Einsatz der FEM-Simulation zur Entwicklung von Prozessketten beim Freiformschmieden

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1 Einsatz der FEM-Simulation zur Entwicklung von Prozessketten beim Freiformschmieden Bohuslav Mašek 1+2) 1) Westböhmische Universität in Pilsen, KMM, Univerzitní 22, CZ Plzeň, Tschechische Republik 2) TU Chemnitz, D Chemnitz, 1. Einführung Die FEM-Simulation und die Modellierung von technischen und wissenschaftlichen Fragestellungen haben sich in den letzten Jahren in vielen Bereichen durchgesetzt. Am Anfang wurde die FEM-Simulation vor allem für die Dimensionierung von Bauteilen eingesetzt. Die damals zeitaufwendigen Berechnungen wurden noch vor zwanzig Jahren in Rechenrzentren an Großrechnern durchgeführt. Inzwischen ist die Rechnentechnik so weit fortgeschritten, dass die Lösung dieser Aufgaben mit Hilfe des Computers in wirtschaftlich vertretbaren Berechnungszeiten zu realisieren ist. Gleichzeitige Entwicklung der Software und hauptsächlich eine sehr intensive Vereinfachung der Bedienung der Rechner und der Computerprogramme hat einen sehr breiten Einsatz dieser numerischen Methoden ermöglicht. Mittlerweile haben sich diese Berechnungsverfahren auch in solchen Gebieten wie Medizin, Klimaentwicklung oder Archäologie etabliert. Eine besonders rasche Entwicklung dieser Methode im Bereich Umformtechnik ist in den letzten zehn, fünfzehn Jahren zu beobachten. Der erste Industrieeinsatz wurde im Bereich Blechumformung realisiert. Hier wurde die Berechnungsdauer auf reduziert 16 Stunden reduziert und somit die computerunterstützte Arbeit im Schichttakt ermöglicht. Dies wiederum schuf die Voraussetzung für die industrielle Wirtschaftlichkeit. 2. Simulation von Prozessketten einer freigeschmiedeten Kurbelwelle Im Bereich der Massivumformung, wo gegenwärtig der zeitliche Aufwand der Berechnung im Vergleich zu dem bei der Blechumformung wesentlich größer ist, können einige kompliziertere Berechnungen im 3D-Raum auch ca. eine Woche

