Información Tecnológica-Vol. 17 N°5-2006, pág.: 51-54

INGENIERIA MECANICA

Geometrías de Referencia Experimental en Procesos de Conformación Plástica de Chapas y su Modelación Numérica

Experimental Reference Geometries and Numerical Modeling in Sheet Metal Forming Processes

Abel D. Santos (1) y Pedro Teixeira (2)
(1) Universidade do Porto, Faculdade de Engenharia, R. Dr. Roberto Frias s/n, 4200-110 Porto-Portugal (e-mail: abel@fe.up.pt)
(2) INEGI-Instituto de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial, R. do Barroco Nº 174, 4465-591 Leça do Balio-Portugal (e-mail: pteixeira@inegi.up.pt)

Resumen

Este artículo presenta geometrías de referencia experimentales para ser usadas en procesos de estampado de chapas metálicas. Cada geometría de referencia pretende modelar un comportamiento típico de piezas de chapa metálica. Se han comparado los resultados de este trabajo con otros presentados en la literatura. También se discuten los aspectos relacionados con la reproducibilidad y fiabilidad de esos resultados. El resbalamiento sobre el punzón y la velocidad de la prensa son dos variables que tienen un efecto importante en esta reproducibilidad. Finalmente se presentan simulaciones numéricas de una de las geometrías de referencia presentadas usando elementos finitos. Los  resultados se comparan con valores experimentales y se muestra que hay una buena correlación entre ellos.

Palabras claves: geometrías de referencia, modelado, elementos finitos, estampado de chapas

Abstract

This paper presents experimental reference geometries to be used in sheet metal forming. Each reference geometry attempts to model the  typical behavior of pieces of sheet metal. The results of this study were compared with  data obtained from the literature. Discussion is also presented on aspects related to the reproducibility and reliability of the results.  Sliding  of the blank over the punch, and the press ram speed are important in this reproducibility. Finally, numerical simulations are presented for one of the reference geometries presented, using finite elements. The results are compared with experimental results, demonstrating  good correlation between them.

Keywords: reference geometries, numerical modeling, finite elements, sheet metal forming

INTRODUCCION

La validación de los resultados de la modelación numérica necesita de resultados experimentales con la mayor fiabilidad posible. Tal fiabilidad es uno de los puntos esenciales de la experimentación, dado que actualmente con la modelación numérica por elementos finitos se obtiene una buena cualidad de los resultados. Una posibilidad de obtener ese rigor y fiabilidad es seleccionar un modelo de ‘geometría de referencia’, definir un procedimiento estándar para la realización de los ensayos experimentales, usar un método correcto de mediación de los resultados y realizar los ensayos experimentales en diferentes instituciones. Este método se ha usado varias veces, por ejemplo, en conferencias NUMISHEET. Aún si no siempre los resultados experimentales presentan la reproducibilidad deseada. Esto es especialmente crítico porque los resultados numéricos necesitan de ser validados.

El trabajo presentado en este artículo hace parte de las tareas de un proyecto de investigación (Col 2002). Uno de sus principales objetivos es la mejora de las capacidades de los programas de simulación numérica en la predicción de los defectos de componentes obtenidos por estampado de chapas metálicas.

Para tal propósito, una fuerte componente experimental se ha definido para probar y validar resultados numéricos. Se han seleccionado siete ‘geometrías de referencia’, cada una con una tendencia para la obtención de un comportamiento o defecto típico de las piezas de chapa metálica. En este proyecto se tubo un cuidado especial en la caracterización de los materiales y en la definición y aplicación de los procedimientos realizados en los ensayos experimentales (Santos, 2002) y se han usado dos tipos de materiales: aluminio y acero.

GEOMETRIA DE REFERENCIA

En la figura 1 se presenta una de las ‘geometrías de referencia’ seleccionadas en el proyecto de investigación. Esta geometría, que designaremos por ‘rail’, tiene tendencia para una recuperación elástica CD y será la geometría a ser discutida en este artículo.

Fig. 1: Geometría de referencia experimental

CONDICIONES EXPERIMENTALES

Para la realización de los ensayos experimentales se consideraron todas las variables que pueden influenciar en los resultados, para las cuales se definieran y se estandarizaron todos los procedimientos. Así, las diversas herramientas usadas han sido fabricadas por la misma institución; se han obtenido chapas metálicas del mismo productor y del mismo lote de producción; el lubricante para el aluminio y el acero ha sido definido así como su cantidad y método de aplicación; la fuerza del pisador a usar se ha estandardizado; y la identificación de las partes obtenidas y su método del almacenamiento han sido especificadas. La definición de las condiciones experimentales ha producido un documento de 23 páginas [Teixeira 2005].

RESULTADOS EXPERIMENTALES

Según las condiciones experimentales definidas, se esperaba una buena reproducibilidad de los resultados entre las diferentes instituciones. Mas en algunos de los resultados, las dichas expectativas no se llegaran a cumplirse. En general, corresponden a resultados obtenidos con el aluminio y especialmente para la geometría ‘rail’. El ejemplo más evidente se muestra en figura 2.

Fig. 2: Perfil experimental (Al5182-O, F. Pisador=90kN)

En la figura 2, están representados 20 perfiles correspondientes a 4 instituciones que han realizado los experimentos según las condiciones experimentales definidas. Como se puede ver en la figura hay alguna dispersión entre los resultados para las diversas instituciones, que nos llevaran a realizar estudios adicionales para explicar tal variación.

Dispersión por resbalamiento sobre el punzón

Uno de los estudios realizados ha sido la variación de la cantidad de lubricante en las chapas y su influencia en la geometría obtenida. La figura 3 presenta los resultados obtenidos para el aluminio 6016-T4 con 2 cantidades diferentes de lubricante (1.5 y 2.5 g/m^2/lado). Puede verse una gran variabilidad en los perfiles obtenidos.

