Visualisierung von Bereichen hoher Reibung mithilfe der FEM und weitere Einflüsse auf die Tribologie gehämmerter Oberflächenstrukturen

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1 W O R K S H O P 214 MACHINEHAMMERPEENING Visualisierung von Bereichen hoher Reibung mithilfe der FEM und weitere Einflüsse auf die Tribologie gehämmerter Oberflächenstrukturen. Workshop Machine Hammer Peening Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. Dr. h.c. Fritz Klocke Dipl.-Ing. Dipl.-Wirt.Ing. Daniel Trauth Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen Aachen,

2 Reibwert µ [-] Reibwert µ [-] Ausgangssituation und Motivation Konstante Reibwerte in der FE-Simulation von Blechumformprozessen Ausgangssituation: Annahme konstante Reibwerte nach Coulomb Häufig wird die Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück in Blechumformungsimulationen auf Basis der FEM vernachlässigt oder durch konstante Reibkoeffizienten angenähert μ = F R F N Untersuchungen von Banabic 1 zufolge ist Reibung die signifikanteste Einflussgröße auf das Prozessergebnis beim Tiefziehen Kontaktnormalspannung p [MPa] Druck-, geschwindigkeits- und temperaturabhängige Reibung Untersuchungen von Filzek 2 zufolge existiert eine degressiv fallende Abhängigkeit der Reibung von der Kontaktnormalspannung p, der Relativgeschwindigkeit v und der Temperatur T μ(p, v, t) = μ p n 1 v m 1 T p v T k 1 v 1 < v 2 < v v 1 v 2 v Kontaktnormalspannung p [MPa] Motivation: Berücksichtigung und Visualisierung p-v- und T-abhängiger Reibung in Abaqus Eine Visualisierung der Reibwerte erlaubt die lokale Beeinflussung des Tribosystems und steigert das Prozessverständnis bezogen auf den Materialfluss Quelle: 1 D. Banabic: Sheet Metal Forming Processes Constitutive Modeling and Numerical Simulation, Springer, J. Filzek, M. Ludwig: Berücksichtigung der Reibung in der FEM-Simulation. In: Tagungsband TB-6 EFB-Kolloquiums Blechverarbeitung, 21 pp Seite 4

3 Gliederung 1 Ausgangssituation und Motivation 2 Entwicklung eines Benutzerprogramms zur Visualisierung von Reibwerten in Abaqus Analyse eines industriellen Tiefziehprozesses 4 Weitere Forschungsaktivitäten am WZL bzgl. maschinellem Oberflächenhämmern Seite 5

4 Reibwert µ [-] Entwicklung eines Benutzerprogramms zur Visualisierung von Reibwerten in Abaqus Multidimensionale Regression zur Ermittlung der Koeffizienten Ermittelte Reibwerte mithilfe des Streifenziehversuchs Best Fit Experimente Flächenpressung p [MPa] Werkzeug = (X155CrMoV12) + TiCN Werkstück = 1.41 (X5CrNi18-1) Schmierstoff = Synthetisch, mineralölfrei Symbol = experimentelle Werte v = 1 mm/s; T = 2 C v = 5 mm/s; T = 2 C v = 1 mm/s; T = 2 C 4 C 2 C 5 Linien = Regression v = 1 mm/s; T = 4 C v = 5 mm/s; T = 4 C v = 1 mm/s; T = 4 C μ [-] Nonlinear least square -Regression μ p, v, t μ p, v, t = μ p p l 1 = c p i v j T k v v m 1 Residuen R(p,v,T) p = 2 p = 4 p = 6 p = 8 R(p,1,2) 1,44-6, ,2 - -,2 - R(p,5,2) -4, ,24-1,65-4 4,92-5 R(p,1,2) -2,2-4,14-4, -,19 - R(p,1,4) 4,45-2,5-6, ,4 - R(p,5,4) -4, , , - -1,48 - R(p,1,4) -1,4-1,51-1,9-8,19-4 t t n 1 μ p l 1 v m 1 T n 1 p l 1 v m 1 T n 1 = c μ, p, v, T, l, m, n p i v j T k =.244 p,14 v,151 T,1468 Seite 6

5 Entwicklung eines Benutzerprogramms zur Visualisierung von Reibwerten in Abaqus Berücksichtigung blechspezifischer Diskretisierungstechniken Am Beispiel eines Rohrkörpers Innenfläche Außenfläche Wechselwirkung z.b. mit Werkzeug 1 (a) Volumenelemente 8 Knoten-Volumenelement Knoten der Außenfläche Knoten der Innenfläche Wechselwirkung z.b. mit Werkzeug 2 (b) Schalenelemente 4 Knoten-Schalenelement Vorzeichen des Normalenvektors definiert Außenfläche 4 Dickenvektor 1 2 bzw. Innenfläche Seite 7

6 Entwicklung eines Benutzerprogramms zur Visualisierung von Reibwerten in Abaqus Demonstration der Reibwertvisualisierung Video: FE-Modell des Streifenziehversuchs mit konstanten Reibbedingungen Seite 8

