Análisis de los esfuerzos generados en los frenos de embutición y desarrollo de un modelo semi-analítico de predicción de los esfuerzos de enclavamiento

Abstract

Embutizio frenoak automobil komponenteen embutizio prozesua kontrolatzeko eta prozesu egokia lortzeko elementu funtsezkoenetariko bat da. Fabrikazio prozesu simulazioaren konputazio denboraren murrizketa beharra dela eta, frenoaren implementazio fisikoa sahiesten duten modelo analitikoak sortzen dira. Hauek freno fisikoa ordezkatzen dituzte sortutako indarrak aurreikusten eta horien bidez pasatzen den txapari aplikatuz. Ordea, trokelgintza industriatik jasotako informazioaren arabera, modelo horien zehaztasun ez da egokia. Nine-k, 1978-an, frenoei zuzendutako lehenengo lana publikatu zuen. Lan hau oso esangurutsua izan zen lan hortan lortutako emaitz esperimentalak, geroztik garatutako modelo analitikoak balioztatzeko erabili zirelako. Hala ere, tesi hontan egiaztatzen da Nine garatutako entsegu esperimentala ez duela ordezkatzen embutizio freno baten itxiera indarra era egoki baten eta beraz emaitz horiekin balioztatutako modeluen zehaztasunak eztabaidagarriak dira. Aurretik azaldutako guztiagaitik, zehaztasun altuz frenoan sortutako indarrak aurreikusten duen modelo semi-analitiko bat garatzea erabakitzen da. Lan honetarako, bi altzairu, DX54D eta DP780, hautatzen dira. Bi altzairu hauen artean automobil komponenteetako embutizio prozesuetan erabilitako altzairu sorta zabala barne hartzen da eta beraien ezaugarri mekaniko garrantzitsuenak eta portaera tribologikoa karakterizatzen da. Baita, embutizio freno adierazgarri baten indarrak modu fidagarri eta zehaztasunez neurtu ahal izateko freno entsegu bat garatzen da. Jasotako esfortzuak simulazio software komerzial baten ezarritako bi modelo analitiko kalkulatzen dituzten esfortzuekin alderatuz, gehiegizko desberdintasunak erakusten dira itxiera indarretan eta diferentzia askoz altuagoak erretentzio indarretan baino. Beraz, trokelgintza industriatik jasotako baieztapenak berretsi dira eta itxiera esfortzuak kalkulatu ahal izateko modelo semi-analitiko bat egitea erabakitzen da. Horretarako, 2D simulazio modelo numerikoa “Plane Strain” egoeran garatzen da itxiera prozesuko analisi sakona egiteko eta beharrezko informazioa jasotzeko. Analisi hontan, itxiera esfortzua azkenengo uneetan handiera nabarmena jasaten duela eta handiera hau aurpegi lauetan kontzentratzen dela behatu da. Txapan sortzen den kixkur moduko forma, azkeen uneetan zapaldu behar da guztiz eta honen ondorioz esfortzuaren handiera aurkitu daiteke. Azterlan honetatik, aurretik aipatutako emaitzen desberditasunak ulertu eta modelo semi-analitikoaren garapenaren oinarriak ezartzen dira. Lan hontan garatutako modelo semi-analitikoa tolesketa hutsa teorian oinarrituta dago eta bere erabilgarritasuna frogatuta dago, lortutako emaitzetan erreparatuz. Simulazio numeriko modeloen emaitzekin alderatuz 5,2%-ko diferentziak lortzen dira eta 6,4%-koak emaitza esperimentalekin. Gainera, garatutako modeloak, herraminta zona ezberdinetako esfortzuen distribuzioa eta itxiera esfortzuaren eboluzioa kalkulatzea ahal izaten du. Emaitz hauek itxiera esfortzua kalkulatzeko ahalmena baieztatzen dute, aldiz, modeloa era egokian funtzionatzeko, txapa geometriaren bilakaera itxiera prozesuaren zehar behar du. Orain arte, txapa geometriaren informazioa simulazio modelo numerikoetatik atera da. Simulazio modelo numerikoen erabiltze beharra sahiesteko, lan honek geometriaren bilakaera iragartzeko gai den modelo baten garapena proposatzen du eta hau lortzeko beharrezkoak diren zereginak definitu dira.

