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EFB-Forschungsbericht Nr. 265

Simulationsgestützte Verschleißberechnung durch Ermittlung von Verschleißkoeffizienten bei der Blechumformung

EFB265.JPG

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Hartmut Hoffmann,Dipl.-Ing. Gerald Nürnberg, Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen der Technischen Universität München

104 Seiten (sw 50, teils farbige Abb.)

ISBN: 978-3-86776-297-7

Preis (Digital) EUR 61,00

Preis (Print) EUR 69,00

Zusammenfassung

In der vorliegenden Arbeit wurde die simulationsgestützte Verschleißberechnung in der Blechumformung basierend auf den Ergebnissen des Vorgängerprojekts AiF 12646N "Einsatz numerischer Methode zur Verschleißbewertung von Werkzeugen der Blechumformung" im Hinblick auf die Optimierung der Berechnungsqualität weiterentwickelt. Um dieses Ziel zu erreichen wurde ein neuartiges Verfahren zur Verschleißprüfung entwickelt, umgesetzt und erprobt.

Es wurde ein Folgeverbundwerkzeug umgebaut, sodass automatisiert Versuche mit hoher Hubanzahl zur Untersuchung der Verschleißentwicklung durchgeführt werden können. Zur Dokumentation des Verschleißabtrags im Mikrometerbereich wurde eine Messkette entwickelt, die taktile und optische Messverfahren ergänzend einsetzt.

Indem anstatt eines Modellversuchs ein Napf-Tiefziehprozess für die Verschleißprüfung eingesetzt wurde, konnten die Verschleißentwicklungen der untersuchten Werkstoffpaarungen unter Prozessbedingungen beobachtet werden.

Mit Hilfe einer Kombination aus FE-Simulation und experimentellen Messwerten war es dann möglich, Verschleißkoeffizienten zu berechnen, die das Werkstoffverhalten unter den vorliegenden Randbedingungen genau wiedergeben.

Dafür wurde für die am utg entwickelte Verschleißsimulationssoftware REDSY ein Kalbrierungsverfahren implementiert und um Schnittstellen für mehrere FEProgramme erweitert. Es wurden Verschleißuntersuchungen mit den Werkzeugwerkstoffen GS60, GGG70L und 1.2379 in Kombination mit den Blechwerkstoffen DC05, HC380LAD und HC400TD durchgeführt. Für alle untersuchten Werkstoffpaarungen wurden Verschleißverläufe ermittelt und Verschleißkoeffizienten berechnet.

Es konnte nachgewiesen werden, dass das entwickelte Verfahren zur simulationsgestützten Verschleißberechnung qualitativ und quantitativ mit dem Experiment übereinstimmt. Die Berechnungsgenauigkeit wurde zudem gesteigert, indem das Simulationsverfahren nun auf digitalisierte Werkzeugoberflächen aufbauen kann.

Ein zentrales Ergebnis der vorliegenden Arbeit ist darüber hinaus die Erkenntnis, dass nicht nur die Festigkeit der Blechwerkstoffe, sondern insbesondere auch die tribologischen Verhältnisse den Werkzeugverschleiß maßgeblich beeinflussen. So konnte bei Blechwerkstoffen höherer Festigkeit bei verbesserten tribologischen Eigenschaften weniger Verschleiß gemessen werden, als bei weichen Blechwerkstoffen mit schlechten tribologischen Eigenschaften.

Dies lässt den Schluss zu, dass die Tribologie der Oberfläche des Blechwerkstoffs in weit größerem Maße als angenommen die Verschleißeigenschaften im Tiefziehprozess bestimmt.

Das Forschungsvorhaben "Simulationsgestützte Verschleißberechnung durch Ermittlung von Verschleißkoeffizienten bei der Blechumformung" wurde unter der Fördernummer AiF 12646N  von der EFB e.V finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AIF e.V) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWI) gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 265 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

In this project, the quality of the simulative wear prediction in sheet metal forming applications was improved based on the results of the project AiF 12646N. In order to reach this goal, a new method of investigating the wear characteristics was developed.

For this investigation, a follow-on-composite tool was adapted in order to conduct automated experiments with a high number of punch strokes. A measurement method for an accurate documentation of the wear defects was developed using a tactile and an optical measurement device supplementing each other.

