Contribution to the characterization and the modeling of the influence strain rate and temperature on the behavior in thin sheet blanking
Contribution à la caractérisation et à la modélisation de l'influence de la vitesse et de la température sur le comportement en découpage de tôles minces
Résumé
Blanking of thin sheets in copper alloys is a widely used forming process for manufacturing electronic components. Two main features enable to characterize this process: on one hand, the cut edge profile represents the quality of the product and on the other hand, the blanking force leads to the definition of the tools (materials of the punch and the die, speed and power of the mechanical presses, etc.). Numerical modelling allows us to quickly obtain answers concerning these two aspects without experiments. Within the research team “Modelling of Materials Forming” of the Applied Mechanics Laboratory R. Chaléat, a finite element software untitled Blankform© and dedicated to the two-dimensional simulation of blanking has been developed for a few years.
In order to obtain a better numerical prediction of the blanking force, we first perform the experimental characterization of the thermo-elasto-viscoplastic behaviour of the CuNiP copper alloy by tensile tests at imposed temperatures and strain rates. A specific constitutive law, which takes account of the material sensitivity to strain rate and temperature, is proposed based on experimental results. After the implementation of this law into the finite element software, the blanking simulation of thin sheets in CuNiP alloy shows that the maximum blanking force is correctly predicted.
During the blanking process, several materials like Cua1 copper present a phenomenon of dynamic recrystallization. Tensile tests on this copper allow us to characterize the mechanical behaviour of the material. Then a thermo-elasto-viscoplastic model with dynamic recrystallization is proposed within the framework of the thermodynamics of the irreversible processes. The application of this model to blanking process shows that it qualitatively predicts the phenomena observed in experiments for the Cua1 copper.
The two-dimensional modelling of blanking is often used for stamp parts of simple shapes. However, for complex shapes, it is necessary to solve the problem by a three-dimensional analysis. Using an industrial study case, a three-dimensional modelling of blanking is carried out in order to study the influence of the technological parameters on the distributions of the stresses and the strains. The numerical results corroborate the experimental observations on terms of cut edge profile.
In order to obtain a better numerical prediction of the blanking force, we first perform the experimental characterization of the thermo-elasto-viscoplastic behaviour of the CuNiP copper alloy by tensile tests at imposed temperatures and strain rates. A specific constitutive law, which takes account of the material sensitivity to strain rate and temperature, is proposed based on experimental results. After the implementation of this law into the finite element software, the blanking simulation of thin sheets in CuNiP alloy shows that the maximum blanking force is correctly predicted.
During the blanking process, several materials like Cua1 copper present a phenomenon of dynamic recrystallization. Tensile tests on this copper allow us to characterize the mechanical behaviour of the material. Then a thermo-elasto-viscoplastic model with dynamic recrystallization is proposed within the framework of the thermodynamics of the irreversible processes. The application of this model to blanking process shows that it qualitatively predicts the phenomena observed in experiments for the Cua1 copper.
The two-dimensional modelling of blanking is often used for stamp parts of simple shapes. However, for complex shapes, it is necessary to solve the problem by a three-dimensional analysis. Using an industrial study case, a three-dimensional modelling of blanking is carried out in order to study the influence of the technological parameters on the distributions of the stresses and the strains. The numerical results corroborate the experimental observations on terms of cut edge profile.
Le découpage de tôles minces en alliages de cuivre est un procédé de mise en forme très utilisé pour la fabrication de composants électroniques. Deux aspects permettent la caractérisation du procédé : d'une part, le profil de découpe représente la qualité du produit et d'autre part, l'effort de découpage conduit à la définition de l'outillage (matériaux du poinçon et de la matrice, la vitesse et la puissance des presses, etc.). La modélisation numérique permet d'obtenir des réponses rapides sur les questions concernant ces deux aspects. Au sein de l'équipe modélisation et mise en forme des matériaux du Laboratoire de Mécanique Appliquée R. Chaléat, un code de calcul par éléments finis dédié à la simulation bidimensionnelle du découpage a été développé depuis quelques années (Blankform©).
Afin d'obtenir une meilleure prédiction de l'effort de découpage par simulation numérique, notre démarche commence par la caractérisation expérimentale du comportement thermo-élasto-viscoplastique de la nuance de cuivre CuNiP par des essais de traction à températures et à vitesses de déformation imposées. Suite à ces essais, une loi de comportement particulière permettant la prise en compte de la sensibilité du matériau à la vitesse et à la température a été proposée. Après l'implémentation de cette loi dans le code de calcul, l'application du modèle au découpage d'une tôle mince en CuNiP, dans un cadre adiabatique, montre que l'effort maximal de découpage est correctement prédit.
Lors d'une opération de découpage, certaines nuances de cuivre, comme le Cua1, présentent un phénomène de recristallisation dynamique. Les essais de traction sur cette nuance nous ont permis de caractériser le comportement mécanique du matériau. Sur cette base spécifique, un modèle de comportement thermo-élasto-viscoplastique avec prise en compte de la recristallisation dynamique a été proposé dans le cadre de la thermodynamique des processus irréversibles. L'application de ce modèle au découpage montre qu'il permet de prédire qualitativement les phénomènes observés expérimentalement pour cette nuance.
La modélisation bidimensionnelle du découpage est souvent utilisée pour des empreintes de formes relativement simples. Cependant, pour des formes complexes, il est nécessaire de résoudre le problème par une analyse tridimensionnelle. A partir d'un cas d'étude industriel, une modélisation tridimensionnelle du découpage a été réalisée afin d'étudier l'influence des paramètres technologiques sur la distribution des contraintes et des déformations. Les résultats numériques obtenus corroborent bien les constatations expérimentales en termes de profil de découpe.
Afin d'obtenir une meilleure prédiction de l'effort de découpage par simulation numérique, notre démarche commence par la caractérisation expérimentale du comportement thermo-élasto-viscoplastique de la nuance de cuivre CuNiP par des essais de traction à températures et à vitesses de déformation imposées. Suite à ces essais, une loi de comportement particulière permettant la prise en compte de la sensibilité du matériau à la vitesse et à la température a été proposée. Après l'implémentation de cette loi dans le code de calcul, l'application du modèle au découpage d'une tôle mince en CuNiP, dans un cadre adiabatique, montre que l'effort maximal de découpage est correctement prédit.
Lors d'une opération de découpage, certaines nuances de cuivre, comme le Cua1, présentent un phénomène de recristallisation dynamique. Les essais de traction sur cette nuance nous ont permis de caractériser le comportement mécanique du matériau. Sur cette base spécifique, un modèle de comportement thermo-élasto-viscoplastique avec prise en compte de la recristallisation dynamique a été proposé dans le cadre de la thermodynamique des processus irréversibles. L'application de ce modèle au découpage montre qu'il permet de prédire qualitativement les phénomènes observés expérimentalement pour cette nuance.
La modélisation bidimensionnelle du découpage est souvent utilisée pour des empreintes de formes relativement simples. Cependant, pour des formes complexes, il est nécessaire de résoudre le problème par une analyse tridimensionnelle. A partir d'un cas d'étude industriel, une modélisation tridimensionnelle du découpage a été réalisée afin d'étudier l'influence des paramètres technologiques sur la distribution des contraintes et des déformations. Les résultats numériques obtenus corroborent bien les constatations expérimentales en termes de profil de découpe.
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