Thermomechanical modelling of the draw bead test

Abstract

Hoje em dia os aços de alta resistência são muito utilizados em processos de estampagem graças à boa relação resistência-peso. No entanto, devido à sua elevada resistência mecânica, é necessário melhorar o conhecimento acerca do calor gerado por deformação plástica e por atrito, uma vez que este pode ser um fator determinante para a correta descrição do processo em causa. Neste contexto, a simulação numérica de processos de estampagem envolve a resolução não só do problema mecânico, mas também do problema térmico.O principal objetivo deste trabalho é o estudo numérico das condições de contacto com atrito presentes no ensaio de freio (draw bead test), em particular da componente térmica do problema. Para tal, foi construído um modelo termomecânico do ensaio, considerando tanto a transmissão de calor para as ferramentas (IHTC) como para o meio ambiente. Neste trabalho, é analisado o efeito dos principais parâmetros do processo, nomeadamente a penetração do punção, a folga lateral entre as ferramentas, o coeficiente de atrito, as propriedades mecânicas do material da chapa e a velocidade da amarra. Para além da evolução da temperatura, são estudadas as forças, tensões, deformações, ângulos de contacto e retorno elástico. Para as condições geométricas em análise, a deformação na direção da largura é residual, o que permite a adoção de um modelo que assume condições de estado plano de deformação, o que permite reduzir de forma significativa o custo computacional. Para as configurações estudadas, o parâmetro que revelou maior influência na temperatura da chapa foi a velocidade da amarra, seguida da penetração do punção e da folga lateral. Por outro lado, o parâmetro que menos influenciou a temperatura da chapa foi o coeficiente de atrito, que apresenta um efeito negligenciável. As forças são especialmente influenciadas pelo coeficiente de atrito, enquanto que os ângulos de contacto dependem principalmente da penetração do punção.

Nowadays, advanced high-strength steels (AHSS) are used in stamping processes particularly due to their good strength-to-weight ratio. However, the high strength also leads to the necessity of improved knowledge concerning the heat generated by plastic deformation and contact with friction, since this can be a determining factor for the correct description of a given forming process. In this context, the numerical simulations of stamping processes involve solving not only the mechanical problem, but also the thermal problem.The main objective of this work is the numerical study of the contact with friction conditions involved in the draw bead test, with particular focus on the thermal problem. To achieve this goal, a thermomechanical test model was built, considering both the heat transfer to the tools (IHTC) and for the environment. The effects of the main parameters of process are analysed, in particular the penetration of the punch, the side clearance between the tools, the coefficient of friction, the mechanical properties of the material of the blank and the pulling speed of the grip. In addition to the temperature evolution, also the forces, stresses, strains, contact angles and springback were studied.For the geometrical conditions under analysis, the deformation in the width direction is residual, which allows the use of a model that assumes plane strain conditions, significantly reducing the computational costs. For the studied configurations, the parameter that had the greater influence on the blank temperature is the pulling speed of the grip, followed by the penetration of the punch and the side clearance. On the other hand, the parameter that presented the lower influence on the temperature of the blank was the friction coefficient, being almost negligible to this analysis. The forces are especially influenced by the coefficient of friction, while the contact angles depend mainly on the penetration of the punch.