörbe helyzetét (az alakítási határgörbe az ε1 tengely mentén a nagyobb valódi nyúlások felé tolódik el). Az r anizotrópia tényező nagyobb értéke különösen az alakítási határdiagram baloldali tartományába eső alakváltozási utakat befolyásolja jelentősen.

T3. Különféle anyagminőségek (mélyhúzható acél, alumínium, vörösréz) kísérleti vizsgálataival igazoltam, hogy a lemezvastagság növekedése az alakítási határdiagram mindkét szakaszán kedvezően befolyásolja az alakíthatóságot. A lemezvastagság hatása az alakíthatóságra a kéttengelyű nyújtás (ε1 > 0 és ε2 > 0) szakaszán nagyobb [P-3], [K-6], [E-9]. T4. A súrlódás hatását kísérleti vizsgálatokkal és numerikus modellezéssel elemezve kimutattam, hogy a súrlódási tényező növelésével az alakváltozási útvonalat jelző alakítási pontfelhő meredeksége növekszik, amelynek következtében hamarabb bekövetkezik a törést (szakadást) okozó alakváltozási állapot [K-9], [E-8]. T5. Új próbatest geometriát dolgoztam ki, amely lehetővé teszi egy próbatest alkalmazásával több alakváltozási úthoz tartozó alakítási határgörbe pont meghatározását, ezáltal az ala7


kítási határdiagramok meghatározásának jelentős munka- és idő-ráfordítás szükségletének csökkentését. Az ún. „csillag próbatest” kialakítással igazoltam, hogy egy vizsgálattal ugyanaz az alakváltozási út többszörözhető, ami az alakítási határdiagram pontok meghatározásának megbízhatóságát növeli, a kísérleti munka- és időráfordítás növekedése nélkül [E-9]. T6. Egy új, innovatív alakító eljárás – az inkrementális alakítás – alakítási határdiagramjainak meghatározására kidolgozott új próbatest kialakítással elvégzett vizsgálatok alapján bebizonyítottam, hogy az alakítási határdiagram alakja a hagyományos alakítás V-alakú határgörbéjével szemben egy fordított V-alakkal jellemezhető. Az inkrementális alakítással megvalósítható alakváltozási értékek a hagyományos alakításhoz viszonyítva jelentősen nagyobb értékeket eredményeznek, így például síkalakváltozási állapotban (ε2 = 0) három-négyszeres növekedést mutatnak [E-1], [E-2], [E-5], [E-6], [E-7]. 6. NEW SCIENTIFIC RESULTS T1. Analysing the forming limit diagrams of different materials, I have shown that the shape and location of the forming limit diagram basically depend on the quality of the tested material, the thickness of the sheet, the deformation history and the testing conditions [K9],[E-8]. a.

The deformation history (the strain path) has an outstanding role among the parameters affecting the forming limit diagrams. This is the main reason that during the experimental determination of forming limit diagrams, the linear strain path is the most appropriate selection.

b.

In multi-step forming processes, the strain path may be characterized by a broken line. In these cases, the forming limit diagram has to be determined by a testing method approaching the real deformation history as much as possible.

c.

If the deformation history starts with a characteristic stretching route followed by a compressive strain path, the forming limit curve runs under the curve determined by linear strain path. On the contrary, if the deformation starts in the compression zone (ε2 < 0), and then followed by biaxial stretching (ε1 > 0 & ε2 > 0), the forming limit diagram runs above the forming limit diagram determined by linear strain path.

T2. Analysing the effect of the material quality, the state of the matter, and the various material properties on the forming limit diagrams I have concluded the following: [P-3], [K6], [K-9], [E-9]:

8

a.

For materials exhibiting explicit ageing tendency, the forming limit diagram runs at about 10% below the FLC determined in as delivery state.

b.

Based on experimental tests performed on steel and aluminium-sheets, the effect of the rolling direction on the position of the forming limit curve is larger in the ε2 < 0 zone, than in the biaxial stretching zone (ε1 > 0 & ε2 > 0). The difference is significantly higher for aluminium-sheets.

c.

Both the increase of the strain-hardening coefficient (n), and that of the normal anisotropy factor (r) have favourable effect on the position of the forming limit diagram (the forming limit curve is shifted along the ε1 axis towards the larger values of logarithmic strains). The larger value of the r anisotropy factor affects the strain path particularly on the left side of the forming limit diagram.


