Mechanical properties of sheet metal under forming conditions

In the bulge test, a sheet metal specimen is clamped over a circular hole in a die and formed into a bulge by the hydraulic pressure on one side of the specirnen. As the unsupported part of the specimen is deformed in this way, its area is increased, in other words, the material is generally stretched and its thickness generally decreased. The stresses causing this stretching action are the membrane stresses in the shell generated by the hydraulic pressure, in the same way as the rubber in a toy balloon is stretched by the membrane stresses caused by the air inside it. The bulge test is a widely used sheet metal test, to determine the "formability" of sheet materials. Research on this forming process (2)-(15)* has hitherto been almost exclusively confined to predicting the behaviour of the bulged specimen through the constitutive equations (stresses and strains in relation to displacements and shapes) and empirical work hardening characteristics of the material as determined in the tension test. In the present study the approach is reversed; the stresses and strains in the specimen are measured and determined from the geometry of the deformed shell. Thus, the bulge test can be used for determining the stress-strain relationship in the material under actual conditions in sheet metal forming processes. When sheet materials are formed by fluid pressure, the work-piece assumes an approximately spherical shape, The exact nature and magnitude of the deviation from the perfect sphere can be defined and measured by an index called prolateness. The distribution of prolateness throughout the workpiece at any particular stage of the forming process is of fundamental significance, because it determines the variation of the stress ratio on which the mode of deformation depends. It is found. that, before the process becomes unstable in sheet metal, the workpiece is exactly spherical only at the pole and at an annular ring. Between the pole and this annular ring the workpiece is more pointed than a sphere, and outside this ring, it is flatter than a sphere. In the forming of sheet materials, the stresses and hence the incremental strains, are closely related to the curvatures of the workpiece. This relationship between geometry and state of stress can be formulated quantitatively through prolateness. The determination of the magnitudes of prolateness, however, requires special techniques. The success of the experimental work is due to the technique of measuring the profile inclination of the meridional section very accurately. A travelling microscope, workshop protractor and surface plate are used for measurements of circumferential and meridional tangential strains. The curvatures can be calculated from geometry. If, however, the shape of the workpiece is expressed in terms of the current radial (r) and axial ( L) coordinates, it is very difficult to calculate the curvatures within an adequate degree of accuracy, owing to the double differentiation involved. In this project, a first differentiation is, in effect, by-passed by measuring the profile inclination directly and the second differentiation is performed in a round-about way, as explained in later chapters. The variations of the stresses in the workpiece thus observed have not, to the knowledge of the author, been reported experimentally. The static strength of shells to withstand fluid pressure and their buckling strength under concentrated loads, both depend on the distribution of the thickness. Thickness distribution can be controlled to a limited extent by changing the work hardening characteristics of the work material and by imposing constraints. A technique is provided in this thesis for determining accurately the stress distribution, on which the strains associated with thinning depend. Whether a problem of controlled thickness distribution is tackled by theory, or by experiments, or by both combined, the analysis in this thesis supplies the theoretical framework and some useful experimental techniques for the research applied to particular problems. The improvement of formability by allowing draw-in can also be analysed with the same theoretical and experimental techniques. Results on stress-strain relationships are usually represented by single stress-strain curves plotted either between one stress and one strain (as in the tension or compression tests) or between the effective stress and effective strain, as in tests on tubular specimens under combined tension, torsion and internal pressure. In this study, the triaxial stresses and strains are plotted simultaneously in triangular coordinates. Thus, both stress and strain are represented by vectors and the relationship between them by the relationship between two vector functions. From the results so obtained, conclusions are drawn on both the behaviour and the properties of the material in the bulge test. The stress ratios are generally equal to the strain-rate ratios (stress vectors collinear with incremental strain vectors) and the work-hardening characteristics, which apply only to the particular strain paths are deduced. Plastic instability of the material is generally considered to have been reached when the oil pressure has attained its maximum value so that further deformation occurs under a constant or lower pressure. It is found that the instability regime of deformation has already occurred long before the maximum pressure is attained. Thus, a new concept of instability is proposed, and for this criterion, instability can occur for any type of pressure growth curves.

