Experimental and numerical study of springback of aluminium alloys after drawing
Étude expérimentale et numérique du retour élastique des alliages d'aluminium après emboutissage
Résumé
Springback is still a serious problem in sheet metal forming. Its origin lies in the elastic recovery of materials after a deep drawing operation. Springback modifies the final shape of the part and causes an increase of manufacturing costs. Although product manufacturability relies heavily on results of finite element analysis simulations, the prediction of springback still remains a major topic of current investigation on sheet metal forming. This study deals with springback in Al5754-O aluminum alloy. An experimental test similar to the Demeri benchmark test is performed using a reverse re-drawing device. Drawn cups are 100mm in diameter. A 20mm-high ring specimen is cut from a drawn cup and is split longitudinally along any radial plane. Residual stresses induced in part during manufacturing are allowed to relax and create a large springback which leads to an increase of measurement accuracy and reduces experimental error. The experimentally measured springback is compared to predicted springback simulations using Abaqus code. The whole deep drawing process of a semi-blank is simulated and numerical split of ring is performed. This analysis uses 3D solid deformable elements. Several material models are analysed, all models using isotropic hardening of Voce type and the following plasticity criteria: Von Mises, Hill 48 and Barlat's yield criterion which has been implemented in Abaqus with subroutine UMAT as a new constitutive mode. Main observed values are cup thicknesses according to material orientations, stress evolution along thickness and rings gaps after splitting. Drawing process simulations show good results whereas springback predictions show slightly different results compared to experiment. Numerical simulation results can nevertheless be improved by choosing proper numerical parameters and the appropriate material models.
Cette étude, réalisée dans le cadre d'une thèse co-financée par la région Bretagne et l'Union Européenne, a pour objectif l'étude expérimentale et numérique du retour élastique après emboutissage. Ce phénomène, néfaste aux procédés de mise en forme dans le contexte industriel, modifie la forme finale des pièces fabriquées. Le retour élastique est issu des contraintes résiduelles, engendrées lors de la mise en forme, qui se relaxent lors du retrait des outils et des différentes étapes de découpe. L'étude porte sur deux alliages d'aluminium : Al5754-O et Al6016-DR130-T4. Leur caractérisation mécanique est réalisée à partir d'essais de traction et de cisaillement monotone et cyclique, afin de mesurer l'effet Bauschinger. La détermination des paramètres matériaux de lois de comportement élastoviscoplastiques à écrouissage isotrope et mixte, associés à des critères de plasticité isotrope ou anisotrope, a été réalisée. Des essais d'emboutissage de godets cylindriques ont été effectués à température ambiante pour les deux matériaux. Le retour élastique est mis en évidence après la découpe d'un anneau dans le mur d'un godet, puis l'ouverture de celui-ci. Différents paramètres expérimentaux comme l'effort de serre-flan et la vitesse d'avance du poinçon ont été étudiés dans le cas de l'alliage d'aluminium Al6016. Ces essais ont permis de constituer une base de données expérimentale conséquente pour les deux matériaux. La modélisation du procédé d'emboutissage a été réalisée avec le code de calcul par éléments finis Abaqus, ainsi que la prédiction du retour élastique. Plusieurs paramètres numériques comme le type d'éléments finis, la forme du maillage ou le procédé de découpe numérique, ont été étudiés. Cela a permis d'établir une configuration numérique de référence pour tester l'influence de la loi de comportement sur la modélisation du procédé d'emboutissage et la prédiction du retour élastique. Un dernier aspect envisagé dans notre étude concerne l'influence de la température sur le procédé de mise en forme et le retour élastique. La température joue un rôle important lors des différentes phases de mise en forme, engendrant une importante diminution des efforts mis en jeu et également du retour élastique. L'étude porte sur l'alliage d'aluminium Al5754 et sur une gamme de température comprise entre 25 et 200°C. La modélisation des effets de la température est réalisée en utilisant un modèle de comportement élastoviscoplastique à écrouissage isotrope prenant en compte la température et couplé à un critère de plasticité isotrope.