CAE-basierte Vorhersage von Bauteileigenschaften

Transkript

1 Ziel à Numerische Methoden zur exakten Abbildung von Prozessketten (Kaltumformung, Zerspanung) und Bauteilprüfung (Struktursimulation) zur Ausnutzung von Bauteileigenschaften für neue Leichtbaupotentiale r z θ r z θ r z θ 1

2 Forschungsinstitute Felix Kolpak Florian Vogel Marcel Tiffe Maximilian Metzger Nadja Missal Forschungsvereinigungen Im Folgenden werden Ergebnisse aus dem Forschungsprojekt Leichtbau durch gezielte Einstellung lokaler Bauteileigenschaften mit optimierten Umform- und Zerspanprozessen ( P 157 / IGF-Nr N) präsentiert. 2

3 FE-Zerspansimulation CAEbasierte Vorhersage von Bauteileigenschaften FE-Umformsimulation Strukturmechanische Simulation 3

4 FE-Zerspansimulation FE-Umformsimulation CAEbasierte Vorhersage von Bauteileigenschaften Strukturmechanische Simulation 4

5 Lokale Bauteileigenschaften in FEM-Umformsimulationen Vorteile der Kaltumformung Endkonturnahe Fertigung Kaltverfestigung Belastungsgerechter Faserverlauf Umformsimulation Axialspannung σ z in MPa FEM-basierte Bauteilauslegung (St. d. T.) Umformgeschichte wird nicht berücksichtigt (Mehrstufigkeit!) Werkstoffverhalten wird nur unzureichend genau abgebildet Experiment Leichtbaupotentiale werden nicht ausgeschöpft 5

6 Experimentelle Untersuchungen Versuche Lokale Bauteileigenschaften Umformversuche (Voll-Vorwärts-Fließpressen) Standard-Fließkurven (IFU) Reibwertermittlung durch Ringstauchversuche Mikroskopie à Faserverlauf Eigenspannungsmessung (Bohrlochmethode) Marko-/Mikrohärtemessungen Richtungsabhängige Festigkeit ε =,7 ε = 1, Faserverlauf Härteverteilung Härte HV,2 ε = 1,2 6

7 Einfluss kinematischer Verfestigung auf die Bauteilfestigkeit Zugproben Druckproben A A 1 Umformgrad entlang Mittelachse φ Werkzeug = φ vor. ln (A / A 1 ) R p,2% -Dehngrenze in MPa Zugversuch Stauchversuch Δk f 3% Ausgangswerkstoff,7 1 1,2 Vordehnung ε vor 1% 8% 6% 4% 2% % Bauschingerkoeffizient in % Beobachtung Ziel Deutliche Richtungsabhängigkeit der Bauteilfestigkeit à Grund: Bauschingereffekt Verbesserte numerische Vorhersage der Bauteileigenschaften durch Berücksichtigung kinematischer Verfestigung 7

8 Verfestigungsmodelle und Parameterermittlung Standard isotrop Kinematisch 1. Armstrong-Frederick (1966) 2. Chaboche (1986) Zugversuch Zugversuch mit fließgepressten Proben Stauchversuch mit vorgezogenen Proben Stauchversuch mit fließgepressten Proben Isotroper Teil (hohe Vordehnungen) Kinematischer Teil Validierung Kombinierte (isotrop-kinematische) Verfestigung 8

9 Parameterermittlung für kombinierte Verfestigungsmodelle Isotrope Verfestigung 1. Zugversuche 2. Zugversuche mit fließgepressten Proben 3. Druckversuche Wahre Spannung σ in MPa Zugversuch Ausgangswerkstoff Zugversuch fließgepresst φ vor =,7 φ vor = 1, φ vor = 1,2,2,4,6,8 1 1, ,4 1,6 Logarithmische Dehnung φ Modellkurven Ludwik Swift Gosh Voce Parameterermittlung und gezielte Auswahl eines geeigneten Extrapolationsmodells 9