An analysis of the effect of process parameters on the formability of sheet metal

This investigation is in two parts, theory and experimental verification. (1) Theoretical Study In this study it is, for obvious reasons, necessary to analyse the concept of formability first. For the purpose of the present investigation it is sufficient to define the four aspects of formability as follows: (a) the formability of the material at a critical section, (b) the formability of the material in general, (c) process efficiency, (d) proportional increase in surface area. A method of quantitative assessment is proposed for each of the four aspects of formability. The theoretical study also includes the distinction between coaxial and non-coaxial strains which occur, respectively, in axisymmetrical and unsymmetrical forming processes and the inadequacy of the circular grid system for the assessment of formability is explained in the light of this distinction. (2) Experimental Study As one of the bases of the experimental work, the determination of the end point of a forming process, which sets the limit to the formability of the work material, is discussed. The effects of three process parameters on draw-in are shown graphically. Then the delay of fracture in sheet metal forming resulting from draw-in is analysed in kinematical terms, namely, through the radial displacements, the radial and the circumferential strains, and the projected thickness of the workpiece. Through the equilibrium equation of the membrane stresses, the effect on the shape of the unsupported region of the workpiece, and hence the position of the critical section is explained. Then, the effect of draw-in on the four aspects of formability is discussed throughout this investigation. The triangular coordinate system is used to present and analyse the triaxial strains involved. This coordinate system has the advantage of showing all the three principal strains in a material simultaneously, as well as representing clearly the many types of strains involved in sheet metal work.

Tuotannonohjauksen kehittäminen levytuotetehtaassa

Tämän diplomityön tavoitteena oli selvittää ohutlevytuotteita valmistavan yrityksen tuotannonohjauksen nykytila ja kehitystä vaativat kohteet sekä laatia kehitysehdotuksia. Yrityksessävalmisteltiin samaan aikaan tutkimuksen aikana huomattavia tuotannonohjaukseen liittyviä kehitystoimia. Tutkimus käsitteli toiminnanohjaukseen sisältyviä aiheita, kuten tuotannonohjausta, tuotannon ohjattavuutta, varastoja ja organisaation kehittämistä. Tutkimustulokset osoittivat, että yrityksen on otettava käyttöön jatkuvan kehittämisen kulttuuri ja panostettava erityisesti suomalaiselle ohutlevyalalle tärkeisiin asioihin lukuisien

Optinen kolmiulotteinen mittaus ohutlevytuotteiden laadunvalvonnassa

Ohutlevyteollisuuden markkinatilanne on muuttunut, kun tuotantomäärät ovat kasvaneet, laatuvaatimukset tiukentuneet ja markkinat globalisoituneet. Konenäön avulla on mahdollista tehostaa laadunvalvontaa, jolloin virheet voidaan havaita nopeammin ja siten säästää tuotantokustannuksissa. Muotoiltujen ohutlevyosien tarkastamiseksi tarvitaan kolmiulotteisia mittausmenetelmiä, joilla pystytään varsin nopeasti ja tarkasti analysoimaan kappaleita. Erityisesti fotogrammetriaan perustuvaa rakenteista valoa on sovellettu erilaisissa mittalaitteissa, ja menetelmä on myös varsin joustava sekä edullinen käyttää. Fotogrammetriaan ja rakenteiseen valoon perustuvista mittalaitteista valittiin arvioitavaksi Mapvision 4D. Testeissä tutkittiin laitteen tarkkuutta, nopeutta ja soveltuvuutta teollisuusympäristöön sekä erityisesti taivutuskulmien, reikien halkaisijoidenja etäisyyksien mittaamista. Sovittamalla mitattu data CAD-malliin pystytään kappaleen mitoitus tarkastamaan vaaditulla 0,1 millimetrin tarkkuudella. Testitulosten perusteella voidaan todeta sekä mittalaitteen että mittausmenetelmän soveltuvan ohutlevykappaleiden laadunvalvontaan, kunhan reunojen määrityksessä esiintyvä säännöllinen epätarkkuus otetaan huomioon.