2 dauern. Trotz dieses zeitlichen Aufwandes sind diese Berechnungen in vielen Fällen wirtschaftlich interessant. Es ist mittlerweile möglich im Bereich der Massivumformung nicht nur einzelne Fertigungsoperationen zu simulieren, sondern auch ganze Prozessketten zu berechnen und dadurch die Technologie des Herstellungsprozesses schrittweise zu optimieren. Dies soll am Beispiel einer freigeschmiedeten Kurbelwelle demonstriert werden (Bild 1-6). Zur Lösung dieses Problems ist es wichtig, die geeigneten Simulationsmittel und Simulationstechnologien (Bild 7) zu wählen. Der Aufwand für den Datentransfer zur Verkettung der einzelnen Simulationsschritte ist dabei zu beachten. Weiterhin ist es üblich und oft auch nötig, mit Vereinfachungen zu rechnen (Bild 8), die aber sorgfältig ausgewählt sein müssen, um die entsprechende Genauigkeit der Ergebnisse gewährleisten zu können. Bei jeder FEM-Simulation, und besonders bei dem beschriebenen Beispiel eines Stückproduktes mit sehr hohen Herstellungskosten, ist eine möglichst intensive Kontrolle der Übereinstimmung mit der Realität erforderlich. In diesem Fall wurden ganze Reihen von komparativen Tests durchgeführt, von einfachen zylindrischen Stauchproben bis zum Modellschmieden der realen Kurbelwelle im Maßstab 1:5 mit eine Finallänge von 1800 mm (Bild 9). Bei diesem Verfahren wurden die durch die FEM-Simulation entwickelten Werkzeuge und Arbeitsvorgänge erprobt. Für eine grobe Zwischenkontrolle und zum Vergleich von mehreren technologischen Varianten wurde auch ein Modell im kleineren Maßstab aus Holz und Knetmasse benutzt. Für diese speziellen Erprobungszwecke wurde im diesem Jahr eine hydraulische Modellpresse im Maßstab 1:10 mit einer maximalen Kraft von 10 kn gebaut (Bild 10). Der rechnergesteuerte sinusoidale Antrieb dieser Presse verfügt über eine sehr breite Einstellmöglichkeit der Schmiedeparameter [1]. Dadurch ist es möglich, die Modellversuche möglichst nah der Realität durchzuführen. Diese konstruktive Lösung gewährleistet, dass neben anderen Vorteilen diese Presse im sogenannten "try out" und "try it on" Modus arbeiten kann [2]. Es ist hier aber zu betonen, dass ein Einsatz einer Modellpresse nur dann möglich ist, wenn die Übertragung der Ergebnisse von Kleinversuchen auf die praxisrelevante Größe gewährleistet ist. Eine globale Übereinstimmung der Berechnungen mit der Realität wird auch sehr stark durch die Qualität der eingegebenen Werkstoffmodelle beeinflusst. Sämtliche Modelle sollen die Werkstoffeigenschaften möglichst gut und komplex beschreiben. Diese Problematik spaltet sich in zwei Hauptlinien. Die erste und offensichtlich die aufwendigste ist die Ermittlung der Eigenschaften durch die Werkstoffprüfung (Bild 11). Die Beschaffung von Informationen über das Werkstoffverhalten unter komplexen Bedingungen, die vielparametrisch beschrieben werden müssen, ist immer sehr technisch- und zeitaufwendig und dadurch auch sehr preisintensiv. Die zweite Linie verfolgt die Problematik der Beschreibung des Werkstoffverhaltens mit Hilfe der mehrparametrischen Modellgleichungen. Die traditionelle analytische Beschreibung (Bild 12) ist für die Technologie der Berechnung günstig, aber die meisten dieser Modelle haben auch viele technische Nachteile. Einige sind für die Anwendung in der technischen Praxis nicht genügend durchschaubar. Dadurch entsteht die Gefahr, dass die Ergebnisse aus unbekannten Ursachen nicht mit der Realität übereinstimmen. Diese Modelle sind zumeist auch nicht ohne Begrenzung einsetzbar. Dieser Nachteil beruht vor allem darin, dass die Beschreibung sich den realen Eigenschaften nur nähert. Je komplizierter das konkrete Verhalten ist, desto begrenzter ist das Gebiet, das durch das Modell abgedeckt werden kann. Es ist

