CZ20033096A3 - Způsob automatického výběru plechů pro tváření - Google Patents

Description

Způsob automatického výběru plechů pro tváření

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu automatického výběru plechů pro tváření konstrukčních prvků.

Dosavadní stav techniky

Výroba konstrukčních prvků tvářením plechů představuje komplexní úkol, který závisí na množství faktorů. Roli zde hraje například geometrie razníku, která má být při tváření použita, tvar desek nařezaných pro tvářecí proces, poměry tření nastavené během tváření, časové a místní rozdělení tlaků, kterými působí přidržovač v okrajové oblasti desky a použití tažných lišt pro řízení materiálového toku.

Podstatný vliv na průběh a výsledek tvářecího procesu mají navíc vlastnosti materiálu tvářeného plechu. Výběr materiálů, které jsou pro potřeby tváření nejvhodnější, má tedy obzvláštní význam.

Výběr plechu, který optimálně splňuje zaprvé požadavky tvářecího procesu a zadruhé požadavky kladené na konstrukční prvek, z tohoto plechu vyrobený, je ztěžován tím, že díky nepravidelnostem ve výrobním procesu může docházet ke kolísání vlastností i takto vybraného plechu. To může dojít tak daleko, že tvářecí vlastnosti se značně zhoršují natolik, že z plechů, splňujících požadavky kladené na dobře tvarovatelné plechy s normovanými charakteristickými hodnotami materiálu, ve skutečnosti vznikají vadné konstrukční prvky.

• · · ·

Aby bylo možné odhadnout rozsah výkyvů vlastností plechů určených pro tváření, podchycují se vlastnosti velkého počtu plechů, které náleží ke stejnému typu, ale které jsou odebírány z různých výrobních šarží. V praxi se ovšem ukázalo, že tento postup vede jen k nedostatečně spolehlivým výsledkům, protože kolísání vlastností materiálu může být jen obtížně regulováno cíleně. Z tohoto důvodu je prakticky nemožné systematické určování odchylek. Při výrobě plechů se navíc mohou vyskytovat nepředvídatelné poruchy nebo vlivy, které s sebou nesou opět další nepředvídatelné změny vlastností plechů.

Další možnost zjišťování nevyhnutelného kolísání vlastností plechů používaných pro tváření konstrukčních prvků spočívá ve změně způsobu matematického výpočtu. Tento numerický způsob spočívá zpravidla v metodě konečných prvků („Finite-ElementeMethode“ = FEM). FEM umožňuje matematický popis tvářecího procesu při známých okrajových a procesních podmínkách. Při použití FEM modelu tvářecího procesu se podle dosavadního stavu techniky za použití statistického postupu a na základě určitých materiálových vlastností známých plechů mění vstupní parametr FEM výpočtu tak dlouho, dokud aktuálně posuzovaný charakteristický znak tvářecího procesu nedosáhne požadované hodnoty. U tohoto statistického způsobu postupu existuje jak známo problém v tom, že na základě konečné obměny parametrů nemůže být skutečná požadovaná hodnota bezpečně nalezena.

Podobný problém vzniká při použití jedné z takzvaných „gradientních metod“, které sice při konvergenci posuzovaných charakteristických znaků vedou k nalezení minim, ale u vícedimenzionálního postavení problému poskytují zpravidla jen lokální minima v rámci určité oblasti, bez pokrytí souhrnu všech možných řešení. Další potíž spočívá v této souvislosti v tom, že • 0 ·· · · · · 0 0 0 · · • · · ·

0·· ·

0 0 0 0 0000 0· · · i gradientní metody jsou silně závislé na výchozích podmínkách hledání.

Velký počet výpočtů, potřebných u známých numerických metod nakonec vyžaduje také enormní výkon počítače, kterého se s dnešními zařízeními pro zpracování dat, která jsou k dispozici, nedá při každodenním používání uspokojivým způsobem dosáhnout. Požadavky na výpočetní zpracování přetěžují v praxi existující počítače zejména tehdy, má-li být výběr materiálu, nejvhodnějšího pro tvářecí proces automatizován.

