Metodă de studiu a comportării plastice a materialelor metalice la ambutisare

Proiectarea şi monitorizarea proceselor de deformare plastică depinde de gradul de cunoaştere a caracteristicilor materialului de prelucrat, condiţiile ce apar la interfaţa dintre sculă şi semifabricat, mecanica deformării plastice, echipamentul tehnologic utilizat şi condiţiile impuse piesei finite. Aceşti factori influenţează alegerea geometriei sculei şi a materialului semifabricatului, precum şi condiţiile de deformare (viteza, temperatura dezvoltată în piesă şi în scule, lubrifierea etc.). Atingerea unor performanţe ridicate şi extinderea aplicabilităţii procedeelor de deformare plastică impun dezvoltarea continuă a cercetărilor din acest domeniu, pentru cunoaşterea şi stăpânirea tuturor factorilor de influenţă.

Îmbunătăţirea înţelegerii comportării materialelor în timpul deformării plastice conduce la îmbunătăţirea proiectării proceselor de deformare. Cercetările din acest domeniu s-au axat pe stăpânirea proceselor de prelucrare tehno-mecanică de obţinere a proprietăţilor finale ale semifabricatelor şi pe dezvoltarea de noi metode de determinare a deformabilităţii materialelor. Indicii de deformabilitate permit estimarea cantitativă a proprietăţilor de rezistenţă ale materialului şi implicit a forţei de deformare necesare. Tehnicile aplicate pentru determinarea acestor indici depind de metoda de deformare urmărită. Dezvoltarea tehnicilor de simulare computerizată cum ar fi cea bazată pe metoda elementului finit conduce şi ea, la stabilirea unei legături vitale între partea de proiectare a tehnologiilor şi echipamentelor de lucru şi partea axată pe cunoaşterea comportării materialului la deformare.

În ultimii ani, s-a constatat dezvoltarea intensivă a programelor de simulare numerică în programe industriale complexe, având ca principal obiectiv, descrierea cât mai precisă a comportării termo-mecanice a materialelor în timpul procedeului de deformare plastică.

Grantul de faţă a propus introducerea unei noi metode de determinare a comportării plastice a materialelor metalice şi aplicarea acestei noi metode în industria românească prin punerea la dispoziţia potenţialilor beneficiari a cunoştinţelor necesare implementării industriale.

Obiectivele de cercetare din cadrul proiectului, raportate la cele mai recente realizări prezentate în literatura de specialitate au fost: elaborarea unei metode noi, moderne, de determinare a comportării plastice a materialelor, evidenţierea domeniilor de aplicabilitate a noii metode, testarea noii metode la procedeul de deformare incrementală cu poanson semisferic şi la procedeele de ambutisare clasice pentru diferite mărci de tablă de ambutisare indigenă şi diseminarea cunoştinţelor acumulate în legătură cu metoda de studiu propusă în vederea implementării în industrie a acesteia.

Analiza inversă constă practic în modelarea geometrică prin metoda elementelor finite a modelului fizic pe care urmează să se realizeze cercetările, şi simularea procesului real de deformare. În paralel cu aceasta modelul fizic este solicitat în condiţii identice cu cele aplicate modelului geometric discretizat măsurându-se anumiţi parametrii de răspuns. Principiul identificării parametrilor care definesc legile de comportare este de determinare a coeficienţilor de comportament care micşorează o funcţie "cost" care exprimă de fapt diferenţa dintre valoarea estimată pe baza simulării numerice şi cea măsurată în cercetarea experimentală.

Grantul a fost derulat pe o perioadă de doi ani, în fiecare an fiind prevăzută câte o fază. Faza destinată primului an a avut titlul „Cercetări teoretice privind analiza inversă aplicată la deformarea tablelor subţiri” şi a cuprins etapele: analiza critică asupra modelelor clasice de legi de comportare ale materialelor ce se prelucrează prin deformare plastică la rece, modelarea matematică prin metoda elementului finit a testului Erichsen şi elaborarea subrutinei de optimizare care permite identificarea parametrilor legii de curgere pentru materialul semifabricatului.

În cadrul primei etape din primul an au fost studiate metodele de determinare şi modelele clasice de legi de comportare. Cea mai larg utilizată metodă intrinsecă de testare a deformabilităţii este încercarea la întindere uniaxială. Forma epruvetei utilizate şi dimensiunile acesteia sunt standardizate. Epruveta este fixată la ambele capete şi deformată la o viteză constantă, pe o maşină de încercare la tracţiune până la rupere. Forţa aplicată este măsurată cu ajutorul unui captor de forţă.

Datele obţinute pot fi reprezentate grafic direct. Totuşi, acestea sunt, în general, convertite în coordonate tensiune - deformaţie.