Los frenos de embutición son uno de los elementos fundamentales a la hora de controlar el proceso de embutición de componentes de automóvil y obtener un proceso satisfactorio. Debido a la necesidad de reducir el tiempo computacional de las simulaciones del proceso de embutición, surgen los modelos analíticos que tratan de sustituir la implementación física del freno, prediciendo y aplicando los esfuerzos generados por los frenos a la chapa que pasa por ellos. Sin embargo, según la información recibida por la industria troquelera, la precisión de estos modelos no es la adecuada. El primer trabajo sobre frenos se publicaba en el año 1978 por Nine. Este trabajo fue muy relevante ya que los resultados experimentales que se obtuvieron fueron utilizados para la validación de la mayoría de modelos desarrollados posteriormente. No obstante, en esta tesis se confirma que el ensayo desarrollado por Nine no representaba adecuadamente el esfuerzo de enclavamiento de un freno de embutición y, por tanto, las precisiones observadas por los modelos, que se comparaban con los resultados de Nine, son discutibles. Por todo lo que se ha explicado previamente, se decide desarrollar un modelo semi-analítico capaz de predecir con precisión los esfuerzos de enclavamiento y de retención generados en el freno. Para este trabajo, se seleccionan dos aceros, un DX54D y un DP780, que cubren un amplio rango de los aceros que se utilizan en procesos de embutición de componentes de automóvil y se caracterizan sus aspectos mecánicos más relevantes y el comportamiento tribológico. También se desarrolla un utillaje de frenos que permite obtener los esfuerzos de enclavamiento y retención de una manera fiable y representativa de un freno de embutición industrial. Al comparar estos esfuerzos obtenidos experimentalmente con los valores calculados por los dos únicos modelos que se han implementado en un software de simulación comercial, se observa que las diferencias de los esfuerzos de enclavamiento son excesivas y altamente superiores a las diferencias de los esfuerzos de retención. Por tanto, se confirman las afirmaciones recibidas por la industria troquelera y se decide desarrollar un modelo semi-analítico capaz de predecir los esfuerzos de enclavamiento. Para ello, se realiza un análisis exhaustivo por medio de un modelo de simulación numérica que aporte la información necesaria para comprender el fenómeno de enclavamiento. En este análisis se observa que el esfuerzo de cierre aumenta de manera drástica en las últimas décimas de milímetro previas al cierre completo y que este aumento se localiza sobre las caras planas del macho. Esto se debe a que, se genera un rizo en la chapa que se aplana en los últimos instantes del cierre. De este estudio se entienden las diferencias encontradas entre el modelo de simulación numérica y los resultados experimentales y se sientan las bases para el desarrollo del modelo semi-analítico. El modelo semi-analítico desarrollado en este trabajo, que está basado en la teoría de doblado puro, es una herramienta muy útil para la predicción de los esfuerzos de enclavamiento ya que los resultados muestran diferencias del 5,2% con respecto al modelo de simulación numérica y del 6,4% respecto a los esfuerzos obtenidos experimentalmente. Además, el modelo es capaz de ofrecer la distribución de los esfuerzos sobre las diferentes zonas de las herramientas y la evolución del esfuerzo de cierre. Estos resultados confirman la validez del modelo para el cálculo de los esfuerzos de enclavamiento, sin embargo, el modelo requiere la evolución de las geometrías de la chapa a lo largo del enclavamiento. En este trabajo se plantea una línea de trabajo que finaliza en el desarrollo de un modelo capaz de predecir la evolución de la geometría a lo largo del cierre del freno.

Drawbeads are one of the key elements to control the deep drawing process and to get the required results on the formed part. Due to the necessity to reduce the computational time of the simulations of the deep drawing process, analytical models have been developed. These models try to replace the physical implementation of the drawbead, predicting and applying the efforts generated by the drawbeads to the sheet passing through them. However, according to the information transmitted by the die manufacturing industry, the accuracy of these models is not adequate enough. The first work focused on drawbeads was published in 1978 by Nine. This work was very relevant since, the experimental results that were obtained, were used for the validation of most models developed afterwards. However, in this thesis it is confirmed that the test developed by Nine did not adequately represent the uplift effort of a deep drawing drawbead and, therefore, there is an uncertain in the accuracies observed by the models that were compared with the experimental results presented in that work. For all that has been previously explained, it is decided to develop a semi-analytical model capable of accurately predict the uplift and restriction forces generated by the drawbeads. In this work, a DX54D and a DP780 have been selected. These two steels, which cover a wide range of the steels used for the deep drawing of automotive components, are characterized and Strip Drawing tests have been carried out to obtain the tribological behavior of each material. A drawbead tester that is representative of a deep drawing drawbead is also developed in order to obtain reliable uplift and restriction forces. It can be asserted that the differences between the predictions of the unique two analytical models that are implemented in a commercial simulation software and the experimentally obtained uplift forces are excessive and much higher than the differences in the restriction forces. Therefore, the data obtained from the die manufacturing industry is confirmed and it is decided to develop a semi-analytical model able to predict the uplift forces of the drawbeads. For that objective, first, an exhaustive analysis is carried out by means of a 2D numerical simulation model that provides the necessary information to understand the uplifting phenomenon. In this analysis, it is observed that the closing effort increases drastically in the last tenths of a millimeter prior to the complete closure and that this increment is located on the flat faces of the male tool. This is due to the fact that a curl is generated in the sheet that needs to be flattened in the last moments of the closure. From this study, the differences between the numerical simulation model and the experimental results are understood and the foundation for the subsequent development of the semi-analytical model are established. The semi-analytical model developed in this paper that is based on the pure bending theory is a very useful tool for the prediction of the uplift efforts since the results show differences of around 5.2% with respect to the numerical simulation model and 6.4% compared to the efforts obtained experimentally. In addition, the model is able to offer the distribution of the efforts on the different zones of the tools and the evolution of the closing effort. These results confirm the accuracy of the model for the calculation of the uplift efforts, however, the model requires the evolution of the sheet geometry during the closing. In this work a future line is proposed that ends in the development of a model capable of predicting the evolution of the geometry along the drawbead closure.