Willkommen Welcome. Technik, die bewegt Technology in Motion. 1 Stand: Mai 2010 Hirschvogel Holding GmbH

Transkript

1 Willkommen Welcome Technik, die bewegt Technology in Motion 1

2 FEM in der Massivumformung Dr.-Ing. Stephan Weidel Leiter Forschung und Entwicklung Hirschvogel Umformtechnik GmbH 2

3 Inhalt Motivation für FEM im Unternehmen Anwendung FEM Warmumformung Halbwarmumformung Kaltumformung Werkzeugbelastung (Verschleiß, Brüche, Armierungen) Grenzen der FEM und Ausblick, aktuelle F&E-Themen 3

4 Übersicht Umformung Overview Forming Umformung Forming Massivumformung Forging Blechumformung Sheet Metal Forming Kaltumformung Cold Forging Halbwarmumformung Warm Forging Warmumformung Hot Forging 4 Kombinationsverfahren Combinations of Hot/Warm with Cold Forging Quelle (Blechteile) Source (Sheet metal parts): Pockauer Werkzeugbau

5 Massivumformverfahren Forging Processes 20 C Kaltumformung Cold Forging 720 C C Halbwarmumformung Warm Forging 1200 C Warmumformung Hot Forging Quelle Source: Hirschvogel 5

6 Anwendungsgebiet FEM Umformsimulation ist nur ein Anwendungsgebiet der FEM field of application of FEA Simulation of a forging process is only one field of FEA application Bewegungsablauf menschl. Finger Kinetic simulation in medentical engineering Crashsimulation PKW Simulation kompletter Fertigungsanlagen. Quelle: ABB Simulation of manufacturing facilities. Source: ABB 6 Belastungsanalyse Schwenklager Stress analysis Umformsimulation Simulation of forming- and forging processes

7 Anwendungsgebiet FEM field of application of FEA Warmumformung: Hot Forging: Kaltumformung: Cold Forging: Halbwarmumformung: Warm Forging: Temperatur / C Kontakt / mm Temperatur / C Vorstufe Schwenklager Einziehen Gleichlaufgelenk Fertigpressen Tripode > 500 Umformprozesse (meist mehrstufige Auslegungen - unterschiedliche Varianten) 7

8 Grundlagen der FEM Basics of FEA Warum FEM-Simulation? Verkürzung der Prozessentwicklungszeiten Frühzeitige Erkennung von Problemberecheichen Vermeidung von Fehlern Reduzierung des Einsatzgewichtes Besseres Prozessverständnis Ausbildung der Konstrukteure Versuche und Machbarkeitsstudien Why FEA-simulation? Reduction of process development times Premature detection of problem area Prevention of failure Reducing of initial weight Improvement of process understanding Training of mechanical designers Experimentation and reducibility 8

9 FEM prinzipieller Ablauf Principal of FEA action Realteil real workpiece virtuelles Werkstück virtual workpiece Abgleich mit Realteil (Messungen) Calibration with real work piece (measurement) Exzenterpresse, Warmumformung Eccentric press, Hot Forging Nur genaue Randbedingungen (Werkstoffdaten, Reibung, Temperatur, ) und feine Vernetzung ergeben Just precise boundary conditions (material data, friction, temperature, ) and fine mesh size to offer Simulationssoftware FORGE Software for simulation FORGE genaue Simulationsergebnisse precise results of simulation 9

10 FEM prinzipieller Ablauf Principal of FEA action Beispiel Gesenkschmieden: Example Hot Forging process: 1. Konstruktion CAD-Modell Desing of CAD-model 1. CAD - Geometrien Gesenk oben upper die Rohling billet Gesenk unten lower die 2. Erstellung der Berechnungsdatei Pre-Processing 2. FEM - Pre-Processor vernetzter Rohling meshed billet 3. Berechnungslauf Solving (computation) 3. FEM - Solver FEM 4. Auswertung der Ergebnisse Post-Processing 4. FEM - Post-Processor Ergebnisdarstellung visualisation of results 10

11 FEM - Cluster FEA - Cluster Berechnungscluster für Umformprozesssimulationen: Hardware for simulation of forgingprocesses: HEG 9-Core Windows HEG 20-Core Windows HUG 32-Core Windows 11

12 Übersicht FEM Umformprozesse Overview FEA forging processes Umformung Forming Massivumformung Forging FEM-Anwendungen Umformsimulation FEA-application forming simulation Kaltumformung Cold Forging meist 2D Simulation mostly 2D simulation Stofffluss material flow Halbwarmumformung Warm Forging 2D und 3D Simulation 2D and 3D simulation Eigenschaften Werkstück caracteristics workpiece Warmumformung Hot Forging meist 3D Simulation mostly 3D simulation Kräfte forces Kombinationsverfahren Combinations of Hot/Warm with Cold Forging 2D und 3D Simulation 2D and 3D simulation Werkzeugberechnung tool computation 12