În plus, pentru determinări ale deformabilităţii, o practică curentă este aceea de a măsura lăţimea epruvetei în timpul încercării. Aceasta este măsurată fie intermitent, prin întreruperea testului, fie continuu, cu ajutorul unui extensometru.

Datorită variaţiei proprietăţilor, în funcţie de direcţia considerată în raport cu direcţia de laminare, deci a anizotropiei, o practică uzuală este ca prelevarea epruvetelor să se facă la 00, 450 şi 900 faţă de direcţia de laminare.

Viteza cu care epruveta este deformată poate avea o influenţă semnificativă asupra rezultatelor finale. Pentru determinarea acestei influenţe se utilizează două metode. Prima metodă presupune încercarea mai multor epruvete identice la viteze de deformare diferite, iar în cazul celei de-a doua metode viteza de deformare, în cadrul aceleaşi încercări, este variată între două valori limită. Aceasta a doua metodă evită variaţiile datorate diferenţelor dintre epruvetele pe care se face determinarea, dar nu poate fi utilizată la viteze foarte mari de deformare.

În urma încercării la tracţiune se determină caracteristicile mecanice ale materialelor şi anume: modulul de elasticitate, limita de curgere, limita de rupere, alungirea la curgere, alungirea la rupere, coeficientul de rezistenţă, modulul de plasticitate, coeficientul de ecruisare, coeficienţii de anizotropie etc. Toate aceste date sunt determinate însă în condiţii de întindere uniaxială, lucru care nu se regăseşte decât în anumite cazuri particulare în practică. Acesta este şi motivul pentru care se doreşte elaborarea unei metode de determinarea a caracteristicilor mecanice care să fie cît mai apropiată de realitatea practică.

Pentru a avea rezultate fiabile şi conforme cu realitatea, trebuiesc cunoscute cât mai precis legile fizice, fenomenele reologice, termice şi tribologice care apar în timpul deformării plastice. În paralel cu dezvoltarea programelor de simulare puternice, s-a remarcat necesitatea elaborării de legi care să descrie cât mai corect comportarea materialului în condiţiile reale de deformare.

Au fost elaborate legi de comportare, care să ţină cont de gradele mari de deformare pe care le suferă materialul, dependenţa de temperatură, vitezele mari de deformare specifice unor procedee etc.

Astfel cele mai importante legi de curgere care aproximează comportarea plastică a materialelor metalice sunt:

- legea liniară (1)

- legea trigonometrică (2)

- legea lui Voce (3)

- legea lui Ludwik (4)

- legea lui Swift (5)

Pe lângă aceste legi clasice au apărut şi legi care ţin cont de influenţa vitezei de deformare asupra curgerii plastice a materialului cum ar fi:

(6)

(7)

În continuare a fost realizată modelarea matematică prin metoda elementului finit a testului Erichsen. Multe operaţii de presare implică deformarea prin întindere a unui contur interior sau exterior al semifabricatului. Abilitatea materialului de a se deforma în aceste condiţii poate fi determinată cu ajutorul încercării de întindere a unui orificiu prelucrat pe epruvetă. Metoda propusă se bazează pe modelarea tridimensională a metodei Erichsen, care este unanim acceptată la nivel mondial pentru determinarea capacităţii de ambutisare a tablelor metalice subţiri. La această metodă epruveta este deformată cu ajutorul unui poanson cu cap semisferic sau a unei bile, măsurându-se înălţimea calotei sferice obţinute la apariţia primei fisuri. Mai recent, au fost dezvoltate metode de încercare care întind epruveta cu ajutorul unui poanson semisferic de dimensiuni mult mai mari, epruvetele fiind de diferite lăţimi pentru a controla starea de tensiune la rupere. Deformabilitatea materialului este indicată prin creşterea de diametru a orificiului fără ca să apară fisuri pe conturul orificiului. Încercarea Erichsen, larg utilizată, mai ales în Europa, utilizează o bilă de oţel cu diametrul de 20 mm şi o placă activă cu diametrul de 27 mm şi raza de racordare de 0,75 mm (figura 1). Ca indicator al deformabilităţii, se utilizează înălţimea calotei sferice în momentul ruperii epruvetei. Criteriul preferat, de determinare a momentului în care se fac măsurările, este momentul apariţiei forţei maxime. În condiţiile în care momentul apariţiei forţei maxime nu poate fi determinat se poate utiliza momentul apariţiei primei gâtuiri vizibile pe epruveta deformată. Aceste încercări, ca indicatori ai deformabilităţii, trebuie corelate cu valoarea coeficientului de ecruisare. O lubrifiere corespunzătoare poate fi asigurată utilizând o folie de polietilenă unsă cu ulei, situată între epruvetă şi penetrator.