T3. I have verified by experimental tests of different material qualities (deep-drawing quality steel, aluminium, copper) that the increase of wall thickness has favourable effect on both sides of the forming limit diagram. The effect of the wall thickness on the formability is larger in the biaxial zone (ε1 > 0 & ε2 > 0) [P-3], [K-6], [E-9]. T4. Analysing the effect of the friction with experimental tests and numerical modelling, I have proved that the slope of the point cloud indicating the strain paths increases with the increase of the friction coefficient, consequently, the deformation state causing break occurs earlier [K-9], [E-8]. T5. I have elaborated a new specimen geometry making possible to determine points of forming limit diagram corresponding to several deformation route. It leads to significant reduction of the work- and time necessary for determining the forming limit diagram. Applying a star-shaped specimen, I have verified that the same deformation route may be multiplied with one test, thus increasing the reliability of the determination of the forming limit diagram, without increasing the experimental work- and time needed[E-9]. T6. Applying a new specimen-type for the determination of the forming limit diagram for the incremental forming– as a new, innovative forming method – I have proved that the shape of the forming limit diagram for incremental sheet forming can be characterized by a reverse V-shape instead of the traditional V-shaped forming limit diagram. The available strain values for incremental forming are significantly higher compared to conventional forming. For example, the limit strain in plane strain (i.e. for ε2 = 0) is about threefour times higher in incremental forming [E-1], [E-2], [E-5], [E-6], [E-7].

9


7. AZ EREDMÉNYEK HASZNOSÍTÁSÁNAK ÉS TOVÁBBFEJLESZTÉSÉNEK LEHETŐSÉGEI Az értekezésben ismertetett kutatómunka egy több mint 10 éves időszak kutatási eredményeit összegezte. A kutatás során számos olyan kérdéskör került előtérbe, amelyek már ennek az értekezésnek a keretébe nem illeszthetők, sem az eredeti célkitűzések szem előtt tartásával, sem az időbeli és terjedelmi korlátok figyelembevételével, amelyek azonban még számos további izgalmas és fontos kutatási feladatot jelenthetnek. Bár az értekezésben törekedtem az alakíthatóság témakörének átfogó elemzésére, bemutatására, nyilvánvalóan e témakör hatalmas irodalmának köszönhetően is, ez csak részben, az értekezés szűken vett témaköréhez kapcsolódóan tekinthető többé-kevésbé teljesnek. Az alakíthatóság komplex természetéből következően ezen a területen még a lemezalakítás területén is számos további vizsgálandó, elemezendő terület van és hasonló átfogó elemzés szükségességét fogalmazhatjuk meg a térfogat-alakítás vonatkozásában is. Fontos további elemzendő területnek tekintem az alakítási határdiagramok nagy munka- és időigényű kísérleti meghatározását legalább részben kiváltó olyan elméleti modellek kidolgozását, amelyek a kísérletileg meghatározott alakítási határdiagramokkal az eddigi modelleknél is jobb egyezésre vezetnek. E tekintetben a numerikus modellezés adta lehetőségek fokozott kihasználásával, új károsodási modellek és mechanizmusok elemzésével, kidolgozásával olyan virtuális alakítási határdiagram meghatározási módszerek kifejlesztésére célszerű törekedni, amely a költséges és időt rabló kísérleti munkát minél nagyobb mértékben a korszerű számítástechnikai módszerek alkalmazásával a virtuális laboratóriumi környezetben költséghatékonyabban elvégezhetővé teszi. Ugyanakkor ennek kapcsán sem lehet elégszer hangsúlyozni az elméleti modellek, a virtuális módszerek, valós, üzemi körülmények közötti validálásának szükségességét, megbízhatóságának igazolását. Egy technológiai tárgyú PhD értekezés továbbfejlesztési lehetőségeinek elemzésekor az egyik elsőrendű továbbfejlesztési lehetőség az üzemi-ipari bevezetés, a minél szélesebb körű alkalmazás előkészítése. Azonban e helyen is fontosnak tartom hangsúlyozni, hogy mind az anyagtudományban, mind pedig a technológiákban az elmúlt évtizedekben egy rendkívül dinamikus fejlődésnek lehetünk szemtanúi, amelyek eredményeként számos új, korszerű anyagot és eljárást dolgoztak ki. Az alakíthatóság, az alakítási határdiagramok e területekre való továbbfejlesztését illetően az anyagok terén a különféle nagyszilárdságú acélokra, valamint az egyre szélesebb körben alkalmazásra kerülő nemvas-alapú fémekre és ötvözeteikre gondolok. Technológiai vonatkozásban az alakítási határdiagramoknak a közelmúlt néhány kiemelkedő technológiai fejlesztésére, például a hydroforming, a press-hardening és tailor-welded lemezek alakítására való kiterjesztését tekintem további fontos kutatandó területnek. A további hasznosítást illetően ugyancsak fontos az alakíthatóság témakörében elért eredményeknek az egyetemi oktatásba, a képzés minden szintjén (BSc, MSc, PhD), a képzés szintjének megfelelő mélységű bevezetése, megismertetése.