Ohutlevyosien valmistuskustannukset ja kansainvälinen hankintastrategia

Työn tarkoituksena on kehittää hankinnan päätöksentekoa tukeva ohutlevyosien valmistuskustannusten laskentamenetelmä toimintolaskentaan pohjautuen. Laskentamenetelmä koostuu valmistukseen kuluvan ajan laskennassa käytettävistä funktioista sekä konetuntihinnoista. Hankintatoimen päätöksistä käsitellään toimittajanvalintaa, jossa yhtenä vaihtoehtona on hankkiminen Kiinasta. Toimittajanvalinnan kriteereitä ovat tällöin hankintahinnan lisäksi kuljetuskustannukset, laatu sekä toimitusvarmuus. Myös kansainvälisen hankinnan Kiinasta erityispiirteitä käsitellään. Hankkiminen Kiinasta koetaan vielä melko ongelmallisena etenkin laadun ja toimitusvarmuuden osalta. Erityisen huomioitavaa on, että hankintahintojen alhaisuus on osakohtaista. Suurin riski hankinnan kannattavuudelle aiheutuu valuuttakursseista. Osto-organisaation yhteistyötä alihankkijoiden sekä muiden osastojen kanssa parantamalla voidaan välttää hankittavien ohutlevyosien laatuongelmia. Suomalaisten alihankkijoiden kanssa kustannuslaskentamallia avoimeen hinnoitteluun soveltamalla hankintakustannuksia voidaan alentaa.

Koneinvestoinnin suunnittelu valmistavaan teollisuuteen

Tämän diplomityön tavoitteena oli tutustua ohutlevyjen nykyaikaisiin koneellisiin leikkausmenetelmiin ja tutkia niiden soveltuvuutta yrityksen tarpeisiin. Kohdeyrityksessä investoinnin tarve jakautui tuottavuusinvestoinnin, korvausinvestoinnin ja strategisen investoinnin kesken. Tavoitteena oli luoda investointipolku, jonka avulla poissuljettiin menetelmät, jotka eivät soveltuneet yrityksen tuotantoon. Työn kirjallisuusosuudessa tarkastellaan teoriatietoja, jotka liittyvät yleisesti nykyaikaisiin ohutlevyjen leikkausmenetelmiin sekä investointiprojektin suunnitteluun ja toteutuksen teoriaan. Lisäksi käsitellään investointeihin liittyviä kannattavuus- ja kustannuslaskennan perusperiaatteita. Työn empiirisessä osassa selvitettiin yrityksen ohutlevyosien valmistuksen periaatteita nykytila-analyysin avulla. Tämän perusteella määritettiin nykyaikaisista markkinoilla olevista menetelmistä yritykselle soveltuvin. Tutkimuksen perusteella laserleikkaus oli menetelmistä soveltuvin. Perusinvestoinniltaan laser oli vaihtoehtoisista menetelmistä kallein, mutta se soveltui käytettävyyden, tehokkuuden, joustavuuden ja muiden ominaisuuksiensa perusteella parhaiten tuotannon tarpeisiin. Työn merkittävimmät tulokset osoittivat, että investoinnin kannattavuus riippui koneelle saatavasta käyttösuhteesta. Uusien koneiden tehokkuus lyhentäisi tuotannon läpimenoaikoja, mutta ilman riittävää kapasiteetin käyttöastetta kappaleiden omakustannusarvo nousisi. Lopputulokset ja suositukset on esitetty työn lopussa.