10 Parameterermittlung für kombinierte Verfestigungsmodelle Kinematische Verfestigung 1. Zugversuche 2. Zugversuche mit fließgepressten Proben 3. Druckversuche mit vorgezogenen Proben Wahre Spannung σ in MPa Zugversuch 3. Druckversuch Weicher Übergang Verringerte Streckgrenze Bleibende Entfestigung 4. Druckversuche mit Lüdersdehnung fließgepressten Proben,5,1,15,5,1,15,2,25,3,35,4,45,5 Wahre Dehnung ε Zug Wahre Dehnung ε Druck 1

11 Parameterermittlung für kombinierte Verfestigungsmodelle Kinematische Verfestigung 1. Zugversuche 2. Zugversuche mit fließgepressten Proben 3. Druckversuche mit vorgezogenen Proben 4. Druckversuche mit fließgepressten Proben Druckkraft F D in kn Relevanter Dehnungsbereich für Bauteileigenschaften Isotrop Armstrong- Frederick Chaboche Druckversuch vorverfestigt φ WZ = 1, Dehnung ε Druck in % 11

12 Einfluss kinematischer Verfestigung auf die Festigkeit Fließspannung k f,z+ in MPa Axiale Fließspannung k z+ (Zug) 4 15 Fließspannung k f,z- in MPa Axiale Fließspannung k z- (Druck) Bauschingerkoeffizient k f,z- /k f,z+ Bauschingerkoeffizient Fehler (isotrop) < 1 %,9 1,1 Fehler (isotrop) > 1 % Maximaler Fehler: 37% 12

13 Einfluss kinematischer Verfestigung auf die Festigkeit Bauschingerkoeffizient k f,z- /k f,z+,9 1,1 Radiale Richtung Fehler: 28% Tangentiale Richtung Fehler: 37% Vernachlässigung des Bauschingereffektes führt bei isotropen Verfestigungsmodellen zu großen Fehlern Folge sind Fehler in der Vorhersage der Bauteilfestigkeit und bei mehrstufigen Umformprozessen 13

14 Einfluss kinematischer Verfestigung auf Eigenspannungen Axialspannung σ z in MPa Kern φ WZ =,7 Isotrope Verfestigung Oberfläche Kombinierte Verfestigung Relative Querschnittsfläche A/A 1 in % Tangentialspannung σ t in MPa Kern 2α = 9 Mat. 16MnCr5 FP n. d. Auswerfen Oberfläche Rel. Querschnittsfläche A/A 1 in % Eigenspannungsauswertung A Kinematische Verfestigung führt zu geringeren Eigenspannungen nach dem Bauteilauswurf 14

15 Fazit Charakterisierung lokaler Bauteileigenschaften am Beispiel des Voll-Vorwärts- Fließpressens Entwicklung einer neuen Methodik zur Charakterisierung kinematischer Verfestigung für Werkstoffe der Kaltmassivumformung Deutliche Verbesserung der Vorhersagegüte bereits mit einfachen Modellen (Verfügbar in meisten FE-Programmen z.b. Abaqus, DEFORM, Simufact, ) Kinematische Verfestigung hat signifikanten Einfluss auf die Vorhersagegüte lokaler Bauteileigenschaften bzgl. à Festigkeit à Eigenspannungen Simulation von Prozessketten kann langfristig nur unter Berücksichtigung der gesamten Werkstoffhistorie erfolgen! Grundanforderung für CAE-basierten Leichtbau 15

16 FE-Zerspansimulation CAEbasierte Vorhersage von Bauteileigenschaften FE-Umformsimulation Strukturmechanische Simulation 16

17 Motivation und Zielsetzung Vorhersage der durch den Zerspanprozess zu erwartenden Veränderungen der umformtechnisch eingestellten Bauteileigenschaften anhand von FE-Zerspansimulationen Betrachtung eines durch Fließpressen umgeformten Demonstratorbauteils (Bolzen) Vorgehensweise Übernahme von Bauteileigenschaften aus vorgelagerter FE-Umformsimulation FE- Zerspansimulation Betrachtung der Bauteileigenschaften 17