Úkolem vynálezu tedy je připravit způsob, který při minimálních požadavcích na výkon počítače a s vysokou spolehlivostí umožňuje automatický výběr plechů, vhodných pro libovolný tvářecí proces.

Podstata vynálezu

Tento úkol splňuje způsob automatického výběru plechů pro tváření konstrukčních prvků, jehož podstatou jsou následující kroky: al) příprava hodnot vlastností materiálu plechů, zásadně vhodných pro tváření, a2) zadání mezí požadovaných oblastí, v jejichž rámci mají ležet vlastnosti materiálu definitivně zvoleného plechu, určující tvářecí chování, a3) stanovení matematické funkce, popisující vliv dotyčných vlastností materiálu na alespoň jeden charakteristický znak tvářecího chování plechu, ve které jsou dotyčným vlastnostem materiálu přiřazeny aktuálně proměnné a alespoň jedné z proměnných je přiřazen koeficient, k tomuto konkrétnímu času neurčitý, b) zjištění hodnot charakteristického znaku tvářecího chování pro různé kombinace hodnot vlastností materiálu, přičemž se vybírají vzájemně kombinované hodnoty požadovaných oblastí vlastností materiálu, daných v kroku a2) a počtu kombinací, pro které se aktuálně určuje φ · · · · · · · • · · · · • · · · · · · • · · · · * charakteristický znak tvárnosti, alespoň rovný počtu neurčitých koeficientů matematických funkcí, c) určení dosud neurčitých koeficientů matematických funkcí, daných v kroku a3), d) určení aktuálních hodnot charakteristických znaků vlastnosti tváření pro každý plech, jehož hodnoty materiálových vlastností byly připraveny v kroku al), použitím hodnot vlastností materiálu každého plechu v matematické funkci za použití koeficientů, určených v kroku c), e) vydání plechu, pro který je nejlépe splněn charakteristický znak tvářecí vlastnosti, určený v kroku d) při zohlednění předem daného kritéria volby.

Na rozdíl od dosavadního stavu techniky se podle vynálezu neprovádí více méně systematické hledání do minima, ale určuje se matematická formule, která popisuje vliv vlastností materiálu na aktuálně posuzované charakteristické znaky tvářecího chování materiálu. Tato funkce se následně využívá k jednoznačnému a cílenému určení plechu, který optimálně splňuje požadavky stanovené pro předmětný materiál.

U charakteristických znaků, podstatných pro tvářecí chování plechu, se může jednat například o stav konstrukčního prvku vyrobeného z daného plechu bez trhlin, protrhávání plechu, určité chování roztažnosti, určitou tuhost vyrobeného konstrukčního prvku a podobně.

Při provádění způsobu podle vynálezu se v prvním kroku udávají data, která se v dalších krocích výběru plechů berou v úvahu. Jsou to na jedné straně charakteristické parametry plechu, určeného pro výběr (krok al). Dále jsou to meze oblastí, v jejichž rámci se dotyčné charakteristické parametry materiálu mají nacházet (krok a2). Konečně je to také matematická souvislost, která popisuje vliv vlastností materiálu na tvářecí chování (krok a3).

• 0 • · • · · · «00

Vyšlo najevo, že velké množství požadavků kladených na tvářecí chování plechů, zejména ocelových plechů, koreluje s vlastnostmi materiálu lineárně. To je překvapující potud, jestliže se tvářecí chování materiálů plechů vyznačuje nelineárním vztahem mezi inkrementy pnutí a protažení. Pro nejrůznější konstrukční prvky a různé tvářecí postupy, jako jsou hluboké tažení nebo přetahování s činným médiem nebo bez něj, se prokázalo, že zhodnocování důležitých charakteristických znaků tvářecího chování, jako je stav bez trhlin u vyrobené součásti nebo určité požadované protažení dílčích oblastí součásti s lineární regresí, se u materiálů daří. Proto se podle prvního provedení vynálezu matematické funkci, popisované jako souvislost posuzovaných charakteristických znaků a vlastností materiálu, zadává lineární souvislost.

