Extended experimental and numerical study to improve the blanking process in terms of wear resistance of the tool and product quality

Abstract

Saç metal kesme işlemleri ayırma da dahil olmak üzere sanayi, ticari ve deneysel amaçlar için yaygın olarak kullanılmaktadır. Ayırma işleminin altta yatan fiziğini anlamak için, özellikle kesici uçtaki aşınma ve numunelerin yüzey pürüzlülüğü ayrılan bölgeye ait yuvarlanma bölgesi, perdahlanmis bölge uzunluğu ve kırılma bölgesi 36A çelik alaşımlı levha kullanılarak çeşitli testler aracılığı ile incelenmiştir. Deneyler, farklı ayırma boşlukları (% 2 ve % 15), delgi uç geometrileri (düz, içbükey, kesme, içbükey kesme ve Y-kesme yüzleri) düz yüzlü orta nokta zımbası dahil olmak üzere, delgi köşe yarıçap değerleri (0.001mm, 0.01mm, 0.1mm, and 0.2mm), sıcaklık (25˚C, 100˚C, 160˚C ve 270˚C), PVD kaplama çeşitleri (TiN, TiSiN, AlCrN, CrN ve AlTiN), temas koşulları (μ = 0,1 - 0,6 arası) ve polikristalin elmaslı kompakt zımba kullanılarak yapılmıştır. Mikroanaliz çalışmaları Bilkent Üniversitesi Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Enstitüsü'nde (UNAM) Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) kullanılarak yapılmıştır.Ürün özelliklerinin tahmin edilmesi, ayırma sürecini, süreç geliştirmeyi, inovasyon ve optimizasyonu gerçekleştirmek için önemlidir. Sonuç olarak, bu sürecin onaylanmış bir sayısal modelinin büyük bir değere sahip olması beklenir. Dolayısıyla, deneysel çalışmalardan sonra, sayısal araştırma için ayrıntılı bir sonlu eleman modeli geliştirilmiştir. Johnson-Cook malzeme modeli ve tamamlayıcı hasar modeli ile literatürde mevcut olan malzeme sabitleri kullanılarak saç malzemenin davranışı modellenmistir. Simülasyonlar Abaqus / Explicit sonlu elemanlar programı kullanılarak yarı statik bir şekilde gerçekleştirilmiştir. Testler ve simülasyonlar arasında benzerlik elde edilmiştir. Zımba ve kalıp arasındaki boşluk, takım ucunun geometrisi, takım köşe yarıçapı ve tabakanın başlangıç sıcaklığının önemli IV parametreler olduğu görülmüştür. %2 ayırma boşluğu, 0.01 mm ile 0.02 mm arası köşe yarıçapı ve 400° numune sıcaklığı optimum proses değerleri olarak görülmüştür. Deneylerde, düz yüzlü merkez noktalı kesici aletin ayırma işlemi için iyi bir alternatif olmadığı sonucuna varılmıştır. AlCrN kaplaması ve PDC kesici takımın takım yüzeyindeki aşınmayı en aza indirerek iyi performans gösterdikleri gözlemlenmiştir.

The shearing processes including sheet metal blanking have been widely used in the industry to manufacture work pieces for industrial, commercial and experimental purposes. In order to understand the underlying physics of the blanking process, specifically the tool wear and the surface finish of the samples with blanked-edge features such as the amount of roll over, and the extent of the burnished zone and the fracture zone various tests were conducted using A36 steel alloy sheet. The experiments are performed for different blanking clearances (2% and 15%), punch tip geometries (flat, concave, shear, concave shear, and Y-shear faces) including the novel flat-face center-point punches with various corner radius values (0.001 mm, 0.01 mm, 0.1 mm, and 0.2 mm), temperatures (25˚C, 100˚C, 160˚C and 270˚C), PVD coating types TiN, TiSiN,AlCrN,CrN andAlTiN, contact conditions (µ = 0.1 to 0.6), and specific tool type: polycrystalline diamond compact punch. Scanning Electron Microscopy (SEM) was used for microanalysis, conducted at the Institute of Materials Science and Nanotechnology (UNAM), Bilkent University. Prediction of the product quality is important for investigating the blanking process, process development innovation, and optimization. Consequently, a validated numerical model of this process is expected to have great value; therefore, after the experimental study, a detailed finite element model has been developed. The Johnson-Cook material model and its complementary damage model was used to represent the behavior of the sheet material, where the material constants available in the literature were used. The simulations were performed using commercially available Abaqus/Explicit in a quasi-static manner. A reasonably good agreement between the tests and simulations has been obtained. It was found that the clearance between punch and the die, geometry of the tool tip, corner radius of the punch, initial temperature of the sheet strongly affects the process a clearance of 2%, corner radius between 0.01 mm and 0.02 mm and an initial temperature of 400℃ for the samples, were considered as optimum process values. Experiments show that the novel flat-faced center-point punch was not a promising alternative to the blanking process. It was also observed that the tool with AlCrN coating and the PDC cutter show the best performance to minimize the wear on the tool surface.