3 deshalb sehr wichtig den Einfluss von einzelnen simulierten Parametern zu kennen, um die möglichen Abweichungen von der Realität zu minimieren. Dabei muss als wichtige Voraussetzung erfüllt sein, dass im betrachteten Gebiet keine lokalen Unstetigkeiten, wie z.b. Umwandlung, vorkommen (Bild 13). Diese Nachteile weisen die numerischen Modelle in Form der Matrix nicht auf. Dagegen benötigen sie aber mehr Prozessorenkapazität und demzufolge ist der Berechnungsaufwand größer. Auch diese Methode beseitigt aber nicht alle Nachteile, die im Zukunft berücksichtigt werden müssen, wie z. B. eine rasche Gradientenänderung einiger Parameter, oder Einflüsse der mehrachsigen Beanspruchung. Diese Problematik erfordert eine komplexe Lösung von der Werkstoffprüfung bis zur Modelloptimierung. Im beschriebenen Fall mit relativ niedrigen Umformgeschwindigkeiten, haben diese Fragen keine wesentliche Rolle gespielt. Um eine komplexe Entwicklung dieser Prozesskette zu gewährleisten, wurde auch die Herstellungsphase des Ingots durch die numerische Simulation unterstützt. Es ist allgemein bekannt, dass Qualität und auch Kosten eines freiformgeschmiedeten Schmiedestückes von der Qualität und von der Herstellungseffektivität des Ingots abhängig sind. Durch die Simulation wurde es möglich z.b. eine Aussage über die Abguss- und Erstarrungsproblematik zu treffen. Mit Hilfe dieser Analyse wurde unter Anderem eine geometrische Optimierung der Kokille durchgeführt (Bild 14). Dadurch wurde der Abfall aus dem Kopf des Ingots reduziert und gleichzeitig ein optimales Verhältnis von Länge zu Durchmesser im System Ingot - Kokille - Umgebung gefunden. [3] Gleichzeitig ist es möglich, eine Vorhersage der Fehler durchzuführen, und dabei unter Anderem auch globale Seigerungseffekte zu beschreiben [4]. Schwankungen der chemischen Zusammensetzung bestehen im ganzen Volumen des Ingots als auch im Volumen einzelner Dendriten, die in diesem Fall eine übliche Größe von mehreren Zentimetern erreichen können. Es wurden Schwankungen, z.b. an Molybdän, im Volumen eines Dendriten entlang der Querschnittlinie von 50% ermittelt. Diese Inhomogenitäten beeinflussen nicht nur die Verformungseigenschaften unter anderen durch sehr ungleichmäßige Rekristallisationsbedingungen, sondern auch das Umwandlungsverhalten. Das kann bei einer Simulation der Wärmebehandlung (Bild 15) und der damit verbundenen Gefügeentwicklung zu lokalen Abweichungen führen (Bild 16). Deshalb müssen diese Merkmale bei der Entwicklung der Werkstoffmodelle äußerst sorgfältig berücksichtigt sein. 3. Zusammenfassung Die komplex aufgefasste FEM-Simulation, die in den letzten sieben Jahren systematisch an großen freigeformten Schmiedestücken durchgeführt wurde, hat eine Beschleunigung der Entwicklung des Herstellungsprozesses gebracht. In der Praxis hat sich in konkreten Fallen die Effektivität dieser Vorgehensweise bestätigt. Es wurden neue, mit Hilfe der FEM-Simulation entwickelte, technologische Vorgänge und Werkzeuge erfolgreich in die Praxis eingeführt. Die Anzahl der technologischen Schritte beim Schmieden wurde reduziert, was sich auch auf die Energiekosten für die Erwärmung positiv auswirkte. Gleichzeitig wurde eine wesentlich günstigere Verteilung der erforderlichen Schmiedezugaben, für die nachträgliche spanende

4 Bearbeitung erreicht. Dies verbessert sowohl die Bedingungen als auch den Zeitaufwand und damit die Kosten für die mechanische Bearbeitung. Durch einen systematischen Ausbau der Simulationsvorgängen ist es gelungen, die Modellierung und FEM-Simulation zu bewältigen und als ein Mittel zur Entwicklung von Prozessketten beim Freiformschmieden in die Praxis zu integrieren. Literatur [1] Mašek, B.; Bernášek, V.; Jáchym, V.; Havelka, L.: Hydraulic Sinusoidal Drive of CKW 6000 Forging Press Model, in: Conference FORM 2000, BVV Brno, CZ [2] Mašek, B.; Bernášek, V.; Hušek, J.; Pahnke, M.: A New Forging Press with Hydraulic Sinusoidal Drive, in: Conference ICTP 2002, Yokohama, J, in preparation [3] Jílek, L.: Dnešní stav vývoje kovárenských ingotů, in: 3. Národní kovárenská konference, Svaz kováren ČR, Žďár nad Sázavou, CZ [4] Jílek, L.; Krayzel, M.; Horečka, P.: Kovárenské ingoty, Nová kokilová řada, Optimalizace strukturního stavu těžkých kovářských ingotů, Forschungsbericht RVT 3/40/00/26, 3/40/00/30, Ostrava Vítkovice, 12/2000, CZ [5] Mašek, B.; Kešner, D.: Einsatz der Computersimulation zum Entwurf einer Stauchmatrixgeometrie für einen 45-Tonnen-Ingot, in: Conference CO-MAT- TECH 98, Trnava, SR, 1998 [6] Mašek, B.; Nový, Z.; Kešner, D.: 3D Simulation des Stauchens und Reckens des I 45 Ingots, in: 8 th International Metallurgical Conference Metal 2000, Ostrava, CZ [7] Mašek, B.; Nový, Z.; Kešner, D.: Computer Simulation of Technological Chain by Free Forging, in: 14 th International Forgemasters Meeting IFM 2000, Wiesbaden, D [8] Mašek, B.; Nový, Z.; Kešner, D.: Possibilities of FEM Simulation by Large Crankshaft Production, in: international conference ICTP 99, Nurmberg 1999, D [9] Meyer, L.W.; Mašek B.: Einsatz der Umformdilatometrie zur Entwicklung technologischer Prozesse des Umformens, in: 76. seminář technologů a metalurgů volných kováren, Valašské Klobouky - Jelenová, VTS Vítkovice, 5/2000, CZ [10] Švantner, M.; Mašek, B.; Koucký,V.: Vorbereitung und Beschaffung der Daten für mathematische Modellierung und Simulation, Projekt 250 Simulation der heterogenen, funktionsstrukturierten Systeme, WBU Pilsen , in: Simulation des Freischmiedens der Wellen aus CrMo-Stahl, Jahresteilbericht 1999, ZČU Plzeň, CZ [11] Meyer, L. W.: Gefüge- und Eigenschaftsentwicklung von Stählen durch Warmund Halbwarmumformung, Forschungsbericht SFB 283 der TU Chemnitz, , D