V zásadě se mohu k popisu závislosti charakteristických znaků, které jsou ve středu pozornosti, používat také nelineární matematické souvislosti. Přednost použití lineární rovnice k tomuto účelu spočívá však v jednoduché matematické manipulaci a s tím spojenými malými požadavky na výkon počítače při zjišťování hodnot za použití tohoto lineárního vzorce, stejně jako v malém počtu numerických experimentů.

Pro jednotlivé, v praxi nejdůležitější případy, se při použití lineárního vzorce pro určení vlivu vlastností materiálu na posuzované charakteristické znaky prokázalo, že bezpečný popis účinků obměn vlastností materiálu na výsledky tváření může být zajištěn pomocí skutečně pravidelně potvrzovaných výsledků tehdy, pokud matematická funkce obsahuje alespoň čtyři proměnné. Tak se například prokázalo, že plastická tažnost a stav bez trhlin se pak dají bezpečně předem vypočítat, pokud je v lineární rovnici, použité k popisu těchto charakteristických znaků tvářecího chování

• · · * · « · • · · · « · ♦ · a obsahující čtyři proměnné, přiřazena jedna z proměnných mezi průtažnosti, jedna pevnosti v tahu, jedna exponentu deformačního zpevnění a jedna středové hodnotě r.

Ve vzorci zvoleném v rámci popisu tvářecího chování je přiřazen nejméně jedné z proměnných, zpravidla však každé z nich, jeden koeficient. Dodatkově může být upravena konstanta, nenavázaná na proměnnou. Hodnoty koeficientů a konstant jsou na začátku způsobu podle vynálezu neznámé a zjišťují se v průběhu procesu na základě provedených kroků b) a c). Ve výsledku se tak matematický popis získává ve formě vzorce, jehož koeficient a konstanty jsou známé a s jejichž pomocí může být určen pro každý známý plech vliv jeho materiálových vlastností na každý posuzovaný charakteristický znak tvářecího procesu.

Pro zjišťování koeficientů matematických vzorců se na základě charakteristických hodnot, které se získávají z požadovaných hodnot, předem daných pro vlastnosti materiálu, zjišťují podle jednoho modelu hodnoty aktuálně posuzovaného charakteristického znaku tvářecího procesu. U modelu, který se k tomu používá, se jedná zejména o numerický popis tvářecího procesu. K tomuto účelu se obzvlášť osvědčila metoda konečných prvků.

Určení koeficientů a konstant samotných se pak může provádět známým způsobem pomocí vyřešení systému lineárních rovnic, jejichž počet odpovídá počtu nutnému pro zjištění koeficientů a konstant. Vyšší přesnosti určení koeficientů a konstant lze však dosáhnout tím, že se tyto koeficienty a konstanty zjišťují způsobem, známým z oblasti matematické statistiky, založeným na větším množství dat, pomocí lineární regrese.

• · · · • · · · • · · • · · • · · V ·· ··

Jednoznačné kombinace charakteristických hodnot, které lze snadno provádět, jsou pak k dispozici tehdy, když se v kroku b) způsobu podle vynálezu vzájemně kombinují hodnoty vlastností materiálu, které odpovídají jedné z mezí požadované oblasti vlastností materiálu. Předmětné charakteristické hodnoty materiálu se přednostně systematicky vzájemně kombinují známým způsobem podle zkušebního plánu. Přitom se obvykle vybírá počet kombinací, vycházející z počtu kombinací hodnot, potřebných k určení neznámých koeficientů a konstant, za účelem možnosti minimalizace chyb prostřednictvím například porovnávání nebo určování středních hodnot při zjišťování koeficientů.

Protože kvalita tvářecího chování plechů není zpravidla určena jedním jediným charakteristickým znakem, je účelné dokázat výběr každého plechu zvážením vlivů vlastností materiálu tohoto vybíraného plechu na každý z podstatných charakteristických znaků. Pro způsobilost plechu k provádění každého tvářecího úkolu mají rozhodující význam dva charakteristické znaky, takže to lze například provést tím, že kroky a3) až d) se zjišťují pro alespoň dva rozhodující charakteristické znaky tvářecí vlastnosti, a že kritéria výběru, zohledněná v kroku e) přihlížejí k dodržování požadované hodnoty pro každý z těchto charakteristických znaků.

