Anyagmérnöki Tudományok, 39/1 (2016) pp. 100–106.
NAGYSZILÁRDSÁGÚ LEMEZEK VISSZARUGÓZÁSÁNAK VIZSGÁLATA INVESTIGATION OF SPRINGBACK OF HIGH STRENGTH STEELS LUKÁCS ZSOLT1–GÁL GASZTON1–TISZA MIKLÓS1 Dolgozatunkban alapvetően a nagyszilárdságú DP acélok visszarugózásának numerikus és kísérleti vizsgálatával foglalkozunk. A visszarugózás minél pontosabb meghatározása a megfelelő minőségű szerszámtervezés kulcsfeladata. Napjainkban számos célorientált végeselemes alkalmazást fejlesztettek ki erre a célterületre. Megvizsgáltuk, hogy ezen VEM alkalmazások milyen bemeneti anyagparamétereket használnak a visszarugózás leírására és ezeket milyen anyagvizsgálati módszerek segítségével lehet meghatározni. Az elemzés eredményeként egy új kialakítású lemezsorral megtámasztott ciklikus húzó-nyomó készüléket fejlesztettünk ki. Az új készülék segítségével meghatároztuk a DP600, DP800 és DP1000 acélminőségeken a visszarugózást meghatározó anyagparamétereket. A mérések eredményei tekintetében eltérést találtunk az AutoForm programrendszerben alkalmazott és a méréssel meghatározott bemeneti paraméterek értékei között. Numerikus szimulációval bemutattuk, hogy ezen eltérések milyen geometriai eltéréseket jelentenek a visszarugózás mértékének megítélésében. Kulcsszavak: DP acélok visszarugózása, AutoForm-modell anyagparaméterei, ciklikus húzó-nyomó vizsgálatok The publication deals with the topic of numerical and experimental investigation of springback of high strength dual-phase steels widely applied in the automotive industry. In the industrial practice an accurate determination of the springback in the tool design is a key task. Nowadays, a number of activities have been supported by FEM packages developed for this target area. We stated and summarized what kind of material parameters are required for each material models used by FEM packages. We examined what material test methods should be used to determine all the material parameters. As a result, a set of considerations were determined for the design of a new two rows of comb-shaped plate experimental measuring device. We determined those material parameters that are suitable for describing springback on DP600, DP800 and DP1000 steels. As a result of the measurement we have found a difference between the input parameters resulted by our measure-ment and the AutoForm parameters concerning the steel grades examined. Keywords: springback of DP Steels, material parameter of AF-model, cyclic TCT test
BEVEZETÉS Az autóiparral szemben támasztott fokozott követelmények (környezetvédelmi előírások, jogi előírások, fogyasztói elvárások) számos új lemezanyag kifejlesztéséhez vezettek az elmúlt évtizedekben [1]. Ezen anyagok alakítási viselkedése jelentősen eltér a hagyományosnak mondott lemezanyagokhoz képest. Ez az eltérés talán legszemléletesebben az 1. ábrán mutatható be, ahol egy viszonylag jól alakítható lemezanyag és egy nagyszilárdságú lemezanyag azonos alakítás utáni visszarugózása látható.
1
Miskolci Egyetem, Anyagszerkezettani és Anyagtechnológiai Intézet 3515 Miskolc Egyetemváros
[email protected]
Nagyszilárdságú lemezek visszarugózásának vizsgálata
101
1. ábra. DC04 és DP600 acélminőségek visszarugózásának összehasonlítása A visszarugózás szoros kapcsolatban van az ún. Bauschinger-hatással [2]. A Bauschinger-hatást talán az egytengelyű húzó-nyomó igénybevételnek alávetett lemez szakító próbatest feszültség–alakváltozás hiszterézis görbéjének felvételével mutatható be (2. ábra).