5 Modellierung und FEM Simulation vom Herstellungsprozeß großen Kurbelwellen Zusammensetzung der Modelle Plastometrie Umformdilatometrie Tribometrie Metallographie und viele weitere Prozeßentwicklung, Prozeßoptimierung, Werkzeug- und Anlagenentwurf Hauptaufgaben Ingotherstellung Abguss Erstarrung Geometrie und Verhältnis D/L Kopfabfall minimieren Füllung der Kokille Wärmebilanz Seigerungen Werkstoffinnenfehler Schmiedeprozeß Stauchen Recken Durchsetzen Fuß- und Kopfabfall minimieren Durchdringung der Verformung Hohlräume schließen Präzision, Genauigkeit, Gleichmäßige Verteilung der Zugaben Wärmebehandlung Gefügeentwicklung Gewinnung von gleichmäßigen Gefügen und Eigenschaften Bild 1: Übersicht über die Probleme, die bei der Prozesskette Freiformschmieden großer Kurbelwellen mit Hilfe der numerischen Simulation gelöst wurden HALBZEUG INGOT 45 T STAUCHEN RECKEN DURCHSETZEN Freiformschmieden von großen Kurbelwellen Bild 2: Beispiel einer fertigen freiformgeschmiedeten elf Meter langen Kurbelwelle mit schematischer Darstellung der einzelnen technologischen Hauptumformschritte Stauchen, Recken und Durchsetzen, die mit der Hilfe der FEM-Simulation optimiert wurden.

6 A STAUCHMATRIZEN B UNTERE OBERE C Bild 3: Der Abfall vom Fuß des Ingots wurde mittels FEM-Simulation minimiert. Das war möglich durch die Untersuchung der Verformung des Sedimentationskegels während des Stauchens in Stauchmatrizen verschiedener Geometrien mittels FEM- Simulation im 2D-Raum (A). Durch Variation der geometrischen Parameter der Matrizen konnte das Eindringen des Sedimentationskegels in den Ingotkörper beeinflusst werden. Mit der optimierten Matrize (B), die das Eindringen des Kegels am meisten behinderte, wurde eine Finalberechnung im 3D-Raum realisiert (C). [5,6]