Potom co byly způsobem podle vynálezu zjištěny koeficienty a konstanty vzorce, použitého pro popsání vlivů vlastností materiálu, se mohou bez problémů jednotlivě posuzovat také různé šarže typů plechů, zjištěných jako vhodné vzhledem k jejich skutečné způsobilosti pro úkoly tváření. Náklady výpočty, které jsou k tomu potřebné, se omezují na výpočet rovnice za použití vlastností materiálu stanoveného pro každou šarži, určenou pro zpracování a na vyhodnocení vylučovacího kritéria, na jehož základě se stanovuje skutečná způsobilost.

0 0 0 · 0 · · 0 · · • · · 0 · 9 9 0 • · 0 · ·

0 0 0 0· ·

9 0 0 0 »

Na základě malého počtu výpočetních operací, jednoznačnosti výsledku a určitosti zadaných úkolů pro provádění způsobu, se dá bezproblémově automatizovaný způsob podle vynálezu provádět na konvenčních počítačích tak, že ve výsledku je spolehlivě k dispozici materiál, optimálně vhodný pro tvářecí úkol.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude následně blíže vysvětlen na základě příkladu provedení podle přiložených obrázků, na kterých znamená obr. la diagram průběhu zjišťování ocelového plechu, vhodného - lc pro hlubokotažné tváření, k vytvoření pláště dveří automobilu, obr. 2a diagram hodnot charakteristického znaku „plocha s nedostatečnou plastickou tažností“, vypočítaných na základě vlastností materiálu deseti ocelových plechů StBl až StBIO, obr. 2b diagram hodnot charakteristické znaku „stav bez trhlin“, vypočítaných na základě vlastností materiálu deseti ocelových plechů StBl až StBIO, obr. 3a diagram hodnot charakteristického znaku „plocha s nedostatečnou plastickou tažností“, vypočítaných pro různé plechy, náležející k jakostní třídě plechů, zjištěných jako vhodné, obr. 3b diagram hodnot charakteristického znaku „stav bez trhlin“, vypočítaných pro různé plechy, náležející k jakostní třídě plechů, zjištěných jako vhodné.

·· ···· • · · · • * • · · · · · »

Příklady provedení vynálezu

Pro výběr ocelových plechů, vhodných pro tvářecí úkol „výroba pláště dveří automobilu hlubokým tažením“ jsou pro deset ocelových plechů StBÍ 11 ... StBΓ101 ukládány do datové paměti vlastnosti materiálu mez „Rp“ průtažnosti, pevnost „Rm“ v tahu, exponent „n“ zpevnění a středová hodnota „r“

Stejně tak se do datové paměti ukládají meze Rp_mj_n, Rp_max, Rmmin, Rnimax, nmi_n, n_max, r__min, r_max oblastí, ve kterých se mají nacházet aktuální hodnoty meze Rp průtažnosti, pevnosti Rm v tahu, exponentu n zpevnění a hodnoty r ocelových plechů StBÍ Π ... StBÍ 101, určených k výběru.

V další datové paměti jsou deponovány lineární matematické vzorce, sloužící k popisu vlivu meze Rp průtažnosti, pevnosti Rm v tahu, exponentu n zpevnění a hodnoty r na charakteristické znaky Mpd „plocha s nedostatečnou plastickou tažností“

F 1 I Mri S S — Krij riss* Rm + K_Rp jís s * Rp F Kn jjss* EL + K.r_ jís s * E. ď K-jiss a

F2: Mpd = Ki^Rm + K,_Rn ,_a(i*Rp + Kp__pd*n_ + Kj. _pd*r + K^.

K dispozici je dodatkově aritmetická jednotka, na kterou je implementován FEM program. FEM program tvoří numerický model studeného tvářecího procesu, probíhajícího při tváření ocelového plechu na vnější plášť vyráběných dveří automobilu, při zohlednění vlastností Rp, Rm, n, r materiálu ocelového plechu, upraveného ke zpracování.

Nakonec jsou v datové paměti uloženy kritérium Q, které obsahuje požadavky na hodnocení jakosti požadavků, kladených na • · · ·

charakteristické znaky Mpd a Mriss, a údaje pro toleranční oblast, ve které dosažení kritéria Q platí jako splněné.