Using a cup deep drawing experiment instead of a model experiment like a strip deep drawing test or a pin on disk test, the wear behavior of the investigated material pairs could be observed under real process conditions. Combining the results of a Fesimulation and the experimental values, wear coefficients exactly representing the actual material behavior under the existing boundary conditions could be computed.

Therefore, a calibration algorithm was implemented for the wear simulation software REDSY, originally developed at the Institute of Metal Forming and Casting.

Furthermore, interfaces for several FE-programs were implemented in order to extend the possible circle of industrial users. Wear investigations were conducted with the tool materials GS60, GGG70L and 1.2379 in different combinations with the sheet materials DC05, HC380LAD and HC400TD. The wear characteristics for all investigated material pairs were determined and wear coefficients were computed.

It could be proved that the method to calculate wear with FE simulation developed in this project is in excellent qualitative and quantitative agreement with the experiments. By using digitalized tool surfaces instead of CAD-geometries the accuracy of the wear simulation could be improved even more.

The experimental results of this project show, that not only the strength of the sheet material, but particularly also the tribological conditions determine the tool wear. Sheet materials with a higher strength and improved tribological properties showed less wear than mild steel grades with poor tribological properties.

Therefore it can be concluded, that the tribology of the sheet surface has a far greater influence on the wear behavior of the deep drawing process, than generally assumed.

Inhalt

Verzeichnis der Kurzzeichen
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Tiefziehen
2.1.1 Definition
2.1.2 Spannungszustände beim Tiefziehen
2.1.3 Umformkräfte beim Tiefziehen
2.2 Tribologie des Tiefziehens
2.2.1 Reibung beim Tiefziehen
2.2.2 Schmierung beim Tiefziehen
2.3 Verschleiß beim Tiefziehen
2.3.1 Tribochemische Reaktionen (Tribooxidation, Korrosion)
2.3.2 Adhäsion
2.3.3 Abrasion
2.3.4 Oberflächenermüdung
2.3.5 Verschleiß in Abhängigkeit von der Beanspruchungsdauer
2.4 Methoden der Verschleißprüfung
2.5 Verschleißmodelle
2.6 Verschleißsimulation
3 Zielsetzung und Aufgabenstellung
4 Versuchs- und Messeinrichtungen
4.1 Versuchseinrichtungen
4.1.1 Presse
4.1.2 Versuchswerkzeug
4.2 Meßeinrichtungen
4.2.1 Optische Oberflächendigitalisierung mit GOM ATOS
4.2.2 Profilmeßsystem
4.2.3 Lichtmikroskop
4.2.4 Härtemessung
4.2.5 Zugprüfmaschine
4.2.6 Rasterelektronenmikroskop
5 Versuchswerkstoffe
5.1 Werkzeugwerkstoffe
5.2 Blechwerkstoffe
5.2.1 Zugversuche
5.2.2 Blechoberflächenstruktur
6 Versuchsplan
7 Versuchsdurchführung
7.1 Initialvermessung
7.2 Verschleißprüfung
7.3 Verschleißvermessung
7.3.1 Taktiles Profilschnittverfahren
7.3.2 Optische Oberflächendigitalisierung
7.4 Berechnung der hubanzahlabhängigen Verschleißkoeffizienten
7.4.1 Modellierung des Versuchsaufbaus in der Umformsimulation
7.4.2 Berechnungsverfahren auf Grundlage von 3D-Messdaten
7.4.3 Berechnungsverfahren auf Grundlage von Profilmessdaten
8 Versuchsergebnisse
8.1 Verschleißentwicklung der untersuchten Werkstoffpaarungen
8.2 Vergleich der untersuchten Werkstoffpaarungen
9 Ergebnisse der Software-Entwicklung
9.1 Weiterentwicklung der Verschleißsimulationssoftware
9.2 Modifikation des Verschleißmodells
9.3 Verifikation
10 Zusammenfassung und Ausblick
10.1 Zusammenfassung
10.2 Ausblick
10.3 Aus der vorliegenden Arbeit bisher entstandene Veröffentlichungen
11 Verzeichnisse
11.1 Abbildungsverzeichnis
11.2 Tabellenverzeichnis
11.3 Literaturverzeichnis