7 Bild 4: Beispiel des Reckens eines 45 Tonnen schweres Ingots nach dem Stauchen (A) und die Detaildarstellung der Verteilung seiner äquivalenten Verformung im Längsschnitt (B). Die Simulation hat bei einer Durchmesserabnahme von 100 mm mit relativ schmalem Werkzeug von 550 mm Breite und 100 mm Überlappung pro Schmiedehub eine nicht ausreichende Durchdringung der Verformung in die Tiefe des Schmiedestückes nachgewiesen. Eine intensive Verformung wurde im beschriebenen Fall vor allem in der Nähe der Oberfläche festgestellt. Das stimmt mit den realen Bedingungen überein. Anzahl der Elemente ca , Gesamtlänge ca mm, aktueller Durchmesser mm, Anfangsdurchmesser ca mm. Die dargestellte Form wurde durch fünfmalige Durchmesserreduktion mit jeweils sechs 60 -Schritten erreicht. [7] Bild 5: Beispiel einer von dreizehn berechneten Varianten des Hubschmiedens (Durchsetzen) unter Wirkung der mehrfachen, unabhängig beweglichen Spezialwerkzeuge mit Verteilung der vertikalen und horizontalen Kräfte am Ende des Schmiedens. Bei dieser Optimierung wurden Berechnungen mit Hilfe der Software DEFORM und FORGE durchgeführt.

8 Bild 6: Eine FEM-Simulation ermöglicht unter anderem die Erprobung von unkonventiellen Ideen, die aus brain-storming entstanden sind. Als ein Beispiel dafür ist die Studie zum Kröpfen einer Kurbelwelle durch Querwalzen dargestellt. A - Anfang des Prozesses mit dargestellten rotierenden Rollen, B - Stand nach dem Umformung. [8] Process of Simulation Model of the Ingot Action Program File Geometry creating and meshing HyperMesh *.hm Export of the mesh in exchange format HyperMesh *.pat Import of the mesh and quality control Interg *.dou 3D Meshing Meshv *.may Model of the Dies Geometry creating and meshing HyperMesh *.hm Export of the mesh in exchange format HyperMesh *.pat Import of the mesh and quality control Interg *.dou Problem set up Object Adjustment Creout Motion set up Creout *.out Material Properties Other Parameters Computation Results Visualisation Results Analysis Bild 7: Schema des Simulationsverfahrens am Beispiel des Stauchens eines Ingots mittels Software FORGE. Die Geometrie des Modells wurde mit Hilfe des Programms HyperMesch vorbereitet. [7]

9 Bild 8: Bei der FEM-Simulation des Herstellungsverfahrens dieser Welle wurden die Wirkungen des Eigengewichts vernachläsigt. Beim Hubschmieden bewirkte diese Vereinfachung eine Verbiegung der Welle und dadurch eine Abweichung von der Realität. Deshalb wurde es nötig, diese Wirkung während des Hubschmiedens durch eine andere Art des Haltens der Welle mit Hilfe einer Manipulationskette zu kompensieren. Bild 9: Beispiel einer ständigen Kontrolle der Überstimmung der berechneten Ergebnisse mit der Realität. Als letzte Kontrolle in dieser Prozesskette vor dem Schmieden der realen Welle wurde das Modellschmieden einer Kurbelwelle im Maßstab 1:5 mit einer Finallänge von mm durchgeführt. Die Abweichung der Gesamtlänge von den berechneten Ergebnissen lag unter 30 mm. Das entspricht einer relativen Abweichung von 1,6%. Bild 10: Arbeitsplatz für das Modellschmieden mit einer Schmiedepresse CKW 6000 mit einem rechnergesteuerten sinusoidalen Antrieb im Maßstab 1:10 mit einer Maximalkraft von 10 kn

10 Bild 11: Eine komplexe Beschreibung des Werkstoffverhaltens unter den jeweiligen Umformbedingungen benötigt möglichst genaue Werkstoffkenndaten. Eine von vielen Möglichkeiten, diese Daten zu ermitteln, ist ein Umformdilatometer, das außer Fließkurven zusätzlich Ausdehnungskurven während der Abkühlung nach der Umformung liefern kann. Die Gesamtheit der Informationen ermöglicht die Gestaltung von Umform-Zeit-Temperatur-Diagrammen, die für die FEM-Simulation der Wärmebehandlung erforderlich sind. [9] β m n m σ = ( 3) K ( ϕ+ ϕ ) e Τ ϕ& 0 K 0 = 0,370E+4 material constant term m = 0,118 sensitivity to the strain rate n = 0,186 sensitivity to the strain hardening β = 0,258E-2 sensitivity to the temperature Bild 12: Eine von technisch einsetzbaren Gleichungen, die im Gebiet des Freiformschmiedens ausreichende Ergebnisse geliefert haben, ist das Modell nach NORTON-HOFF. Die vorbenannten Werte der Koeffizienten des Werkstoffverhaltens des Stahls 34CrNiMo6 im Bereich der üblichen Schmiedetemperaturen wurden aus 36 Fließkurven mit Hilfe eines dafür speziell entwickelten Programmes berechnet. [10]