Vychází-li se z těchto údajů, uskutečňují se v automaticky probíhajícím procesu následující pracovní kroky:

V prvním kroku průběhu procesu se z hodnot Rp_min, Rpm_ax, Rm_max, n_mj_n, n_max, r_mj_n, r_max tvoří podle zkušebního plánu dílčích součinitelů osm kombinací ΚΓ11 ... ΚΓ101, a to známým způsobem matematické statistiky.

Pro každou tuto kombinaci ΚΓ 11 ... ΚΓ81 se pak zjišťuje pomocí FEM programu příslušná hodnota Mrissí 11 ... Mrissj 101 charakteristického znaku „stav bez trhlin“ a příslušná hodnota Mpd[ll ... MpdriOl. Přitom se například při výpočtu hodnot charakteristického znaku Mriss[31 a Mpd[31 zadávají pro kombinaci ΚΓ31 FEM programu jako hodnota pro mez Rp průtažnosti spodní mez Rp_min příslušné požadované oblasti, jako hodnota pro pevnost Rm v tahu horní mez Rp_max příslušné požadované oblasti, jako hodnota pro exponenty n zpevnění horní mez n_max příslušné požadované oblasti a jako hodnota pro hodnotu r spodní mez rmi_n příslušné požadované oblasti.

Tak jsou k dispozici data, na jejichž základě se mohou určovat až k tomuto konkrétnímu času dosud neznámé koeficienty Kru _riss. K_Rp riss> Kn riss> Kr_ jiss; KRm pd; Rrp pd; Rn pd; Rr pd 1 konstanty Rgd^ a Kjíss lineárních vzorců F1 a F2 prostřednictvím lineární vícenásobné regrese. Pomocí vzorců F1, respektive F2, doplněných takto určenými koeficienty Kr_{to r}j_SS. R.Rp riss, Rn riss; Rr riss? respektive K__{Rm pd}, Rrp pd, Rp pd, Ki pd a konstantami K_M, respektive Kjíss, se následně pro vlastnosti Rpfil, Rmfil, nfi 1 a rfj] materiálu, naměřené na ocelových plechách StBfil vypočítávají hodnoty Mrissfil • · ·· ···· * φ · · · • « · ♦ • · · · · « · · · 9·9· 99 99 charakteristického znaku „stav bez trhlin“ Mriss a hodnoty Mpdfil charakteristického znaku „plocha s nedostatečnou plastickou tažností“ Mpd. Výsledky tohoto výpočtu jsou pro charakteristický znak Mpd vyneseny v diagramu na obr. 2a a pro charakteristický znak Mriss v diagramu na obr. 2b.

Kritérium Q obsahuje požadavek, že ocelový plech je pro tvářecí úkol vhodný jen tehdy, je-li příslušná hodnota charakteristického znaku Mpd blízká „0“ a příslušná hodnota charakteristického znaku Mriss kladná. Pro charakteristický znak Mpd platí tento požadavek jako splněný tehdy, pokud aktuální hodnota charakteristického znaku Mpd leží v oblasti od 0 do 5000, kdežto požadavek na charakteristický znak Mriss je splněn pouze tehdy, pokud aktuální hodnota charakteristického znaku Mriss leží v oblasti od 0 do + 0,25.

Z plechů StB f11 ... StBΓ101 splňují tak tyto požadavky pouze plechy StBf51 a StBf81. Například u plechu StBfl01 nebo u plechu StBf 11 jsou sice požadavky na hodnotu charakteristického znaku Mriss splněny, ale hodnota charakteristického znaku Mpd překračuje v obou případech mez toleranční oblasti, takže i tyto ocelové plechy StBf 11 a StBf 101 musí být z výběru vyřazeny. Podle toho jsou jako vhodné k použití při výrobě pláště dveří automobilu vydávány do výroby pouze plechy StBf 51 a StBf81.

