Failure prediction in can’s deep drawing

Abstract

The deep drawing process is a suitable operation to produce cans. Although those containers are also manufactured with ceramics and plastics materials, aluminum and steel are typically used, considering safety and manufacturing costs. Nowadays, the finite elements analysis is commonly used in the cans tool design since it allows predicting quickly and accurately the earing profile, the thickness reduction and the occurrence of failure. However, the prediction of these phenomena is strongly affected by the material properties and also by the process conditions. Thus, it is important to improve the knowledge concerning the suitable constitutive model and numerical parameters. The process conditions considered in this work are the ones established for the BENCHMARK 1 – Failure Prediction after Cup Drawing, Reverse Redrawing and Expansion, proposed under the NUMISHEET 2016 international conference. In this example, the cup’s deep drawing is performed considering three processes: drawing, reverse redrawing and expansion. The aim is to predict the failure point, knowing this multi-step process causes complex nonlinear strain paths. The two materials considered are an AA5352 aluminum alloy and a TH330 steel, whose mechanical behavior is modelled taking into account the available experimental information. In order to understand the influence of the yield criterion, the mechanical behavior is modelled, for both materials, with the CB2001 yield criterion, which is known for its accurate description of the material anisotropic behavior, and with the CPB06, which also enables the description of tension-compression asymmetry. The numerical simulation of the forming process is performed using DD3IMP in-house code. The punch force evolution and the cup height in all phases, the thickness profile, after the reverse redrawing operation, and the strain paths are the evaluated variables. To try to predict the failure point in both materials, three methods were used, including the strain-based FLC, stress-based FLC and the through-thickness strain rate analysis. Globally, the aluminum alloys show a higher earing profile and number of ears than the steel. Moreover, it was only possible to predict the failure point in the AA5352 aluminum alloy with CB2001 yield criterion. Although the experimental results are not yet available, the aluminum alloy presents lower mechanical strength and lower formability for monotonic loads, as shown in the strain-based FLC. Thus, the fact that the aluminum alloy presents necking while no localized strain is predicted for steel is expected an accurate prediction.

A manufatura de latas, essencialmente associadas à conservação de alimentos, está muito ligada a processos de estampagem. Embora este tipo de lata possa ser construído com materiais cerâmicos ou plásticos, são tipicamente usadas ligas de aço e alumínio, devido à sua fiabilidade e custo reduzido. Atualmente, recorre-se a programas de simulação numérica na conceção das ferramentas de estampagem para a produção de latas, uma vez que permitem prever com elevada rapidez e exatidão a ocorrência de orelhas de estampagem, redução de espessura, ou mesmo de rotura. No entanto, a previsão destes fenómenos é fortemente influenciada pelas propriedades do material e ainda pelas condições do processo. Assim, é importante melhorar o conhecimento sobre os modelos constitutivos e os parâmetros numéricos a adotar. O exemplo analisado neste trabalho é o processo multi-etapa de estampagem de uma lata, que se enquadra com o caso de estudo: BENCHMARK 1 – Failure Prediction after Cup Drawing, Reverse Redrawing and Expansion, proposto no âmbito da conferência internacional NUMISHEET 2016. O processo de conformação da taça é composto por três fases consecutivas: estampagem, estampagem inversa e expansão. O objetivo é a previsão do ponto de rotura, sabendo que este processo multi-etapa envolve trajetórias complexas, não-lineares, de deformação. Os dois materiais em estudo são uma liga de alumínio, AA5352, e um aço, TH330, sendo o seu comportamento mecânico descrito com base na informação experimental disponível. De modo a compreender a influência do critério de plasticidade, o comportamento mecânico dos dois materiais é modelado com o critério de plasticidade CB2001, conhecido por permitir uma correta descrição do comportamento anisotrópico do material, e com o CPB06, que permite também a descrição da assimetria entre o comportamento à tração e à compressão. As simulações numéricas do processo foram realizadas com o programa DD3IMP. As variáveis analisadas foram a evolução da força dos diferentes punções, a altura da taça em cada fase, o perfil de espessura depois da estampagem inversa, e as trajetórias de deformação. Para procurar prever o ponto de rotura, para ambos os materiais, foram testados três critérios: curva limite de estampagem (CLE) definida no espaço das deformações, CLE definida no espaço das tensões e análise da taxa de redução da espessura. Globalmente, os resultados mostram que a liga de alumínio apresenta um maior número de orelhas de estampagem, de maior amplitude, do que o aço. Além disso, apenas foi possível prever a rotura para o alumínio AA5352 com o critério de plasticidade CB2001. Apesar de os resultados experimentais não estarem ainda disponíveis, a liga de alumínio apresenta menor resistência mecânica e menor formabilidade, para trajetórias monótonas, como mostra a CLE. Assim, o facto de ser prevista rotura para a liga de alumínio, e não ser para o aço, pode estar de acordo com os resultados experimentais.