11 Spannung [MPa] Austenit A 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Dehnung [ - ] 900 C s C 10s C 10s C s-1 Spannung [MPa] 900 C 250 1s C 1s C 1s C 150 1s C 0,1s C 0,1s C 500,1s C 0,1s-1 0 Instabile Mischstruktur B 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Dehnung [ - ] 900 C 10s C 10s C 10s C 10s C 1s C 1s C 1s C 1s C 0,1s C 0,1s C 0,1s C 0,1s-1 Bild 13: Unterschiede des Umformverhaltens des 20MoCrS4 Stahls unter gleichen Umformtemperaturen und -geschwindigkeiten. Die Fließkurven der austenitisierten Proben weisen keine unerwarteten Anomalien auf (A). Hier wurde die Umformtemperatur "von oben" erreicht, und zwar durch eine 5 Minuten lange Austenitisierung bei 900 C und anschließender schneller Abkühlung auf die Prüftemperatur. Im dem anderen Fall (B) wurde die Umformtemperatur "von unten" durch eine schnelle Erwärmung innerhalb von 10 s erreicht. Unmittelbar danach wurde eine Verformung durchgeführt. Im diesen schwer definierbaren instabilen Mischgefüge das sich aus einem ferritisch- perlitischen Anfangszustand fortlaufend umwandelt, kreuzen sich dagegen die Fließkurven mit zunehmender Temperatur und Umformgeschwindigkeit und lagen teilweise übereinander. Dadurch ist eine Erstellung eines konventionellen Umformmodells mit dem heutigen Stand der Technik in der FEM Simulation nicht möglich. [11] A B Bild 14: Graphische Darstellung einer unruhigen Füllung der Schmelze beim Abguß (A) und eines Temperaturfeldes während des Erstarrungprozesses eines 50 Tonnen schweres Ingots in einer Kokille (B). Die Optimierung der geometrischen Verhältnisse sowie der Entwurf des Kopfaufsatzes der Kokille wurde mit Hilfe einer numerischen Simulation im Programm MAGMA durchgeführt. [3,4]

12 Bild 15: Darstellung der Temperaturverteilung im Längsschnitt einer Kurbelwelle während der Wärmebehandlung. Diese wurde mit dem Programm SYSWELD berechnet. In die Berechnung der Kinetik der Temperaturänderungen wurden sämtliche wesentliche Einflüsse einbezogen. Mit Hilfe der Modelle die das Umwandlungsverhalten beschreiben, wurde es möglich eine Gefügeentwicklung zu berechnen. Für eine Kontrolle der Übereinstimmung der Ergebnisse wurden die Metallographie, quantitative Bildanalyse und Dilatometrie verwendet. [8] A B Bild 16: Typische Streifen im Gefüge die durch die dendritische Seigerung beim Erstarren in grossen Ingoten entstehen und zum Teil auch nach dem Schmieden und der Wärmebehandlung erhalten bleiben können. Dendritische Seigerungen der meisten Elemente führen zu lokalen Abweichungen der chemischen Zusammensetzung, die nicht nur die Endeigenschaften der Fertigprodukte beeinflussen, sondern auch das technologische Verhalten ändern. Die heterogenen Gefüge im grösseren Volumen weisen ein ungleichmässiges Rekristalisations- und Umwandlungsverhalten auf, das weiterhin durch die im Prozess entwickelte Spannung beeinflusst wurde. In der Aufnahme sind ferritisch-perlitische Bereiche (A) mit unterschiedlicher Korngröße, die allmählich in ferritisch-bainitische (B) oder sogar in fast rein bainitische Bereiche übergehen können.