Simulace stříhání a děrování programem FORGE

FORGE je výpočetní systém založený na metodě konečných prvků a určený k simulaci objemového tváření železných i neželezných kovů (slitin hliníku, mědi, titanu a niklu) za tepla i za studena. Uživateli nabízí jak 2D (osově nebo plošně symetrické úlohy) tak i 3D přístup a významným způsobem přispívá k poznání a pochopení dějů, jejich virtuální kontrole a optimalizaci. FORGE využívá tepelně-viskoplastický model k popisu procesů za tepla a tepelně-elasto-plastický pro zjištění reziduálních napětí a geometrických parametrů výkovku při tváření za studena a za polotepla. Kombinovaný tepelně-elastický výpočet umožňuje na základě analýzy tváření výkovku provést predikci teplot a napětí a výsledných elastických deformací na nástrojích. Společnost MECAS ESI disponuje bezmála dvacetiletými zkušenostmi se simulačním systémem FORGE od francouzské společnosti TRANSVALOR a v současnosti je jeho výhradním zástupcem pro střední a východní Evropu. TRANSVALOR jako součást skupiny ARMINES byla založena v roce 1984 za účelem předávání výsledků výzkumného a vývojového centra Ecole des Mines do průmyslu. V roce 2008 se podařilo prosadit změnu cenové politiky společnosti TRANSVALOR pro střední a východní Evropu, a výhody systému FORGE tak nyní mohou využívat mnohé naše významné výrobní a technologické společnosti, jako jsou Kovárna VIVA, Broch Adler, Strojmetal, Materiálový a metalurgický výzkum, ZVU Ko várna, VŠB Ostrava, Šmeral Brno nebo ČVUT Praha. K hlavním výhodám simulačního systému FORGE patří možnost přesného určení zaplnění dutiny nástroje, spolehlivá identifikace přeložek a trhlin, zahrnutí analýzy deformace zápustek, rozsáhlá materiálová databáze či krátký výpočetní čas dosažený využitím paralelní architektury procesorů. FORGE nabízí vyspělý optimalizační modul pro úlohy optimalizace předkovku při zachování požadovaných vlastností výkovku, optimalizaci tvaru nástroje i procesních parametrů. Stejně jako ostatní partneři společnosti MECAS ESI se i uživatelé softwaru FORGE mohou opřít o tradičně kvalitní technickou podporu. Numerické nástroje dnes umožňují popsat celou řadu fyzikálních procesů, v technické praxi se však simulace obvykle omezují jen na některé kroky výrobního procesu, zatímco ostatní jsou opomíjeny z důvodů nákladnosti a neefektivity jejich modelování, neznalosti nebo nedokonalosti simulačního softwaru nebo prostě proto, že je daný krok považován za zvládnutý. Takovým opomíjeným procesem bývá např. děrování, resp. stříhání. Úspěšný a realistický model děrování zahrnuje také všechny předcházející kovací operace včetně chladnutí mezi nimi. Simulační software musí být schopen vedle napětí a deformací pro určení střižných sil a zatížení nástrojů především popsat oddělování materiálu v oblasti plastického střihu a lomu. Tomu totiž odpovídají deformační a napěťové stavy, které jsou v obvyklých úlohách objemového tváření vyhodnocovány pouze kvalitativně z hlediska porušení, simulace střihání a děrování však navíc požaduje jejich kvantitativně správný popis. Na jeho přesnosti závisí schopnost identifikace vzniku a tvaru plastického střihu, lomu, odtržení, otřepu apod. Systém FORGE disponuje velmi účinnou funkcí adaptivního přesíťování podpořenou možností dynamické definice oblasti se zjemněním sítě. To umožňuje s dostatečnou přesností popsat napětí a deformace ve střižné rovině. V oblasti plastického střihu se zvyšuje smykové napětí nad mez kluzu a na konci této fáze dosahuje napětí meze pevnosti ve smyku _m. Prostorová objemová síť zde prochází výrazným smykovým přetvořením, přičemž dochází k přesíťování – to je nezbytné z numerického hlediska, neboť nevhodný tvar elementů negativně ovlivňuje vlastnosti a stabilitu výpočtu a numericky jej „prodražuje“, a zároveň popisuje oddělování materiá lu v oblasti plastického střihu. V oblasti lomu nebo při vzniku trhlin je pro modelování oddělování materiálu naopak nutné uplatnit kritéria porušení a eliminaci (odmazání) těch elementů, u kterých bylo porušení vyhodnoceno. Tento mechanizmus je schopen popsat vznik a průběh lomu ve shodě s realitou, avšak pouze za předpokladu použití vhodného kritéria a správného nastavení jeho limitní hodnoty. Ukazuje se, že pro úlohy typu střihání lze úspěšně použít především integrální kritéria, která vyhodnocují míru porušení z historie zatížení a deformace. V prvních testech se osvědčilo především normalizované kritérium podle Cockcrofta a Lathama a modifikované kritérium Oyaneho, se kterými bylo po nalezení limitní hodnoty možno virtuálně posuzovat např. vliv střižné vůle a tvaru a geometrie včetně opotřebení nástrojů na vznik a velikost odtržení či otřepu. Výše popsaný způsob modelování v programu FORGE dovoluje provést numerickou analýzu a optimalizaci procesů stříhání a děrování. Dalšího zpřesnění výpočtu lze dosáhnout např. uvažováním deformovatelných nástrojů, jak již bylo uvedeno výše. Ing. Martin Holeček, Ing. Rudolf Petrmichl