2. ábra. Lemez szakító próbatest feszültség–alakváltozási hiszterézise Az ábrán jól látható, hogy húzó igénybevétel hatására a folyási határ elérésekor megindul a képlékeny alakváltozás, és a nem lineáris keményedésnek megfelelően a bevitt alakváltozás függvényében a feszültség növekszik. Ehhez meghatározott alakváltozás elérésekor h0 feszültség tartozik. Az alakváltozási érték nyomó igénybevétel tartományában történő növelésekor ellenben az ellentétes értelemben vett ún. izotróp keményedésnek megfelelő h0 feszültséghez képest egy kisebb feszültség értéknél elindul az ellentétes irányban vett maradó alakváltozás, és egy kezdeti stagnálás után megindul a nem lineáris keményedés. A jelenség leírása az ún. izotróp-kinematikusan keményedő anyagmodellekkel lehetséges. Ezek közül mi a lemezalakítási folyamatok területén az egyik piacvezető alkalmazásban integrált, ún. AutoForm anyagmodell bemeneti anyagparamétereinek változását vizsgáljuk a
102
Lukács Zsolt–Gál Gaszton–Tisza Miklós
nagyszilárdságú Dual Phase acélok tekintetében [3]. A vizsgálatot az a tény alapozta meg, hogy az AutoForm anyagadatbázisában található anyagparaméterek viszonylag széles anyagminőség tartományban azonosak. Ezért kérdésként merült fel, hogy lehet-e azonos anyagparaméterrel kezelni különböző szövetszerkezettel rendelkező anyagokat. A méréseink során azt vizsgáltuk, hogy a DP600, DP800 és DP1000 anyagminőségek tekintetében ezek az anyagparaméterek azonosak-e, és ha nem, akkor az eltérésük során milyen hatással vannak az anyagparaméterek nem megfelelő értékei a visszarugózott geometriára.
1. ANYAGPARAMÉTEREK MEGHATÁROZÁSÁNAK LEHETŐSÉGEI Az izotróp-kinematikusan keményedő anyagmodellek anyagparamétereinek meghatározására irányuló mérésekkel számos kutató foglalkozott [4], [5], [6]. A különböző módszerek előnyeit és hátrányait az 1. táblázatban foglaltuk össze [7]. 1. táblázat Anyagparaméterek mérési módszerei Ciklikus csavaró vizsgálatok Ciklikus hajlító vizsgálatok Ciklikus nyíró vizsgálatok
Ciklikus húzó nyomó vizsgálatok
Viszonylag egyszerű mérőkészülékben megoldható Egyszerű geometriai kialakítású próbatest Alakváltozás–feszültségeloszlás a lemezvastagság mentén nem egyenletes Csak bonyolult matematikai összefüggésekkel terjeszthető ki általános feszültségállapotra Alakváltozás mérésére mérőbélyeget használnak Alakváltozás–feszültségeloszlás a lemezvastagság mentén egyenletesnek tekinthető Egyszerű összefüggésekkel kiterjeszthető általános feszültség állapotra Alakváltozás- és feszültségmérés hagyományos mérőeszközökkel megoldható Nyomó igénybevétel hatására a próbatest kihajlik, megtámasztás szükséges
A táblázat alapján kijelenthető, hogy a mérés kivitelezése szempontjából napjainkban a ciklikus húzó-nyomó vizsgálatok terjedtek el, még azzal a nem elhanyagolható hátrányukkal is, hogy a próbatest kihajlását a nyomó igénybevételi zónában, meg kell akadályozni. Ennek megoldására különböző kutatók munkája során számtalan módszer született [6], [8], [9], [10]. Ezek mindegyikének a célja, hogy a megtámasztás komplex igénybevételét olyan mértékben elégítse ki, hogy a mérést és ezzel a paraméterek meghatározását a lehető legkisebb mértékben befolyásolja. Mivel vizsgálatainkat a nagyszilárdságú DP600, DP800 és DP1000 acélok AF-modellhez szükséges anyagparamétereinek meghatározására terjesztjük ki, szükséges volt egy mérőkészülék kifejlesztése, ami ötvözi az előzőekben tárgyalt ciklikus húzó-nyomó elven megvalósított mérőkészülékek előnyeit és kiküszöböli azok esetleges hátrányait. Ennek megoldására a 3. ábrán látható lemezsorral megtámasztott ciklikus húzó-nyomó készüléket terveztük és állítottuk elő. A készülék egy kétoszlopos átlós megvezetésű szerszámházban (1) került kialakításra, ahol a (2) és (3) befogófejek biztosítják a hagyományos kialakítású lemez próbatest egytengelyű befogását. Ebben található a megtámasztó egység (4), amit részletesen mutat
Nagyszilárdságú lemezek visszarugózásának vizsgálata
103
a 3. ábra jobb oldala. Az így kialakított mérőkészülék nagy előnye, hogy folyamatosan biztosítja a próbatest megtámasztását a teljes alakváltozási ciklus során. A megtámasztás súrlódásmentesnek tekinthető, mivel a lemezek a megfelelő előfeszítő erő hatására rugalmas alakváltozásuknál csúszásmentesen folyamatosan támasztják a próbatestet. Hátrányként említendő, hogy a megfelelő megtámasztást biztosító támasztóerő meghatározására nagy figyelmet kell fordítani, mivel a túl nagyra választott támasztóerő hátrányosan befolyásolja a mérés során az egytengelyű feszültségállapotot.