7 Entwicklung eines Benutzerprogramms zur Visualisierung von Reibwerten in Abaqus Implementierung von vier Visualisierungsvarianten In-Situ-Analyse Aktuelle Reibwerte Reibwerthistorie mit Fokus auf dem letzten Reibwert Reibwerte Unterer Niederhalter Blechstreifen μ Mom [-].2 Unterer Niederhalter Blechstreifen μ max =,8 μ Las [-].2 Reibwerthistorie mit Fokus auf den Maximalwerten μ Crit =,7 μ Max [-].5 Reibwerthistorie mit Fokus auf gemittelten Reibwerten Durchschnittlicher Reibwert μ.1 Unterer Niederhalter Blechstreifen μ Max [-].2 Unterer Niederhalter Blechstreifen μ Avg [-].2 Seite 9

8 Gliederung 1 Ausgangssituation und Motivation 2 Entwicklung eines Benutzerprogramms zur Visualisierung von Reibwerten in Abaqus Analyse eines industriellen Tiefziehprozesses 4 Weitere Forschungsaktivitäten am WZL bzgl. maschinellem Oberflächenhämmern Seite 1

9 Analyse eines industriellen Tiefziehprozesses Entwicklung der Reibwerte entlang der Umformstufen (a) Erste Ziehstufe Innenseite Ziehsicken (b) Zweite Ziehstufe Fach für Spülmaschinentabs (b) Dritte Ziehstufe Scharnier μ Avg [-] μ Avg [-] Werkzeugflächen sind freigefräst μ Avg [-] Seite 11

10 Analyse eines industriellen Tiefziehprozesses Vergleich der Visualisierungsvarianten (a) In-Situ-Analyse (b) Letzter Reibwert (c) Maximalwerte (d) Durchschnittswerte Innenseite Außenseite Innenseite Außenseite Innenseite Außenseite Innenseite Außenseite Innenseite Innenseite Oberseite Innenseite Innenseite Außenseite Außenseite Außenseite Außenseite μ Mom [-] μ Las [-] μ Max [-] μ Avg [-] Seite 12

11 Gliederung 1 Ausgangssituation und Motivation 2 Entwicklung eines Benutzerprogramms zur Visualisierung von Reibwerten in Abaqus Analyse eines industriellen Tiefziehprozesses 4 Weitere Forschungsaktivitäten am WZL bzgl. maschinellem Oberflächenhämmern Seite 1

12 Reibwert µ [-] Reibwert µ [-] µm µm 2 mm 2 mm 2 mm 2 mm Weitere Forschungsaktivitäten am WZL bzgl. maschinellem Oberflächenhämmern Tribologische Untersuchungen zur Reibung beim Tiefziehen Referenzoberfläche Maschinell gehämmerte Oberflächenstrukturen z x Ziehrichtung Ziehrichtung Ziehrichtung Ziehrichtung y Ref. S9 T S45 Niederhalterplatte 1 1 Streifenziehversuch Wirkpaarung σ K (F N ) = 7 MPa v = 4 m/min T = 2 C Öl: Geroform 747 Werkstoffe Blech: 1.41 Niederhalter: Achsen Blech F R F N v Niederhalter Stempel F N F R Reibwertanalyse (1 g/m²),5,4,,2,1-58 % Ref. S9 T S45 Reibwertanalyse (4 g/m²),5,4,,2,1-57 % Ref. S9 T S45 Quelle: F. Klocke, D. Trauth, F. Schongen, A. Shirobokov.: Analysis of friction between stainless steel sheets and machine hammer peened structured tool surfaces. In: WGP Production Engineering, June 214, Volume 8, Issue, pp Seite 14

13 S9-TiCN Reibwert µ [-] S9 Weitere Forschungsaktivitäten am WZL bzgl. maschinellem Oberflächenhämmern Tribologische Untersuchungen zum Verschleiß beim Tiefziehen Analyse der Reibwertentwicklung,12,5,4,,2, Hubnummer H [-] Ref. S9 S9-TiCN S45 S45-TiCN Ref.-TiCN Analyse der Verschleißentwicklung Hub Hub 1 Hub 2 Verschleiß 1 mm 1 mm 1 mm 5 µm Hub Hub Hub 5 Verschleißfrei 1 mm 1 mm 1 mm 5 µm Bewertung der Eignung strukturierter Oberflächen bzgl. einer Oberflächenbeschichtung Schichtdicke Schichtfestigkeit Schichthaftfestigkeit Ref. S9 S45 N Ref. S9 S45 d D 25 µm 1 µm Lc 1 Lc 2 1 N S45 S45 25 µm Quelle: F. Klocke, D. Trauth, M. Terhorst, P. Mattfeld.: Wear Analysis of Tool Surfaces Structured by Machine Hammer Peening for Foil-Free Forming of Stainless Steel. In: Advanced Materials Research, September 214, Volume 118, pp Seite 15

