Procesparameter-, geometrische- & vibro-akoestische variabiliteit: de studie van oorzakelijk verband in het dieptrekproces

Eentraps dieptrekken wordt veel gebruikt in de auto-industrie omwille van de korte cyclustijden, kostenefficiëntie en de eenvoudige implementatie. Echter, het bereiken van de gewenste maatnauwkeurigheid van een ontworpen onderdeel blijft met dit productieproces een uitdaging omwille van complexe fenomenen, zoals terugvering. Daarom worden procesparameters, zoals de kracht die de plooihouder uitoefent op de blenk, tijdens het dieptrekken tegenwoordig continu aangepast binnen het acceptabele bereik om defectvrije onderdelen te produceren. Vaak wordt echter vastgesteld dat dit resulteert in zowel geometrische profielals diktevariaties in vergelijking naar het nominale ontwerp. Hoewel deze variaties klein en acceptabel zijn vanuit het oogpunt van maatnauwkeurigheid, kunnen ze toch een aanzienlijk effect hebben op het vibro-akoestische gedrag van de component. Een dieper inzicht in de impact van procesparameters op geometrische variaties van het geproduceerde onderdeel en de resulterende vibro-akoestische eigenschappen is daarom nodig om het geluid en de trillingen (NVH – noise vibration and harshness) van massa-geproduceerde componenten te verbeteren. Echter, dergelijke gedetailleerde kennis, die het volledige productieproces van diepgetrokken componenten omvat, ontbreekt momenteel nog.

Dit onderzoek heeft tot doel inzicht te verschaffen in de complexe relatie tussen procesparameters en de vibro-akoestische eigenschappen van diepgetrokken componenten. Hiertoe worden twee referentiegeometrieën numeriek en experimenteel geanalyseerd: een representatieve oliecarter met een hoge trekverhouding en een set cilindrische kopjes. De geometrie van de geproduceerde componenten wordt eerst geanalyseerd met behulp van een witlicht scanproces. Daarbij wordt een afwijking van het geometrieprofiel tot 5 mm en een diktevariatie van 40% ten opzichte van het nominale ontwerp vastgesteld. Het belang van deze geometrische variaties voor het vibro-akoestisch gedrag wordt aangetoond door het vergelijken van de resultaten van een experimentele modale analyse en vibro-akoestische simulatiemodellen van het nominaal ontwerp en van de geometrieën verkregen uit de scan van het fysieke onderdeel en uit
simulaties van het vormingsproces. Hieruit blijkt dat de eigenfrequenties van de reële component tot 14% afwijken in vergelijking met het nominale ontwerp. Bovendien verschilt de trillingsrespons van het eigenlijke onderdeel aanzienlijk van die voorspeld aan de hand van het numerieke model van de nominale geometrie. Vergelijkbare verschillen worden waargenomen tussen de verschillende numerieke modellen voor het uitgestraalde structuur- enluchtgeluid. Deze resultaten illustreren de noodzaak om de variaties van het geometrieprofiel en de dikte in rekening te brengen om nauwkeurige vibroakoestische simulatiemodellen te bekomen.

Een van de methoden om betrouwbare eindige elementen (FE) modellen op te stellen, die het gedrag van het bestudeerde systeem nauwkeurig voorspellen, is door een model update procedure. Een conventionele aanpak, waarbij de Young’s modulus, dichtheid en dempingsverhoudingen bijgesteld worden, leidt niet tot een goede overeenkomst tussen gesimuleerde en experimentele resultaten voor diepgetrokken componenten, waar de verschillen tussen model en werkelijkheid voornamelijk veroorzaakt worden door geometrische variaties. Daarom wordt een
nieuwe procedure voorgesteld, waarbij geometrische vormvariabelen aangewend worden om de geometrie van het FE-model gradueel aan te passen. De optimalisatieprocedure maakt gebruik van het Global Response Surface Method (GRSM) algoritme om diagonale termen van de Modal Assurance Criterion (MAC) matrix te maximaliseren, en resulteert in een nauwkeuriger FEmodel. Een bijkomend voordeel van de voorgestelde methodologie is dat het CAD-oppervlak van het bijgewerkte eindige-elementenmodel na optimalisatie gemakkelijk verkregen kan worden.

Systemen waarbij de kracht uitgeoefend door de plooihouder op de blenk (BHF – Blank Holder Force) continu aangepast wordt, veroorzaken niet alleen afwijkingen ten opzichte van de nominale onderdeelgeometrie, maar ook een aanzienlijke variabiliteit van zowel de geometrie als de functionele prestaties van het onderdeel. De invloed van de BHF en de wrijvingscoëfficiënt op vibro-akoestische eigenschappen wordt daarom onderzocht door middel van simulaties. De resultaten van een vormingsanalyse – geometrieprofiel en verdunning - worden gebruikt om het vibro-akoestisch gedrag van de gevormde component te voorspellen. Er wordt aangetoond dat de geometrische profiel- en diktevariaties klein zijn, maar desondanks een aanzienlijke invloed hebben op de trillingsrespons en het uitgestraalde geluid. Een soortgelijke analyse wordt experimenteel uitgevoerd door twee nominaal identieke oliecartercomponenten
te vergelijken. De eigenfrequenties verkregen voor de vrij trillende oliecarters variëren tot 20% voor de eerste zes modes, en significante verschillen in de modevormen worden waargenomen. Dit resulteert in een verschil van 2dB(A) voor de afgestraalde geluidsvermogensniveaus van de twee componenten.

Ten slotte wordt een set cilindrische bekers geanalyseerd, die zijn vervaardigd met verschillende BHF, om de vibro-akoestische variabiliteit binnen en tussen batches diepgetrokken componenten te kwantificeren. Er wordt waargenomen dat het verhogen van de BHF de gemiddelde trillingsniveaus vermindert, maar de variantie binnen de batch verhoogt. Een ontwerp van experimenten (DOE – Design of Experiments) studie, gebaseerd op Taguchi orthogonale arrays en numerieke simulaties, is uitgevoerd om de effecten van individuele procesparameters op de vibro-akoestische respons in kaart te brengen. De bekomen correlatie bevestigt de experimentele waarnemingen en kan gebruikt worden om de juiste procesparameters te selecteren, en om zo de vibroakoestische variabiliteitsdoelen te bereiken.