3. ábra. Lemezsorral megtámasztott húzó – nyomó mérőkészülék
2. A MÉRÉS KIVITELEZÉSE Az anyagparaméterek az előzetesen bevitt alakváltozás mértékétől nem függetlenek, ezért a mérést úgy kell kivitelezni, hogy az adott anyagra jellemző egyenletes alakváltozási tartományban lehetőleg több tehermentesítő és nyomó igénybevételi szakaszunk is legyen. Ennek egyik módja látható a 4. ábra bal oldali részén, ahol az egyes feszültség–alakváltozási hiszterézisek origó középpontúak, és az alakváltozási tartományban folyamatosan tágulnak. Ennek az szab határt, hogy egy kritikus alakváltozási mértéknél 0.05 a nyomó igénybevételi tartományban a megtámasztást biztosító lemezsor olyan mértékben gátolja a lemezvastagság növekedést, hogy többtengelyű feszültségállapot alakul ki, ezáltal a kiértékelés matematikai összefüggései nem lesznek érvényesek. A fent tárgyalt probléma egy lehetséges megoldása, ha a feszültség–alakváltozási hiszterézis nagyságát olyanra választjuk, ahol még nem jelenjen meg a nyomó igénybevételi részen a megtámasztó lemezsor a próbatest vastagság növekedését gátló hatása. Ez az előzetes mérési eredmények elemzése során 0.02 tartományba garantálható. Az előzetes vizsgálatok során az is megállapítható volt, hogy az egyes acélminőségek kontrakcióig elviselt alakváltozási tartománya ennél az értéknél minden esetben nagyobb max max . Ez az ellentmondás feloldható úgy, ha különböző max DP600 0.12, DP800 0.08, DP1000 0.08 előalakítási mértékű próbatesteket alkalmazunk, így a hiszterézis hurok alakváltozási mértékét tartva, de a középpontjukat az előalakítás mértékével eltolva lefedhető a kívánt alakváltozási tartomány. Ez látható a 4. ábra jobb oldali részén.
104
Lukács Zsolt–Gál Gaszton–Tisza Miklós
4. ábra. A kívánt alakváltozási tartomány kivitelezése előalakított próbatestekkel
3. A MÉRÉS KIÉRTÉKELÉSE A mérés kiértékelését a 2. ábrán feltüntetett r r koordináta-rendszerben a tehermentesítési és nyomó igénybevételi görbére, az alábbi matematikai alakban felírható
r rl rn
r r K arctanh 2 2 p El p h
2
(1)
része a tehermentesítési szakaszon a kezdeti rugalmassági modulus csökkenéséhez vezet.
5. ábra. Anyagparaméterek meghatározása A tehermentesítési szakasz megfelelő mértékű linearizálásával (5. ábra bal oldali részlete) az E l pillanatnyi rugalmassági modulus meghatározható. Ennek ismeretében az izotróp-
Nagyszilárdságú lemezek visszarugózásának vizsgálata
105
kinematikusan keményedő AutoForm programrendszerbe integrált anyagmodell a rugalmassági modulus csökkenésével összefüggésbe hozható anyagparaméterek , meghatározhatóak az
El E0 1 1 ep
(2)
egyenlet segítségével [9]. A K anyagparaméter az ún. átmeneti lágyulási szakasz mértékével van arányban, ahogy az az 5. ábra jobb oldali részén látható. Ennek meghatározására a teljes tehermentesítési és nyomó igénybevételi szakaszra mind a lineáris, mind a nem lineáris tagok felhasználásával a fenti matematikai összefüggésnek megfelelő görbét fektetjük. Így ebből a legjobb közelítéshez tartozó K paraméter meghatározható. Az egyes acélminőségekre meghatározott anyagparamétereket az AF-modellel összevetésben mutatja a 2. táblázat. 2. táblázat Anyagparaméterek összevetése
K
AF- modell 0,013 40 0,014
DP600 0,123 37 0,012
DP800 0,113 46 0,014
DP1000 0,094 57 0,014
4. ANYAGPARAMÉTEREK ÉRZÉKENYSÉGI VIZSGÁLATA Az anyagparaméterek egyes acélminőségekre történő meghatározása után vizsgáljuk meg, hogy az AutoForm anyagadatbázisa által használt anyagparaméterek és a mérés során meghatározott anyagparaméterek közötti eltérés milyen mértékben befolyásolja a visszarugózott geometriai méreteket. Ennek összevetésére egy Benchmark-test numerikus modellezését végeztük el az AutoForm programrendszerben [11]. A numerikus modellezés eredményét a 6. ábrán szemléltetjük.