Ohutlevytuotteen valmistuskustannusten määrittely suunnitteluvaiheessa

Diplomityössä kehitetään ABB Oy Drives:lle menetelmää, jolla voidaan ennustaa ohutlevyosien ja niistä koostuvien kokoonpanojen hintaa ilman tarkkaa valmistuksellista geometriatietoa. Työ on osa Tekesin rahoittamaa Piirre 2.0 -projektia. Työn teoriaosa määrittelee lyhyesti ohutlevytuotteet ja niiden valmistusmenetelmät. Laajemmassa teoriatarkastelussa ovat erilaiset ohutlevytuotteiden valmistuskustannusten ennustamismenetelmät regressioanalyysin käyttöön painottuen. Käytännön osiossa määritetään Finn-Power LP6 -levytyökeskuksen suorituskyky ja muodostetaan työaikalaskuri kerättyyn tietoon perustuen. Lisäksi muodostetaan regressioanalyysit kahden eri alihankkijan valmistamien ohutlevytuotteiden pohjalta. Regressiotekniikoiden avulla etsitään kustannuksiin voimakkaasti vaikuttavat parametrit ja muodostetaan laskukaava valmistuskustannusten ennustamiseen. Lopuksi vertaillaan teorian ja käytännön osien yhteensopivuutta ja etsitään syitä havaittuihin eroihin. Tutkimustulosten hyödyntämismahdollisuuksien ohella esitetään myös eräitä jatkokehitysehdotuksia.

Machinery and production engineering.

Latest issue consulted: Vol. 160, no. 4059 (20 Sept. 2002).

Design and application of experimental methods for steel sheet shearing

Shearing is the process where sheet metal is mechanically cut between two tools. Various shearing technologies are commonly used in the sheet metal industry, for example, in cut to length lines, slitting lines, end cropping etc. Shearing has speed and cost advantages over competing cutting methods like laser and plasma cutting, but involves large forces on the equipment and large strains in the sheet material. The constant development of sheet metals toward higher strength and formability leads to increased forces on the shearing equipment and tools. Shearing of new sheet materials imply new suitable shearing parameters. Investigations of the shearing parameters through live tests in the production are expensive and separate experiments are time consuming and requires specialized equipment. Studies involving a large number of parameters and coupled effects are therefore preferably performed by finite element based simulations. Accurate experimental data is still a prerequisite to validate such simulations. There is, however, a shortage of accurate experimental data to validate such simulations. In industrial shearing processes, measured forces are always larger than the actual forces acting on the sheet, due to friction losses. Shearing also generates a force that attempts to separate the two tools with changed shearing conditions through increased clearance between the tools as result. Tool clearance is also the most common shearing parameter to adjust, depending on material grade and sheet thickness, to moderate the required force and to control the final sheared edge geometry. In this work, an experimental procedure that provides a stable tool clearance together with accurate measurements of tool forces and tool displacements, was designed, built and evaluated. Important shearing parameters and demands on the experimental set-up were identified in a sensitivity analysis performed with finite element simulations under the assumption of plane strain. With respect to large tool clearance stability and accurate force measurements, a symmetric experiment with two simultaneous shears and internal balancing of forces attempting to separate the tools was constructed. Steel sheets of different strength levels were sheared using the above mentioned experimental set-up, with various tool clearances, sheet clamping and rake angles. Results showed that tool penetration before fracture decreased with increased material strength. When one side of the sheet was left unclamped and free to move, the required shearing force decreased but instead the force attempting to separate the two tools increased. Further, the maximum shearing force decreased and the rollover increased with increased tool clearance. Digital image correlation was applied to measure strains on the sheet surface. The obtained strain fields, together with a material model, were used to compute the stress state in the sheet. A comparison, up to crack initiation, of these experimental results with corresponding results from finite element simulations in three dimensions and at a plane strain approximation showed that effective strains on the surface are representative also for the bulk material. A simple model was successfully applied to calculate the tool forces in shearing with angled tools from forces measured with parallel tools. These results suggest that, with respect to tool forces, a plane strain approximation is valid also at angled tools, at least for small rake angles. In general terms, this study provide a stable symmetric experimental set-up with internal balancing of lateral forces, for accurate measurements of tool forces, tool displacements, and sheet deformations, to study the effects of important shearing parameters. The results give further insight to the strain and stress conditions at crack initiation during shearing, and can also be used to validate models of the shearing process.