18 Simulationssystem: DEFORM -2D Fließpressen Drehen Matrize Werkzeug Werkstück FE-Zerspansimulation Orthogonaler-Schnitt (2D) DEFORM - 2D Werkzeug v c Werkstück 18

19 Fließspannungsmodell: Johnson-Cook Johnson-Cook-Fließspannungsmodell _ n σ = (A + B φ ) (1 + C ln φ ) (1 - T * )._ m _ n (A + B φ ) Materialparameter A, B, n, C, m _. (1 + C ln φ ) (1 - T * m ) 19

20 Anpassung des Fließspannungsmodells Angepasstes Johnson-Cook-Fließspannungsmodell._ σ = TKEM (1 + C ln φ ) (1 - T * m ) TKEM: α (K (φ + φ ) n ) + (1-α) (b - (b - a) e -cφ ) _. (1 + C ln φ ) (1 - T * m ) Fließspannung k f 1 MPa Materialspezifische Fließkurve 16MnCr5 Messung TKEM-extrapoliert Umformgrad φ Orthogonal-Schnittversuche Werkzeug v c Span Werkstück 2

21 Anpassung des Fließspannungsmodells Angepasstes Johnson-Cook-Fließspannungsmodell._ σ = TKEM (1 + C ln φ ) (1 - T * m ) TKEM: α (K (φ + φ ) n ) + (1-α) (b - (b - a) e -cφ ) _. (1 + C ln φ ) (1 - T * m ) Fließspannung k f 1 MPa Materialspezifische Fließkurve 16MnCr5 Messung TKEM-extrapoliert Umformgrad φ DEFORM FE-Zerspansimulation (Orthogonaler-Schnitt) Werkstück Werkzeug v c 21

22 Vergleich Zerspankraftkomponenten 6 N Zerspankraftkomponente F n 8 N 4 2 Experiment R²=, N 4 2 Simulation R² =, Zerspankraftkomponente F c 8 N 4 2 R²=, N 4 2 R² =,9972 platisches, isotropes Materialverhalten 22

23 Vergleich Zerspankraftkomponenten 6 Zerspankraftkomponente N F c F n F c F n F c F n F c F n Simulation Experiment v c in m/min h in mm,1,25,1,25 23

24 Vergleich Zerspankraftkomponenten 6 N Zerspankraftkomponente F n 8 N 4 2 Simulation R² =, N 4 2 Simulation R² =, Zerspankraftkomponente F c 8 N 4 2 R² =, N 4 2 R² =,9985 platisches, isotropes Materialverhalten elastisch-platisches, isotropes Materialverhalten 24

25 Vorgehen Simulationsverknüpfung Übernahme des Simulationsmodells aus FE-Umformsimulation 25

26 Vorgehen Simulationsverknüpfung Übernahme des Simulationsmodells aus FE-Umformsimulation Boole sche Operation 26

27 Vorgehen Simulationsverknüpfung a p = 1,6 mm 5 MPa Axialspannung σ z 6 MPa Schnitt z σ z,max = 253 MPa σ z,min = -574 MPa r θ Boole sche Operation 5 MPa Axialspannung σ z 6 MPa Schnitt a p z σ z,max = 35 MPa σ z,min = -574 MPa r θ mm 8 1 Abstand s mm 1 2 Abstand 4 6 s