10


8. SUMMARY Fine sheet metallic plates – as the fundamental materials in sheet metal forming – are widely applied in sheet metal industry. They can be found from tiny micro electronic parts, through household appliances and chemical industry applications, to high-tech industries (automotive industry, aircraft industry, space technology) almost everywhere. The finished products are often processed by complicated series of forming processes. The standard, generally applied material characteristics used in material testing generally are not suitable for the judgment of sheet materials formability. With the development of new materials, there is an ever increasing demand to elaborate more reliable methods and procedures to help justifying the formability. In this field, the significant development achieved in computer numerical modelling provides important information also in this field. This is one of the reasons that I selected as the main objective of my Theses, the theoretical and experimental investigation of sheet metal formability with particular emphasis on the determination of the forming limit diagrams. Within a systematic development plan, an integrated sheet metal formability testing system was installed at the University of Miskolc at the Department of Mechanical Technology by the financial support of national and international research projects. This testing facility includes an electro-hydraulic, computer controlled sheet metal testing machine and an automated optical strain analysis system. This complex testing system makes possible fast and reliable determination of the formability parameters of sheet materials and the determination of forming limit diagrams and forming limit curves (FLD, FLC), as well as the complex analysis of the forming processes. In my Theses, I performed complex and comprehensive theoretical analysis and experimental investigation to determine the effect of different parameters on the forming limit diagrams and the forming limit curves by utilizing the possibilities of this integrated sheet metal testing system described above. The analysis includes a detailed literature survey of sheet formability. Then a large-scale systematic experimental program was performed. On the basis of theoretical analysis and experimental investigations, new scientific results were achieved and new testing methods were elaborated. The elaborated testing process can be applied in the everyday industrial practice for the analysis and solution of formability problems. Though the numerical modelling more and more widely applied in metal forming, it was not my primary aim; however, it is also a very progressive field in the analysis of forming limit diagrams. Therefore, a special section is also devoted to the application of the numerical modelling in the determination of forming limit diagrams and formability parameters. The numerical modelling – particularly finite element simulation – provided also a good chance to justify the experimental results by the methods of numerical modelling, too.