Fig. 3: Estudio de lubricación (Al6016-T4, F.Pisador=90kN)

Un análisis más detallado de estos resultados ha mostrado que sin variar la cantidad de lubricante la dispersión continuaba, figura 4.

Fig. 4: Estudio de lubricación (Al6016-T4, F.Pisador=90kN, lubricante=1.5g/m^2/lado)

Se han medido la longitud de los rebordes e se verificó que la longitud no siempre era la misma. Los componentes con la misma longitud de los rebordes en ambos lados presentan una recuperación elástica mayor y su lado izquierdo y derecho son casi simétricos. En componentes con diferentes longitudes derecha e izquierda, la longitud del reborde mayor tiene una recuperación elástica similar a los componentes simétricos, mientras que el reborde más pequeño lleva a una recuperación elástica más pequeña. Teniendo en cuenta esta observación, se puede concluir que esa dispersión podría ser debida al resbalamiento de la chapa sobre el punzón.

Para confirmar la dispersión de los resultados debido al “resbalamiento de la chapa sobre el punzón" han sido realizados experimentos adicionales con chapas fijas en el punzón o libres. Como se observa en la figura 5, una buena reproducibilidad de resultados puede lograrse cuando la chapa es fijada al punzón, así evitando cualquier resbalamiento entre la chapa y el punzón.

Fig. 5: Resbalamiento de la chapa sobre el punzón (Al5182-O, F.Pisador=90kN)

Influencia de la velocidad de la prensa

Las razones presentadas en la sección anterior para explicar la dispersión de resultados no nos permiten justificar todas las variaciones de resultados existentes, sobre todo variaciones observadas al comparar resultados de instituciones diferentes. Se ha realizado un estudio adicional considerando una variable que puede explicar tales variaciones: la velocidad de la prensa. Han sido realizados diversos experimentos con 3 velocidades diferentes: 6, 10 e 35 mm/s. Esta variación de la velocidad de la prensa puede tener influencia en la fuerza del punzón y influir en el perfil final de la geometría del componente (Col 2005, Roll 2005). En los resultados de menor reproducibilidad presentados inicialmente en figura 2, una de las instituciones ha usado una velocidad más baja (aproximadamente 10mm/s) para esos experimentos. Cuando la velocidad usada es de 35mm/s (velocidad definida en las condiciones experimentales), los resultados están más cerca de aquéllos obtenidos por las otras dos instituciones (Figura 6).

Fig. 6: Buena reproducibilidad con la alteración de la velocidad de la prensa (Al5182-O, F.Pisador=90kN)

MODELACION NUMERICA

Se ha formulado un modelo numérico de los ensayos experimentales. Se ha seleccionado la geometría del ‘rail’ y se ha usado un aluminio: Al5182-O. Los cálculos han sido realizados usando una formulación explícita (ABAQUS/ Explicit).

Condiciones numéricas: Lo material seleccionado fuera tratado como un material elástico-plástico con anisotropía descripta por el criterio de Hill’48. La chapa ha sido modelada utilizando elementos de casca de integración reducida. Las herramientas han sido modeladas con elementos rígidos de 3 nodos. El roce es constante y definido por coeficientes determinados experimentalmente. La recuperación elástica ha sido modelada por ABAQUS/Standard.

Comparación de resultados: La figura 7 presenta las formas experimental y numérica obtenidas para el ‘rail’.

Fig. 7: Formas experimental y numérica obtenidas (Al5182-O, F.Pisador=90kN)

Los resultados muestran que las condiciones numéricas aplicadas en el estampado y en el cálculo implícito de la recuperación elástica, han permitido una correcta modelación del proceso, existiendo una proximidad entre los perfiles experimentales y numéricos, figura 8.

Fig. 8: Perfil experimental e numérico (Al5182-O, F.Pisador=90kN)

CONCLUSIONES

La reproducibilidad de los resultados experimentales es un aspecto fundamental para la validación de los resultados numéricos. La obtención de esta reproducibilidad puede presentar algunas dificultades, en especial para algunas geometrías y algunos materiales de la chapa. En el caso de algunos pares geometría/material pueden ser necesarios mayores requisitos de exigencias en las condiciones experimentales. Tales condiciones pueden incluir una estandarización no sólo de las herramientas sino también de la prensa a usar.

Además de los resultados experimentales, en este artículo se presentan también resultados obtenidos por simulación numérica. Estos resultados obtenidos muestran una misma tendencia que los resultados experimentales. Lo que indica una buena caracterización del material y de las condiciones del proceso, siendo de destacar la buena capacidad de previsión relativamente a la recuperación elástica del componente.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen el apoyo financiero de la FCT (Fundação Ciência e Tecnologia) y de la Comunidad Europea (IMS/3DS). Además agradecemos la traducción gentilmente realizada por Concepción Vázquez.

REFERENCIAS

Col, A., “Presentation of the 3DS Research Project”, NUMISHEET’02 Conference, Korea (2002)

Col, A. y A.D. Santos, ”Influence of stamping rate upon springback”, NUMISHEET’05 Conference, USA (2005)

Roll, K., T. Lemke y K. Wiegand, “Possibilities and strategies in simulations and compensation for springback”, NUMISHEET’05 Conference, USA (2005)

Santos, A. D. y otros siete autores, “Towards standard benchmarks and reference data for validation and improvement of numerical simulation in sheet metal forming”, J. Mat. Proc. Tech., 125-126, 798-805 (2002)

Teixeira, P., “Benchmarks experimentais e modelação numérica por elementos finitos de processos de conformação plástica”, M.Sc. Thesis, Universidad de Porto, Portugal (2005)

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