Influence of the yield criterion in the formability prediction on parts with complex geometry

Abstract

A conformação de chapas metálicas é uma tecnologia de produção indispensável na indústria automóvel. A produção de componentes metálicos com esta tecnologia envolve o planeamento do processo, que requer ferramentas complexas e dispendiosas. A conceção dessas ferramentas deve considerar os limites de conformabilidade das chapas metálicas. Os códigos de análise por elementos finitos, como o AutoForm®, são utilizados na indústria para apoiar a conceção das ferramentas, já que permitem prever defeitos, como rugas e a localização da deformação. Infelizmente, em alguns casos surgem defeitos nos componentes metálicos, seja no try-out das ferramentas ou na produção, que não são previstos pelos modelos de elementos finitos. O objetivo principal deste trabalho é compreender os fatores que podem contribuir para melhorar a previsão de defeitos de conformação em componentes automóveis estampados.Neste trabalho foram considerados três casos de estudo, um guarda-lamas e dois portões interiores. São utilizados dois aços galvanizados da mesma classe, DX54D e DX56D, para produzir o guarda-lamas e os portões interiores, respetivamente. Para o guarda-lamas e um dos portões interiores, o estudo focou-se na análise da influência do valor da tensão equibiaxial na previsão da conformabilidade, com base nos critérios de plasticidade de Hill'48 e BBC 2005. Para o outro portão interior, foi realizada uma análise minuciosa da cinemática do processo de conformação, para analisar os fatores que contribuem para a ocorrência de problemas esporádicos na produção. Neste contexto, foram exploradas as opções de controle das ferramentas, assim como o gerador de materiais do AutoForm® R8, o que exigiu a realização de alguns ensaios experimentais para caracterizar o comportamento mecânico do material. Assim, foi possível utilizar o critério de plasticidade de Vegter 2017, para este caso de estudo.Para todos os casos de estudo, a análise de conformabilidade foi realizada com a curva limite de estampagem linear e não-linear. Com base em resultados anteriores, sabe-se que o critério de plasticidade de Hill'48 sobrestima o valor da tensão equibiaxial, para esta classe de material. Os resultados mostram que o valor da tensão equibiaxial tem impacto nas previsões de conformabilidade e pode até mesmo alterar as regiões críticas para a ocorrência de defeitos. Nesse contexto, o uso da curva limite de estampagem não-linear é muito importante, uma vez que trajetórias de deformação próximas da deformação plana seguidas de estado equibiaxial, ou vice-versa, apresentam maior exaustão de conformabilidade. Com base nas previsões de conformabilidade, é possível estimar um valor para a tensão equibiaxial de 0.9 vezes o valor previsto pelo critério de Hill'48, o que corrobora estudos anteriores. Nesse contexto, o critério de plasticidade de Vegter 2017 pode ser considerado uma abordagem interessante para descrever o comportamento plástico do material, uma vez que a identificação dos seus parâmetros requer apenas a realização de três ensaios de tração uniaxial. Finalmente, além de uma descrição precisa do comportamento plástico do material, a previsão de defeitos requer a descrição adequada da cinemática do processo de conformação.

Sheet metal forming is an indispensable manufacturing technology in the automotive industry. The production of metallic components using this technology involves the planning of the process that requires complex and expensive tooling. The development of these tools has to consider the formability limits of the metal sheets. Finite element analysis codes, such as AutoForm®, are used throughout the industry to support the development of the tools, since they enable the prediction of defects, such as wrinkling and thinning. Unfortunately, in some cases defects arise in the metallic components, either in the tools try-out or in the production, which were not predicted by the finite element model. The main objective of this work is to understand the factors that can contribute to improving the prediction of forming defects for deep drawn automotive components. Three case studies were considered in this work, a fender and two inner liftgates. Two galvanized steels of the same class, DX54D and DX56D, are used to produce the fender and the inner liftgates, respectively. For the fender and one of the inner liftgates, the study focused on the analysis of the influence of the equibiaxial stress value in the prediction of the formability, considering the Hill’48 and the BBC 2005 yield criteria. For the other inner liftgate, a thorough analysis of the kinematics of the forming process was performed to understand the factors that contribute for the occurrence of sporadic problems in production. In this context, the control options for the tools were explored as well as the material generator of AutoForm® R8, which required performing some experimental tests to characterize the mechanical behavior of the material. This enabled the use of the Vegter 2017 yield criterion, for this case study. For all case studies, the formability analysis was performed with the linear and the non-linear forming limit curve. For this material class, it is known that the Hill’48 yield criteria overestimates the equibiaxial stress value. The results show that the equibiaxial stress value has impact on the formability predictions and it can even change the critical locations of defects. In this context, the use of the non-linear forming limit curve is very important, since strain paths close to plane strain followed by equibiaxial state or vice versa show higher exhaustion in formability. Based on the formability predictions, the equibiaxial stress value is estimated to be around 0.9 times the value predicted by the Hill’48 criterion, corroborating previous studies. In this context, the Vegter 2017 yield criterion can be considered an interesting approach to describe the plastic behavior of the material, since its parameters identification only requires performing three uniaxial tensile tests. Finally, besides an accurate description of the plastic behavior of the material, the prediction of defects requires the proper description of the kinematics of the forming process.