6. ábra. Numerikus modellezési eredmények Az ábrán jól látható, hogy az eredmények tekintetében a legrelevánsabb anyagparaméter a , aminek viszonylag kis változása is jelentős eltéréseket generál a visszarugózás után. Összegzésként kijelenthető, hogy a nagyszilárdságú acélok tekintetében az azonos anyagparaméterekkel történő figyelembevétele okozhat nem elhanyagolható eltéréseket.
106
Lukács Zsolt–Gál Gaszton–Tisza Miklós
Ezért ajánlott az egyes acélminőségekre jellemző anyagparaméterek meghatározása, amire dolgozatunkban egy lehetséges módszert és mérőkészüléket mutattunk be.
KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS Az ismertetett kutatómunka a TÁMOP-4.2.1.B-10/2/KONV-2010-0001 és a TÁMOP4.2.2/A-11/1-KONV-2012-0029 projekt eredményeire alapozva a TÁMOP-4.1.1.C12/1/KONV-2012-0002: „Járműipari felsőoktatási és kutatási együttműködés projekt részeként a Magyar Állam és az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg.”
IRODALOMJEGYZÉK [1] TISZA, M.: Developments in Sheet Metal Forming for the Automotive Industry. Proc. of ICME, Bratislava, 29. Nov. 2007. 171–178. [2] BANABIC, D.–BUNGE, J.–PÖHLANDT, K.–TEKKAYA, E.: Formability of Metallic Materials. Springer, Berlin–Heidelberg–New York, 2000, 1–334. [3] KUBLI, W.–KRASOVSKYY, A.–SESTER, M.: Advanced modelling of reverse loading effect for sheet metal forming processes. In: HORA, P. (ed.): Proceedings of the 7th International Conference and Workshop on Numerical Simulation of 3D Sheet Metal Forming Processes, NUMISHEET. Interlaken, Switzerland, 2008, 479–484. [4] YOSHIDA, F.–URABE, M.–TOROPOV, V. V.: Identification of material parameters in constitutive modell for sheet metals from cyclic bending test. Int. Mech Sci., 1998, Vol. 40, No 2–3, 237–249. [5] MERKLEIN, M.–BIASUTTI, M.: Forward and reverse simple shear test experiments for material modeling in forming simulations. In: HIRT, G.–TEKKAYA, A. E. (eds.): International Conference on Technology of Plasticity, Aachen. 2011, 702–707. [6] CAO, J.–LEE, W.–CHENG, H.S.–SENIW, M.–WANG, H. P.–CHUNG, K.: Experimental and numerical investigation of combined isotropic-kinematic hardening behavior of sheet metal. Int. J. of Plasticity, 25 (2009), 942–972. [7] LUKÁCS Zs.: Nagyszilárdságú acélok visszarugózásának modellezése és kísérleti vizsgálata. Doktori értekezés 2014, 1–115. [8] BOGER, R. K.–WAGONER, R. H.–BARLAT, F.–LEE, M. G.–CHUNG, K.: Continuous, large strain, tension/compression testing of sheet material. Int. J. of Plasticity, 21. (2005), 2319–2343. [9] YOSHIDA, F.–UEMORI, T.–FUJIWARA, K.: Elastic-plastic behavior of steel sheets under in-plane cyclic tension-compression at large strain. Int. J. of Plasticity, 18. (2002), 633– 659. [10] EGGERTSEN, P. A.–MATTIASSON, K.: On the identification of kinematic hardening material parameters for accurate springback predictions. Int. J. of Material Forming, Vol. 4, (2011), 103–120. [11] MAKINOUCHI, E.–NAKAMACHI, E.–ONATE, R. K.–WAGONER R. H.: Simulation of the 2D Draw Bending Process, Numisheet Benchmark. Proceedings of the 2th International Conference NUMISHEET’93, Tokyo.