13 Übersicht Warmumformung Overview Hot Forging Umformung Forming Massivumformung Forging FEM-Anwendungen Umformsimulation FEA-application forming simulation Kaltumformung Cold Forging meist 2D Simulation mostly 2D simulation Stofffluss material flow Halbwarmumformung Warm Forging 2D und 3D Simulation 2D and 3D simulation Eigenschaften Werkstück caracteristics workpiece Warmumformung Hot Forging meist 3D Simulation mostly 3D simulation Kräfte forces Kombinationsverfahren Combinations of Hot/Warm with Cold Forging 2D und 3D Simulation 2D and 3D simulation Werkzeugberechnung tool computation 13

14 Warmumformung Manuelles Warmschmieden Automatisiertes Warmschmieden 14

15 Materialfluss Formfüllung 15

16 Stofffluss Warmumformung material flow hot forging Stofffluss Aluminium Warmumformung mit Kontaktdarstellung Material flow of Warm Forging of aluminium with contact Animation Kontakt / mm 4,0 Schwenklager Sterring knuckle 2,0 0,0 16

17 Kontakt-Skalar 3D Unterfüllung am Teil 17

18 Kontakt-Skalar 3D Kontakt /mm (Abstand: Werkstück Werkzeug) kein Kontakt

19 Normalspannung-Skalar 2D σ N /MPa keine Kontaktspannungen keine Formfüllung

20 Materialfluss Faltenerkennung 20

21 Geschwindigkeits-Vektor 3D Falte 21

22 Geschwindigkeits-Vektor 3D Kontakt /mm (Abstand: Werkstück Werkzeug) Vektoren laufen aufeinander zu Falte

23 Luft- oder Schmierstoffeinschluss σ N / MPa ! 0 Unterfüllung 23

24 Materialfluss Objektverfolgung 24

25 Objektverfolgung particle trace Kundenreklamation: Riss am Bauteil Customer complaint: crack in work piece Untersuchung mit FEM und REM: MnS-Seigerungszeilen im Vormaterial? FEA and REM Analysis: MnS-segregation in primary material? Bohrungen Riss 2mm tief! 25

26 Objektverfolgung particle trace Untersuchung mit FEM und REM: MnS-Seigerungszeilen im Vormaterial? FEA and REM Analysis: MnS-segregation in primary material? Modellierung der Seigerungenzeilen im Vormaterial 26

27 Objektverfolgung particle trace FEM: MnS-Seigerungszeilen in der Warmumformung FEA Analysis: MnS-segregation in hot forging process 27

28 Objektverfolgung particle trace FEM: MnS-Seigerungszeilen in der Warmumformung FEA Analysis: MnS-segregation in hot forging process...fasern (Seigerungen) kommen im Bereich des Risses zu liegen... auch für Scherkante anwendbar 28

29 Übersicht Halbwarm Overview warm forging Umformung Forming Massivumformung Forging FEM-Anwendungen Umformsimulation FEA-application forming simulation Kaltumformung Cold Forging meist 2D Simulation mostly 2D simulation Stofffluss material flow Halbwarmumformung Warm Forging 2D und 3D Simulation 2D and 3D simulation Eigenschaften Werkstück caracteristics workpiece Warmumformung Hot Forging meist 3D Simulation mostly 3D simulation Kräfte forces Kombinationsverfahren Combinations of Hot/Warm with Cold Forging 2D und 3D Simulation 2D and 3D simulation Werkzeugberechnung tool computation 29

30 Kombinations-Umformbauteil Tripode: Fertigung Tripodenfertigung 30

31 Stofffluss Halbwarm material flow warm forming Gleichlaufgelenk Halbwarmumformung mit Kontaktdarstellung Material flow by Warm Forging with contact between tools and workpiece Kontakt / mm 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 Stempel (Punktdarstellung) Stamp (only points visible) Umformstadie workpiece 0,4 0,3 0,2 0,1 Matrize Die plate 0 31

32 Scherkantenverfolgung trace of shearing edge 3D Simulation 30 Schnitt: Objektverfolgung 3D simulation 30 cut: particle trace Scherkante oben (vor dem Setzen) upper shearing edge (before upsetting) 32

33 Scherkantenverfolgung trace of shearing edge 3D Simulation 30 Schnitt: Objektverfolgung 3D simulation 30 cut: particle trace Scherkante oben (nach dem Setzen) upper shearing edge (after upsetting) 33

34 Scherkantenverfolgung trace of shearing edge 3D Simulation 30 Schnitt: Vergleich FEM und Realteil 3D simulation 30 cut: Comparison FEA and work piece Scherkante oben (vor dem Setzen) upper shearing edge (before upsetting) 34

