Experimental study and numerical simulation of the hemming process of automotive parts
Étude physique et modélisation numérique du procédé de sertissage de pièces de carrosserie
Résumé
Hemming is an assembly process using to join sheet metal parts for closures of automotive bodies such as side doors, hoods and tailgates. An outer sheet metal is bent onto an inner sheet metal in three steps: flanging, pre-hemming and hemming. But hemming generates a reduction in size of the outer panel (roll-in), aspect defects and some times cracks of the sheet metals. In order to minimize the development cost and time, PSA Peugeot Citroën for simulates numerically the process with the finite element code OPTRIS v6.1 based on a shell element formulation. Because of bad predictions of the simulations, the aim of this work is to improve numerical simulations by a better understanding and modeling of material model used for sheet metals and friction model between the outer part and the hemming dies. Because the radius of curvature of the outer sheet is comparable to its thickness, we estimate the performance of shell elements to model such large strains. Uni-axial tensile tests coupled with a strain measurement system using correlation of digital images are performed with micro-hardness tests on hemmed parts. The aim is to determine the monotonic hardening curves at strain levels similar to those obtained in the extension part of the hemmed sheet (around 0.5 for 1 mm thick aluminum alloy sheets and 0.7 for 0.7 mm thick steel sheets). Otherwise, 4 point bending and bending/unbending tests are performed for the material characterization in non monotonic straining conditions similar to those in hemming. The tests show the relevance of the monotonic hardening laws deduced from tensile and micro-hardness tests. Moreover, they allow the Bauschinger effect characterization by the identification of the coefficients of mixed isotropic/kinematic hardening models. An experimental device has been developed for the hemming tests of flat parts with straight edge. It permits the measurement of friction between the outer sheet and the hemming dies is set up. The tests show that the classical Coulomb friction model is sufficient to describe tribology in hemming. This characterization method of friction is adapted to the semi-industrial hemming tests of flat parts with curved edge. The numerical simulations of hemming of flat parts with straight edge are performed with a mechanical model based on bending theory and the finite element codes OPTRIS v6.1 and FORGE2® (solid elements in plane strain conditions). A sensitivity analysis show the strong sensitivity of the roll-in to the friction coefficient and the necessity of modelling the several steps of the hemming process and of taking into account kinematic hardening in material model. Finally, the similarity of the numerical roll-in obtained with OPTRIS v6.1 and FORGE2® demonstrates that the shell elements are able to model hemming process.
Le sertissage est un procédé d'assemblage par pliage des tôles métalliques utilisé pour la mise en forme d'ouvrants automobiles: portières, capots, volets... Il consiste à replier une tôle extérieure (peau) sur une tôle intérieure (doublure) en trois étapes: tombage de bord (repli à 90°), présertissage (avec une lame à 45°) et sertissage (avec une lame horizontale). Le procédé entraîne une réduction géométrique des pièces (enroulement), des défauts d'aspect et parfois une fissuration des tôles. Afin de réduire les coûts et les délais de conception, PSA Peugeot Citroën simule numériquement le procédé à l'aide du logiciel de calculs par éléments finis OPTRIS v6.1 qui utilise des éléments coques. Le but du travail est de fiabiliser la simulation numérique du procédé à travers la modélisation du comportement rhéologique des tôles en pliage et du frottement entre la tôle (peau) et les outils. En outre, comme en sertissage le rayon de courbure de la tôle (peau) devient comparable à son épaisseur, on évalue la performance des éléments coques à simuler ces fortes déformations. Des essais de traction uni-axiale couplés à la mesure de déformations par corrélation d'images ainsi que des essais de microdureté sur pièces serties sont réalisés. L'objectif est d'affiner les lois d'écrouissage des tôles pour des déformations plastiques représentatives de celles atteintes localement dans la partie en extension de la tôle sertie (de l'ordre de 0,5 pour les tôles en alliage d'aluminium d'épaisseur 1 mm et 0,7 pour les tôles en acier d'épaisseur 0,7 mm). Par ailleurs, des essais de flexion 4 points et de pliage/dépliage sont réalisés pour caractériser le comportement des tôles dans des modes de déformations non monotones plus représentatifs du sertissage. Ces essais montrent la pertinence des lois d'écrouissage monotone déduites des essais de traction et de microdureté. Ils permettent de surcroît la caractérisation de l'effet Bauschinger par identification des coefficients de modèles d'écrouissage combiné isotrope/cinématique. Un dispositif de sertissage de pièces planes à bord rectiligne a été développé et permet de mettre en place une méthode de caractérisation du frottement entre la tôle et les outils en sertissage. Les essais montrent que le modèle classique de Coulomb est suffisant pour décrire le frottement en sertissage. Ils fournissent de plus des valeurs du coefficient de frottement de Coulomb constant représentatives de la tribologie du procédé. La méthode de caractérisation du frottement est adaptée aux essais semi-industriels de sertissage de pièces plates à bord courbe (en rétreint et expansion). Les simulations du sertissage des pièces plates à bord rectiligne sont réalisées avec un modèle mécanique qui s'appuie sur la théorie de la flexion et les codes de calculs par éléments finis OPTRIS v6.1 et FORGE2® (éléments volumiques en déformations planes). Une étude de sensibilité sur l'enroulement montre la forte sensibilité au coefficient de frottement et la nécessité de simuler correctement toutes les étapes du procédé de sertissage et de tenir compte de l'écrouissage cinématique des tôles. Enfin, la similitude des enroulements calculés par OPTRIS v6.1 et FORGE2®, montre que l'utilisation des éléments coques est assez pertinente pour le calcul du sertissage.