Optimização do corte de chapas

O presente trabalho visa denotar a importância de ferramentas e técnicas utilizadas como apoio à tomada de decisão. Foi proposto um problema de corte cujo objectivo primordial procura minimizar o desperdício gerado resultante do processo de obtenção de um produto, utilizando um caso representativo de um produto em chapa, fabricado por uma empresa que conta três décadas de laboração contínua, proposeram-se e realizaram-se estudos no sentido de solucionar recursos causadores de desperdício. Neste trabalho aplicou-se um problema de corte bi-dimensional a uma indústria que recorre ao fabrico de produtos em chapa, por forma a minimizar o desperdício relativo ao processo utilizado. Propôs-se quatro alternativas à solução actual realizada na empresa, que passa pela disposição e combinação de vários tipos de cortes-padrão que podem ser executados nas diferentes dimensões de matéria-prima disponibilizada. Estas alternativas têm como vantagem apresentar reduções que se traduzam significativas para os custos implícitos à realização do processo produtivo. Os estudos computacionais praticados mostraram que as soluções propostas como alternativa obtiveram melhores resultados que os obtidos pela empresa, excepto num caso.

Levantamento, reparação e beneficiação do simulador TERCO PST 2200 do Laboratório de Sistemas de Energia do ISEP

Este trabalho é baseado no simulador de redes PST2200 do Laboratório de Sistemas de Energia (LSE) pois está avariado com vários problemas conhecidos, designadamente: - Defeito de isolamento (disparo de diferencial), - Desregulação da velocidade da máquina primária (motor DC), - Circuito de excitação da máquina síncrona inoperacional, - Inexistência de esquemas elétricos dos circuitos do simulador, - Medidas desreguladas e com canais de medida com circuito impresso queimado. O trabalho executado foi: - O levantamento e desenho de raiz (não existe qualquer manual) dos esquemas dos 10 módulos do simulador, designadamente naqueles com avaria ou com desempenho problemático a fim de que se possa ter uma visão mais pormenorizada dos circuitos e seus problemas, por forma a intervir para os minimizar e resolver, - Foi realizado o diagnóstico de avaria do simulador e foram propostas soluções para os mesmos, - Realizaram-se as intervenções propostas e aprovadas. Nas intervenções realizadas, os princípios orientadores foram: - Aumentar a robustez do equipamento por forma a garantir a sua integridade a utilizações menos apropriados e manobras 'exóticas' próprias de alunos, que pela sua condição, estão em fase de aprendizagem, - Atualizar o equipamento, colocando-o em sintonia com o 'estado da arte', - Como fator de valorização suplementar, foi concebida e aplicada a supervisão remota do funcionamento do simulador através da rede informática. Foram detetados inúmeros erros: - Má ligação do motor de corrente continua ao variador, resultando a falta de controlo da frequência da rede do sistema, - Ligações entre painéis trocadas resultando em avarias diversas das fontes de alimentação, - Cartas eletrónicas de medidas avariadas e que além de se reparar, foram também calibradas. Devido ao mecenato da empresa Schnitt + Sohn participando monetariamente, fez-se o projeto de alteração e respetiva execução de grande parte do simulador aumentando a fiabilidade do mesmo, diminuindo assim a frequência das avarias naturais mais as que acontecem involuntariamente devido a este ser um instrumento didático. Além do trabalho elétrico, foi feito muito trabalho de chaparia para alteração de estrutura e suporte do material com diferenças de posicionamento. Neste trabalho dá-se também alguns exemplos de cálculo e simulação das redes de transporte que se pode efetuar no simulador como estudo e simulação de avarias num sistema produtivo real. Realizou-se a monitorização de dois aparelhos indicadores de parâmetros de energia (Janitza UMG96S) através duma rede com dois protocolos ethernet e profibus utilizando o plc (Omron CJ2M) como valorização do trabalho.