11


9. PUBLIKÁCIÓK AZ ÉRTEKEZÉS TÉMÁJÁBÓL Folyóiratcikk idegen nyelven [P-1] Tisza M., Kovács P. Z.: A complex measuring and evaluations system for the determination of forming limit diagrams, Materials Science Forum, v. 589 (2008) pp. 233238. [P-2] Tisza M., Kovács P. Z., Paniti I. Experimental and numerical study of a milling machine-based dieless incremental sheet formingInt. Journal of Material Forming (2010) v. 3. pp. 971-974. DOI 10.1007/s12289-010-0931-9 [P-3] Tisza M., Kovács P. Z.: New methods for predicting the formability of sheet metals, Journal of Production Processes and Systems, v. 6. (2012) No. 1. pp. 45-54. Folyóiratcikk magyar nyelven [P-4] Tisza M., Kovács P. Z.: Lemez alakíthatósági vizsgálatok optikai alakváltozás méréssel, Gépgyártás, v. 48. (2008) No. 3, pp. 109-113. [P-5] Tisza M., Gál G., Kiss A., Kovács P. Z., Lukács Zs., Sárvári J.: A Miskolci Egyetem Mechanikai Technológiai Tanszéke Képlékenyalakító Szakcsoportjának kutatási tevékenysége a 2001 – 2010 közötti időszakban,Gép, 62. k. (2011) 4. sz. pp. 50-54. [P-6] Tisza M., Kovács P. Z., Lukács Zs., Cserjésné Sutyák Á., Gál G., Kiss A.: Innovatív alakító eljárások – Inkrementális lemezalakítás, Gép, 62. k. (2011) 4. sz. pp. 55-59. Konferenciacikk idegen nyelven [K-1] Kovács P. Z.: Determination of limit diagrams for pipe-products, Gépészet 2004 IV. Országos Gépészeti Konferencia, Budapest, 2004. május 27-28., pp. 633-637. [K-2] Kovács P. Z., Tisza M.: A Complex Measuring and Evaluation System for Determination of Forming Limit Curves in Sheet Metal Forming, IDDRG’07, Győr, 21-23 May 2007. pp. 525-532. [K-3] Kovács P., Tisza M.: Application of Optical Strain Measurement in Sheet Metal Forming, 12th ICT Conference, Miskolc, 6-8. September 2007. p. 263-268. [K-4] Tisza M., Kovács P. Z., Lukács Zs.: Tool making innovations in sheet metal forming, ICTP 2008 Int. Conf., Gyeongju-Korea, 7-11. September 2008. pp. 792-794. [K-5] Tisza M., Gál G., Kovács P. Z., Lukács Zs.: Formability problems of refrigerator panels, MicroCAD 2009, Miskolc, Magyarország, 2009.03.19-2009.03.20. Miskolc: Miskolci Egyetem, 2009. pp. 73-78. [K-6] Tisza M., Kovács P. Z.., Kiss A.:, Modern examinations of sheet metals, ICT 2012 13th International Conference on Tools, Miskolc, Hungary, 2012. március 27-28.pp. 423-428. Konferenciacikk magyar nyelven [K-7] Kovács P. Z., Tisza M.: Komplex mérő- és kiértékelő rendszer lemezalakítási határgörbék meghatározására, MicroCAD 2007, Miskolc, Miskolci Egyetem, 2007. március 22-23., pp. 45-50. [K-8] Kovács P. Z., Tisza M.: Inkrementális lemezalakítás, MicroCAD 2010, Miskolc, Miskolci Egyetem, 2010. március 18-20., pp. 25-30. [K-9] Tisza M., Kiss A., Kovács P. Z.: Lemezanyagok korszerű vizsgálati irányzatai különös tekintettel az autóipari felhasználásra, XIV. Képlékenyalakító Konferencia, Miskolc, 2012.02.16-17., pp. 200-205.

12


Konferenciaelőadás idegen nyelven [E-1] Kuzman K., Tisza M., Petek A., Kovács P. Z.: Investigation of Forming Limit Diagrams for Single Point Incremental Sheet Metal Forming, In: Levy B, van TyneCh. (szerk.) Proceedings of IDDRG 2009, International Conference. Colorado, Egyesült Államok, 2009.06.01-2009.06.03. Colorado: IDDRG, 2009. Paper 14. [E-2] Kuzman K., Tisza M., Petek A., Kovács P. Z.: Determination of forminglimitdiagrams for single point incremental sheet metal forming, IDDRG 2010. 31.05.2010.02.06.2010. Graz, Austria. pp. 461-468. ISBN 978-3-85125-108-1-051 [E-3] Tisza M. – Gál G. – Lukács Zs. – Kovács P. Z.: Effect of various parameters on the wall thickness distribution in multi-step deep-drawing, MicroCAD’2005, Miskolc, 2005. 03. 10-11. [E-4] Tisza M., Kovács P. Z.: Application of AutoGridVarioSystem for the Analysis of Forming Behaviour of a Catalytic Converter House, 5th AutoGrid Forum, Chemnitz, 5th and 6th July 2007. p. 1-8. [E-5] Tisza M., Kovács P. Z., Lukács Zs.: Theoretical and experimental investigations of incremental sheet metal forming, MTEKMR’11 Conf., Miskolc, 18.05.2011. [E-6] Tisza M., Kovács P. Z., Lukács Zs.: New method for the determination of FLD for single point incremental sheet metal forming,XXVI. microCAD International Scientific Conference, Miskolc, Hungary, 2012. március 29-30. Konferencia előadás magyar nyelven [E-7] Kovács P. Z., Tisza, M.: Optikai alakváltozás mérés alkalmazása lemezanyagok alakítási határdiagramjának meghatározására, Országos Anyagtudományi Konferencia, Siófok, 2007. október 14-16. [E-8] Tisza M., Kiss A., Kovács P. Z.: Autókarosszéria gyártásához alkalmazott lemezek újszerű alakíthatósági vizsgálata Vialux-Autogrid optikai mérő-kiértékelő rendszerrel, MicroCAD 2009, Miskolc, Miskolci Egyetem, 2009. március 19-20. [E-9] Tisza M., Kovács P. Z.: Korszerű vizsgálati módszerek lemezanyagok alakíthatóságának elemzésére, MTEKMR Konferencia, Szolnok, 2012. május 10. A TÉZISFÜZETBEN HIVATKOZOTT IRODALOM [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8]