28 Vorgehen Simulationsverknüpfung Übernahme des Simulationsmodells aus FE-Umformsimulation FE-Zerspansimulation 28

29 Vorgehen Simulationsverknüpfung MPa 95 v c = 16 m/min v c = 16 m/min h =,27 mm h =,27 mm y z Axialspannung σ z x 7 MPa Schnitt σ z,max = 245 MPa σ z,min = 18 MPa,25,5,75 1, 1,25 mm 1,75,25,5 Abstand,75 1 s1,25 1,5 1,75 Zerspanung y z Axialspannung σ z x 7 MPa Schnitt σ z,max = 355 MPa σ z,min = -26 MPa,25,5,75 1, 1,25 mm 1,75,25,5 Abstand,75 1 s1,25 1,5 1,75 Abkühlung y z Axialspannung σ z x 7 MPa Schnitt σ z,max = 658 MPa σ z,min = 26 MPa,25,5,75 1, 1,25 mm 1,75,25,5 Abstand,75 1 s1,25 1,5 1,75 29

30 Vorgehen Simulationsverknüpfung Übernahme des Simulationsmodells aus FE-Umformsimulation Boole sche Operation FE-Zerspansimulation Mappen der Spannungs- und Dehnungszustände 3

31 Vorgehen Simulationsverknüpfung 5 MPa Axialspannung σ z 6 MPa Schnitt a p a p = 1,6 mm r z θ σ z,max = 35 MPa σ z,min = -574 MPa mm 1 2 Abstand 4 6 s 8 1 Mapping & Gleich- gewicht herstellen 5 MPa Axialspannung σ z a p = 1,6 mm, v c = 16 m/min, h =,27 mm Schnitt 6 a p z θ σ z,max = 49 MPa MPa 4 σ z,min = -537 MPa mm 1 2 Abstand 4 6 s 8 1 r 31

32 Vorgehen Simulationsverknüpfung Übernahme des Simulationsmodells aus FE-Umformsimulation Boole sche Operation FE-Zerspansimulation Mappen der Spannungs- und Dehnungszustände Beurteilung der Veränderung der Bauteileigenschaften 32

33 Vorgehen Analytische-Modellierung a p = 1,6 mm, v c = 16 m/min, h =,27 mm Schnitt r Maximum Eigenspannung Minimum Eigenspannung Axialspannung σ z z θ 6 5 σ z,max = 49 MPa MPa MPa 4 σ z,min = -537 MPa mm 1 2 Abstand 4 6 s Abstand Maximum zur Oberfläche Abstand Minimum zur Oberfläche 33

34 Einfluss v c und h auf Lage Minima und Maxima - Axialspannung Maxima Minima,9 mm,7,6,5,4,3,2,1 Abstand s 1,5 mm,5 a p = 1,5 mm 1,5 mm 1,7 9,95 9,9 9,85 9,8 9,75 9,7 Abstand s mm 9,7 9,2 a p = 1,5 mm, 9,65 34

35 Einfluss a p, v c und h auf Minima - Axialspannung a p =,2 mm a p = 1, mm -5 MPa -52 Axialspannung σ z -5 MPa Axialspannung σ z -5 MPa a p = 2, mm Axialspannung σ z -5 MPa

36 Einfluss v c und h auf Minima und Maxima - Axialspannung Maxima Minima 55 a p =,2 mm -5 a p =,2 mm MPa Axialspannung σ z 7 MPa MPa -54 Axialspannung σ z -5 MPa

37 FE-Zerspansimulation FE-Umformsimulation CAEbasierte Vorhersage von Bauteileigenschaften Strukturmechanische Simulation 37

38 Mapping der lokalen Bauteileigenschaften auf FEM-Netz für strukturmechanische Simulation Unter Zugbelastung F Vergleichsspannungen [MPa] Vergleichsspannung [MPa] 34, Nach der Entlastung Vergleichsspannung [MPa] 35,9 71, DEFORM 3D TM Ansys Workbench 38

39 Simulationsmodell in DEFORM und Ansys Workbench Simulationsmodell Kraft 12,5 kn Simulationsergebnisse Ansys Workbench DEFORM TM Z X Y Vergleichsspannungen [MPa]