35 Übersicht Kaltumformung Overview cold forging Umformung Forming Massivumformung Forging FEM-Anwendungen Umformsimulation FEA-application forming simulation Kaltumformung Cold Forging meist 2D Simulation mostly 2D simulation Stofffluss material flow Halbwarmumformung Warm Forging 2D und 3D Simulation 2D and 3D simulation Eigenschaften Werkstück caracteristics workpiece Warmumformung Hot Forging meist 3D Simulation mostly 3D simulation Kräfte forces Kombinationsverfahren Combinations of Hot/Warm with Cold Forging 2D und 3D Simulation 2D and 3D simulation Werkzeugberechnung tool computation 35

36 Kaltumformung Kaltumformung 36

37 Stofffluss Kaltumformung material flow cold forging Stofffluss Kaltumformung 1. Stufe mit Umformgrad Material flow of Cold Forging 1. stage with EQ-Strain Animation 37

38 Stofffluss Kaltumformung material flow cold forging Stofffluss Kaltumformung 2. Stufe mit Umformgrad Material flow of Cold Forging 2. stage with EQ-Strain Animation 38

39 Stofffluss Kaltumformung material flow cold forging Stofffluss Kaltumformung 3. Stufe mit Umformgrad Material flow of Cold Forging 3. stage with EQ-Strain Animation Getriebewelle Gear shaft 39

40 Stofffluss Kaltumformung material flow cold forging Kundenanfragen: erreichbare Napftiefe? Customer enquiry: measurement depth of cup? x 1. Auslegung 3. Stufe, 2D-Simulation, Faltenbildung 40

41 Stofffluss Kaltumformung material flow cold forging Kundenanfragen: erreichbare Napftiefe? Customer enquiry: measurement depth of cup? x 2. Auslegung 3. Stufe, 2D-Simulation, geringer Napftiefe, Faltenbildung 41

42 Materialfluss Faserverlauf 42

43 Faserverlauf im Bauteil fibre flow at wockpiece Stehende Schmiedung Vertical forging Animation Liegende Schmiedung Horizontal forging Animation 43

44 Faserverlauf (Risse) 2D senkrecht austretende, (bei Zerspanung angeschnittene) Fasern Berücksichtigung der Zerspankontur! Rissgefahr Pittingfestigkeit! 44

45 Faserverlauf im Bauteil fibre flow at wockpiece Typischer Faserverlauf nach Flanschstauchen Typical grain flow fibers after flange upsetting Realteil aus Umformung Real workpiece from forming Damage of material because of cutting fibers senkrecht austretende, angeschnittene Fasern Bauteilbruch während des thermischen Entgratens Kontur nach Zerspanung Contour after milling 45

46 Übersicht Kombination Overview Combinations Umformung Forming Massivumformung Forging FEM-Anwendungen Umformsimulation FEA-application forming simulation Kaltumformung Cold Forging meist 2D Simulation mostly 2D simulation Stofffluss material flow Halbwarmumformung Warm Forging 2D und 3D Simulation 2D and 3D simulation Eigenschaften Werkstück caracteristics workpiece Warmumformung Hot Forging meist 3D Simulation mostly 3D simulation Kräfte forces Kombinationsverfahren Combinations of Hot/Warm with Cold Forging 2D und 3D Simulation 2D and 3D simulation Werkzeugberechnung tool computation 46

47 Verzahnungspressen forming of splines Stofffluss Kaltumformung Material flow of Cold Forging Animation Lamellenträger Disc carrier 47

48 Verzahnungspressen forming of splines Stofffluss Kaltumformung Material flow of Cold Forging ϕ V / Stadienplan modifiziert

49 Werkzeugversagen Werkzeugversagen 49

50 Berechnungsmethoden Gekoppelte Simulation (eine Berechung) Materialfluss und Werkzeugbelastung beeinflussen sich gegenseitig; Synchrone Berechnung des Gleichgewichtszustands pro Inkrement; Werkstück-Werkstoffmodell: elastisch-plastisch; Werkzeug-Werkstoffmodell: z.zt. linear-elastisch (deformierbar); Rechenzeit hoch (mehrere Tage auf 1 CPU). Entkoppelte Simulation (zwei getrennte Berechnungen) Keine Rückkopplung zwischen Materialfluss und Werkzeugbelastung. Eine Berechnung Materialfluss mit starren Werkzeugen (Standard); Eine weitere Berechnung mit linear-elastischem Werkstoffverhalten für Werkzeuge im Pre-Processor aufsetzen; Übertrag Werkzeug-Normalspannungen für ein ausgewähltes Inkrement; Rechenzeit gering (ein paar Stunden auf 1 CPU). 50