Bragard A., Baret J. C., Bonnarens H.: A simplified technique to determine the FLD attheonset of necking, IDDRG Congress 1972. Amsterdam (1972) October Cayssials F.: A new method for predicting FLC, IDDRG Biennial Congress, Genval, Belgium (1998) pp. 443-454. Cayssials F.: The version of Cayssials’ FLC model, IDDRG Working Group meeting, Birmingham, (1999) pp. 1-7. Col, A.: FLCs: Past, present and future, IDDRG 2002 Conference, Nagoya, Japan, (2002) pp. 107-125. Gál G., Kiss A., Sárvári J., Tisza M.: Képlékeny hidegalakítás, Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest, 2009. J 14-1362. Gensamer M.: Strength and ductility,Transactions of American Society of Materials, v. 36. (1946) pp. 30-60. Galanulis K.: Optical metrology in optimization of sheet metal forming processes, EsaForm 2012, 14-16. March 2012. Erlangen-Nuremberg, Germany. Goodwin G.: Application of strainanalysistosheet metal forming problems in the press shop, Society of Automotive Engineers, No. 680093. (1968) pp. 380-387. 13


[9] [10] [11]

[12] [13] [14] [15] [16] [17]

[18] [19] [20] [21] [22] [23]

[24] [25] [26]

14

Gosh A. K., Hecker S. S.: Stretching limits in sheetmetals: in-planevsout-ofplanedeformation, Metallurgical Transactions, v. 5. (1974) No. 10. Grumbach M., Sanz G.: Influence de quelquesparamétressu les courbes limites d’emboutissage, Revue de Metallurgie, v. 69. (1972) Grumbach M., Sanz G.: Influence des grilles de measure et des trajectories de deformationsur les courbes limites d’emboutissage,IDDRG Congress 1972. Amsterdam (1972) October Hecker S. S.: A simple forming limit curve techniqe and results on aluminium alloys, IDDRG Congress 1972. Amsterdam (1972) October Keeler S. P.: Plastic instability and fracture in sheet stretched over rigid punches, PhD Thesis, Massachusetts Institute of Technology, Boston, MA, 1961. Keeler, S. P., Backofen, W. A.: Plastic instability and fracture in sheet-stretched over rigid punches, Transaction of ASM v. 56. (1963) p. 25-48. Keeler S. P.: Determination of forming limits in automotive stampings, Society of Automotive Engineers, No. 650535. (1965) Keeler S. P.: Rating the Formability of Sheet Metal,MetalProgress, v. 90 (1966), No. 10. pp. 148-153. Kobayashi T., Isgigaki H., Abe T.: Effect of strain ratios on the deforming limit of steelsheet and its application to actual pressforming, IDDRG Congress 1972. Amsterdam (1972) October Marciniak Z., Kuczynski K.: Limit strains in the process of stretchforming of sheet metal, Int. Journal of MechanicalSciences, v. 9. (1967) pp. 609-620. Marron G., Moinier L., Patou P., Celeski J. C.: A new necking criterion for forming limit diagrams, IDDRG Working Group Meetings, Hausegund, Norway (1997) Nakazima K., Kikuma T. Formng limits under balanced biaxial stretching of steelsheets, Tetsu-to-Hagane, v. 53. (1967) No. 4. Nakazima K., Kikuma T., Asuka K.: Study on the formability of steelsheet, Yawata Technical Report, No. 264. (1968) September Swift H. W.:The mechanism of simple drawing operation, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, v. 1. (1952) No. 1. pp. 1-18. Tan Z., Melin L., Magnusson C.: Application of image processing technique in strain measurement in sheet metal forming, Journal of Materials Processing Technology, v. 33. (1991) pp. 229-310. Tisza M.: Képlékenyalakítás, Egyetemi jegyzet, Miskolci Egyetem, Egyetemi Kiadó, Miskolc, 2007. ISBN 963 661 338 9 Vialux Messtechnik & Bildverarbeitung GmbH: Strain Analysis System, AutoGrid Users’ Manual, Chemnitz (2005) pp. 1-60. Yoshida K., Abe K., Miyauchi K., Nakagawa T.: Instabiliy and fracture behaviour in sheet metal forming, IDDRG Biennial Congress, Torino, Italy, (1968)

ALAKÍTÁSI HATÁRDIAGRAMOK

Recommend Documents