40 Wichtigste Ergebnisse zum Mapping der Bauteileigenschaften Ø Die Übertragung der Vorverfestigung vom DEFORM in Ansys Workbench ist möglich, kann jedoch nicht automatisiert werden, weil jeder Übertragungsschritt manuell nachgearbeitet oder ausgeführt werden soll Ø Die Übertragung ist nicht geeignet für komplexe Geometrien mit kleinen Radien oder scharfen Kanten Nicht geeignet Geeignet DEFORM Ansys DEFORM Ansys Ø Die Untersuchung zeigte, dass der Unterschied der Simulationsergebnisse zwischen DEFORM und Ansys weniger als 5% beträgt Ø Aus dem Vergleich der Simulationsergebnisse kann beschlossen werden, dass die strukturmechanische Analyse in DEFORM durchgeführt werden kann Ø DOE- und Sensitivitätsanalyse der gesamten Prozesskette in DEFORM ist möglich 4

41 Simulationsergebnisse mit untersch. Materialmodellen Napf-Rückwärts- Fließpressen Entlastung Boolean Operation Strukturmechanische Analyse Elastisch-plastisch verformt Eigenspannungen Eigenspannungen Verformung bis zum plastischen Bereich Simulationsparameter, 2D; DEFORM: Halbzeug: elasto-plastic; Werkzeug: rigid; Netzelemente: 2.; Werkstoff: 16MnCr5; Reibung: Coulomb,7; Umformgrad:,65; Verfestigungsmodell: Isotrop Isotrop-kinematisch 41

42 Simulationsergebnisse mit untersch. Materialmodellen Umformen Ausstoßen Isotrop Isotrop-kinematisch Isotrop Isotrop-kinematisch Vergleichsspannungen [MPa] 125 Vergleichsspannungen [MPa] 8 NRFP Stempel Matrize Ausstoßen Ausstoßkraft [kn] 42

43 Simulationsergebnisse mit untersch. Materialmodellen DEFORM TM Isotrop Isotrop-kinematisch,62 mm Vergleichsspannungen [MPa] Übergang von elast. in plast.bereich Ø Ø Für die betrachtete Biegebeanspruchung tritt die Bauteilverformung bei der Anwendung des isotropkinematischen Verfestigungsmodells früher als beim Einsatz des isotropen Verfestigungsmodells ein Während der Simulation wurde festgestellt, dass Eigenspannungen keinen signifikanten Einfluss auf den Prozessverlauf zeigen 43

44 CAE-basierte Prozessoptimierung Abbildung des Bauschingereffekts mittels kinematischer Verfestigung Einbindung der Richtungsabhängigkeit Abbildung Bauschingereffekt bei Kaltfließpressteilen Bauteilprüfung von vorverfestigten Pressteilen Abbildung der Biegesteifigkeit eines Kolbenbolzens mit vorverfestigten Halbzeugen Zerspanung kaltverfestigter Pressteile Automatisierte geometrische Gewichtsoptimierung Abbildung der Zerspanungsunterschiede für lokale Bauteilverfestigungen Einbezug von Umformprozessgrenzen Einbezug von Belastungsgrenzen 44

45 Zusammenfassung Ø Entwicklung einer neuen Methodik zur Charakterisierung kinematischer Verfestigung für Werkstoffe der Kaltmassivumformung Ø Durch Berücksichtigung der kinematischen Verfestigung ermöglicht eine Verbesserung der Vorhersagegüte von Bauteileigenschaften Ø Realitätsnahe Simulation der Spanbildung bei der Bearbeitung von 16MnCr5 Ø Simulationsgestützte Vorhersage der Beeinflussung umformtechnisch eingestellter Bauteileigenschaften durch Zerspanprozesse möglich Ø Es wurde die Datenübertragung zwischen FEM-Systemen für die Prozesssimulation (Umformung/Zerspanung) und für die strukturmechanische Berechnung realisiert Ø Im Zuge der CAE-basierte Prozesskettenauslegung wurde eine verkettete Simulation der Umformung, Zerspannung und Betriebsbelastung durchgeführt; die Gewichtsoptimierung der Bauteile erfolgte in OptiSLang an einem Metamodell 45

46 Danksagung 46