Aby se zajistilo, že ve skutečnosti pro každou šarži ocelových plechů StBΓ51 a StBf81 platí požadavky kritéria Q při zohlednění toleranční oblasti, měří se pro každou šarži Al až A5 plechů StBΓ81 a pro každou šarži B1 až B5 plechů StBf81 vlastnosti Rp, Rm, n a r materiálu. S naměřenými hodnotami se pak pro každou z šarží Al. až A5 a B1 až B5 vypočítávají hodnoty charakteristických znaků Mpd a Mriss pomocí vzorců F1 a F2. Ukazuje se, že ocelové plechy StBf8] ···· • φ • · · · « ·« 9 splňují požadavky kritéria Q s vyšší spolehlivostí než ocelové plechy

StBΓ51, z nichž plechy šarže A3 a A5 nesplňují požadavky stanovené na hodnotu charakteristického znaku Mpd ani při vzetí v úvahu příslušné tolerance (diagram na obr. 3a a na obr. 3b).

Claims (9)

1. Způsob automatického výběru plechů pro tváření konstrukčních prvků, zahrnující následující kroky:

al) příprava hodnot vlastností materiálu plechů, zásadně vhodných pro tváření, a2) zadání mezí požadovaných oblastí, v jejichž rámci mají ležet vlastnosti materiálu definitivně vybraného plechu, určující chování tváření, a3) stanovení matematické funkce, popisující vliv dotyčných vlastností materiálu na alespoň jeden charakteristický znak tvářecího chování plechu, ve které jsou dotyčným vlastnostem materiálu přiřazeny aktuálně proměnné a alespoň jedné z proměnných je přiřazen koeficient, k tomuto konkrétnímu času neurčitý,

b) zjištění hodnot charakteristického znaku tvářecího chování pro různé kombinace hodnot vlastností materiálu, přičemž se vybírají vzájemně kombinované hodnoty požadovaných oblastí vlastností materiálu, daných v kroku a2) a počtu kombinací, pro které se aktuálně určuje charakteristický znak tvárnosti, alespoň rovný počtu neurčitých koeficientů matematických funkcí,

c) určení dosud neurčitých koeficientů matematických funkcí, daných v kroku a3),

d) určení aktuálních hodnot charakteristických znaků tvářecí vlastnosti pro každý plech, jehož hodnoty vlastností materiálu byly připraveny v kroku al), použitím hodnot vlastností materiálu každého plechu v matematické funkci za použití koeficientů, určených v kroku c),

e) vydání plechu, pro který je nejlépe splněn charakteristický znak tvářecí vlastnosti, určený v kroku d) při zohlednění předem daného kritéria výběru.

« · « ·« 9

2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že matematickou funkcí je lineární funkce.

3. Způsob podle nároku 2, vyznačující se tím, že matematická funkce obsahuje nejméně čtyři proměnné.

4. Způsob podle nároku 3, vyznačující se tím, že jedné z proměnných je přiřazena mez průtažnosti, jedna z mezí pevnosti v tahu, jeden z exponentů zpevnění a jedna ze středních hodnot r.

5. Způsob podle jednoho z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že v kroku b) se vzájemně kombinují hodnoty vlastností materiálu, které vždy odpovídají jedné z mezí požadované oblasti materiálových oblastí.

6. Způsob podle jednoho z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že kroky a3) až d) se zjišťují pro alespoň dva rozdílné charakteristické znaky tvářecí vlastnosti, a že kritérium výběru, zohledněné v kroku e) zohledňuje dodržování požadované hodnoty pro každý z těchto charakteristických znaků.

7. Způsob podle jednoho z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že pro určitý počet plechů zvolené šarže jakostní třídy plechů, ke kterým patří plech vydaný v kroku a), se určují vlastnosti materiálu, že pro každý ze zvolených plechů se určuje aktuální hodnota charakteristického znaku tvářecí vlastnosti, odpovídající kroku d), a že se při tváření nezohledňují ty plechy jakostní třídy plechů, které nesplňují kritéria výběru.

8. Způsob podle jednoho z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že v kroku b) se pomocí matematického modelu, popisujícího ·· ·· ·· 0···

0·0

0·00

0000 00 tvářecí chování, zjišťují hodnoty charakteristických znaků tvářecích vlastností.

9. Způsob podle nároku 8, vyznačující se tím, že jako matematický model se používá metoda konečných prvků.