Projecto de sistema de fixação de punções para quinadoras hidráulicas

Mestrado em Engenharia Mecânica - Construções Mecânicas

Estudo de Ferramentas FEA Comerciais na Simulação Numérica de Processos de Conformação de Chapas Metálicas. Aplicação à Indústria Automóvel.

Os componentes obtidos através da conformação plástica de chapas têm uma grande importância, tanto na etapa de concepção do produto como na etapa de produção na indústria automóvel. Isto comprova-se pelo facto de, em média, cada automóvel integrar cerca de 500 componentes estampados para construir o chassis e a carroçaria [Alves 2003]. Deste total de componentes, 50 são de grandes dimensões (portas, tejadilho, painéis inferior e laterais, entre outros) e necessitam, em média, de cinco ferramentas para o seu fabrico, sendo o custo estimado para cada ferramenta de 230 000 € [Col 2000, Alves 2003]. Para além da indústria automóvel, a conformação plástica de chapas metálicas é um processo tecnológico presente nas indústrias relativas à aeroespacial, petrolífera, decoração, alimentar, entre outras. Do ponto de vista do enquadramento económico, cerca de 20% do custo total de um automóvel novo é devido à incorporação de componentes metálicos estampados. [Alves 2003]. A pressão do “Mercado Global” faz com que os custos relativos à matéria-prima, energia e mão-de-obra sejam uma constante em termos de redução do seu impacte no orçamento das empresas fornecedoras destes produtos. É neste contexto que surge a necessidade da realização deste estudo de Benchmark de Softwares, tornando-se bastante importante, quer ao nível da competitividade industrial, quer ao nível da inovação para novos produtos. A análise por elementos finitos desempenha um papel primordial no tryout virtual e otimização das ferramentas e processos de conformação plástica. Os objetivos principais deste estudo de simulação numérica são a identificação e comparação dos resultados obtidos pelo AUTOFORM e pelo PAMSTAMP, para cada uma das variáveis identificadas como as mais influentes na robustez dos processos de estampagem de chapa metálica. Estas variáveis identificadas são: consumo de material (Draw-in) após conformação; forças de conformação; valores de variação de espessura e dos valores de extensão e resultados de Springback. Os resultados obtidos são comparados com os resultados experimentais e, desta forma, avalia-se a capacidade inovadora e a eficácia de cada um dos softwares, obtendo-se assim, uma orientação mais real para o software mais indicado aos objetivos impostos pela indústria automóvel. Para este efeito, a indústria automóvel, como maior impulsionador e motor da investigação na área da simulação numérica aplicada aos processos de estampagem, tem aderido em peso ao Benchmarking. Um exemplo disto, é o que acontece nas conferências Numisheet. O Benchmark #2 da conferência Numisheet 2008 é analisado pormenorizadamente e os resultados numéricos e experimentais são comparados e apresentados. Dois materiais distintos (aço HC260LAD e liga de alumínio AC170), assim como três modelos com geometrias diferentes (com e sem freios) são apresentados neste relatório. Com vista à redução dos ciclos tentativa-erro, tem-se adotado ciclos virtuais ou numéricos e tem-se incrementado a interatividade entre as fases de concepção e projeto, num conceito muito próprio, mas cada vez mais abrangente, denominado “produção virtual”. É nesta filosofia que se insere a simulação numérica dos processos de conformação de chapa.

Aplicação de ferramentas Lean e gestão da manutenção numa metalomecânica

Dissertação de mestrado em Engenharia e Gestão da Qualidade