51 Werkzeugbelastung coupled tool computation 2D gekoppelte Werkzeugbelastung Tangentialspannungen 2D coupled tool computation tangential stresses σ T / MPa 1050 upper die billet die ring lower die Zugspannungen (σ T > 0) Vertikaler Matrizenbruch durch hohe Zugspannungen 51

52 Werkzeugbelastung coupled tool computation 2D gekoppelte Werkzeugbelastung Tangentialspannungen 2D coupled tool computation tangential stresses σ T / MPa Zugspannungen (σ T > 0) Zuspannungen im Werkzeugverband um 30% gesenkt. 52

53 Werkzeugbelastung uncoupled tool computation 3D entkoppelte Werkzeugbelastung 1. Hauptspannung (Zugbelastung) 3D uncoupled tool computation 1st Principal Stress (tension) σ 1 / MPa 1500 Kritischer Bereich (elastisches Werkzeug FEM) Critical area (elastic tool FEA) Riss am realen Werkzeug Crack on work piece

54 Elastisch-Plastisches Werkzeugverhalten 3D Werkzeugbruch (Ermüdung) 54

55 Elastisch-Plastisches Werkzeugverhalten 3D ϕ V /

56 Verschleißbereiche wear area 3D Ermittlung der Verschleißbereiche am Werkzeug 3D detection of abrasive wear area at the tool Verschleißwert = Kontaktnormalspannung x Relativgeschwindigkeit begrenzte Genauigkeit Verschleißriefen am Umformteil 56 Berechnete Verschleißbereiche am Gesenk

57 Verschleiß 3D Verschleißwerte noch nicht absolut quantifizierbar T / C Hohe WZ-Temperatur Verschleiß 57

58 Grenzen der FEM boundaries of FEA Ziel: Möglichst viel Realität in das Simulationsmodell bringen. Aim: the boundary conditions have to nearly on the reality as possible. Nur bedingt möglich, weil folgende Einflüsse heute noch nicht bzw. ungenügend abgebildet werden können: But these settings are limited by the following topics: Schwankende Rohteilqualität (Schwankungen im Rohteil, zwischen verschiedenen Chargen, Form und Gestalt) Veränderung des tribologischen Zustandes während der Umformung (z. B. Abriss Schmierfilm, ) Elastizität des Gesamtsystems (Aggregat, Werkzeuge) Einfluss des Zunders, Werkzeugverschleiß, Lufteinschlüsse... usw 58

59 Reale Rohlingsgeometrie real geometry of billet Gesenkschmieden Die-Forging 1. Stufe (setzen) 1. Stage (upsetting) 2. Stufe (Vorstufe) 2. Stage (pre-stage) 59

60 Ausblick 60

61 Gekoppelte Simulation coupled simulation 3D Prozess und Maschine gekoppelt 3D prozess and machine coupled Übergeordnete Steuerungsumgebung (Matlab/Simulink) Kraftinformation Verlagerungsinformation Verlagerungsinformation Kraftinformation Simulation Presse Simulation Massivumformung Quelle: WZL/RWTH Aachen 61

62 Abschrecksimulation Quenching Analyse der Gefügeumwandlung und Erkennung von Spannungsrissen Analysis of microstructure and detection of stress cracking Trennschnitt cut Gewaltbruchfläche surface of fracture Entdeckung eines Risses bei der Sichtprüfung Detection of a crack by visual inspection Rissbruchfläche surface of fracture by crack 62

63 Abschrecksimulation Quenching Analyse der Gefügeumwandlung und Erkennung von Spannungsrissen Analysis of microstructure and detection of stress cracking Martensit 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Austenit 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Implementierung eines ZTU in FEM Implementation of TTT in FEA 63

64 Abschrecksimulation Quenching Analyse der Gefügeumwandlung und Erkennung von Spannungsrissen Analysis of microstructure and detection of stress cracking σ 1 / MPa 500 Skalierungsfaktor 10 Scaling factor Implementierung eines ZTU in FEM Implementation of TTT in FEA 64

65 Weiterentwicklung der FEM Werkstückschädigung in der Kaltumformung (Chevrons, Schubrisse) Gefügesimulation Quantitative Verschleißberechnung Genauere Eingangsdaten (Reibung, Fließkurven) Schnellere Berechnung größerer Modelle Abbildung der gesamten Entwicklungskette (Einfluß des Vormaterials, Auswirkung des Umformvorgangs auf Bauteileigenschaften) 65

66 Zusammenfassung FEM stellt unverzichtbares Werkzeug zur Auslegung von Umformprozessen dar Deutliche Kostensenkung durch reduzierte Entwicklungszeiten Haupteinsatzgebiete bei Prozessauslegung und -optimierung: - Stofffluss/ Formfüllung - Kräfte - Optimierung des Einsatzgewichts - Werkzeugbelastung Korrekte Eingangsparameter, Randbedingungen entscheidend 66

67 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Thank you for your attention! 67