14 [mn/m] Weitere Forschungsaktivitäten am WZL bzgl. maschinellem Oberflächenhämmern Tribologische Untersuchungen zur Benetzbarkeit Laborbeölungsanlage Ölreservoir Düsen Blechstreifen Steuerung Sprühbild Mineralöl (,89 g/m²) Polare Oberflächenenergie σ p Schmierstoff: Mineralölfrei Mineralöl Wachs Fl. Polymer Festes Polymer 2 mm 25 µm Wetting envelope : 1.41 (Glanz) 1.41 (Matt) Disperse Oberflächenenergie σ D [mn/m] Geschliffen S9 T Poliert S45 Quelle: D. Trauth, F. Klocke, M. Terhorst, P. Mattfeld.: Physicochemical Analysis of Machine Hammer Peened Surface Structures for Deep Drawing In: Journal of Tribology, November 214, accepted manuscript. Seite 16

15 Weitere Forschungsaktivitäten am WZL bzgl. maschinellem Oberflächenhämmern Analyse und Modellierung der Prozesskinematik/Kontaktmechanik Prinzipaufbau Modellierung der elektrischen Komponenten Verifizierung und Simulation Quelle: D. Trauth, F. Klocke, F. Schongen, A. Shirobokov: Analyse und Modellierung der Schlagkraft beim elektro-dynamischen Festklopfen zur kraftbasierten Prozessauslegung. In: utf Science, III/21, S Seite 17

16 W O R K S H O P 214 MACHINEHAMMERPEENING Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Dipl.-Ing. Dipl.-Wirt.Ing. Daniel Trauth Gruppenleiter Umformende Fertigungsverfahren Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen ( / * D.Trauth@wzl.rwth-aachen.de Seite 18

17 Backup Seite 19

18 Weitere Forschungsaktivitäten am WZL bzgl. maschinellem Oberflächenhämmern Tribologie maschinell gehämmerter Werkzeugoberflächen für das Tiefziehen Wirtschaftliche Problemstellung Mit steigendem Verschleiß der Umformwerkzeuge steigen die Prozesskosten und damit auch die Bauteilkosten Anteil Leichtbauwerkstoffe pro Fahrzeug* 21 2 LBW Rest 7 7 Wissenschaftliche Problemstellungen Die Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge zwischen der Prozesskinematik und der Oberflächenmodifikation gehärteter Werkzeuge sind unzureichend erforscht Die Wirkmechanismen gehämmerter Oberflächenstrukturen hinsichtlich Reibung und Verschleiß beim Tiefziehen sind unbekannt und demnach nicht zur methodischen Auslegung nutzbar Forschungsziel Aufbau eines Modells zur Erklärung der Randschichteigenschaften gehärteter Werkzeuge und der Auswirkungen festgeklopfter Oberflächenstrukturen auf Reibung und Verschleiß Legende: LBW = Leichtbauwerkstoffe. Quelle: * McKinsey & Company (21) Seite 2

19 Reibwert µ [-] Stand 9. FE-Anwendertreffen Motivation und Implementierung der Abhängigkeit Druck-, geschwindigkeits- und temperaturabhängige Reibungsmodellierung In der Literatur werden auf Empirie basierende degressiv fallende Reibeigenschaften in Abhängigkeit der Kontaktnormalspannung p, der Relativgeschwindigkeit v und der Temperatur t postuliert μ(p, v, t) = μ p n 1 v m 1 t p v t Momentan erfolgt die Verifizierung einer vfric_coeff Subroutine für die o.g. Reibwertmodellierung basierend auf Literaturwerten Mithilfe des Streifenziehversuchs können die benötigten Koeffizienten für das hier untersuchte Tribosystem bestimmt werden k 1 v 1 < v 2 < v v 1 v 2 v Kontaktnormalspannung p [MPa] Form. 1 2 Sim. Form. - STH STH Abw. [%] STH [mm] +. μ = const Falten μ = f(p, v, t) 5 Faltenfrei 1,,26 19 > 15 2,4,4 2,5 >,9,8 2,6 = 2,6 4,1,26 19 = 19 5,4,2 6, = 6, 4 Sim. +.5 Seite 21

20 Validierung an einer Geschirrspülerinnetürsimulation Isometric view of the dishwasher indoor panel Draw bead Validation (a) Sheet thickness using experimental form limit analysis Detergent box Hinge (b) Sheet thickness using FEA with constant friction coefficient U [mm] 5 (c) Sheet thickness using FEA with presented friction model s [mm] Seite 22

21 p [MPa] y [mm] Weitere Forschungsaktivitäten am WZL bzgl. maschinellem Oberflächenhämmern Untersuchungen zur Elastohydrodynamik Struktur auf Werkzeugoberfläche t Struktur auf Werkzeugoberfläche y h x* h h(x) y* t 2b x, U 1 y,v x,u z,w 4 W 2 U 2 W 1 U 1 Blechstreifen Auswertung des Druckverlaufs für Druckverlauf p(x) unterschiedliche Spalthöhen h,7,6 2,5 1,4,,2,2,4,6,8-1,1-2 x [mm] h = 4 h = h = 2 h = 1 h =,5 Geometrie 2a Blechstreifen Elliptische Annäherung der Struktur Simulation des Druckverlaufs U 1 Seite 2

22 Biegemoment L B [Nm] Forschungsschwerpunkte: Untersuchungen zur Dauerfestigkeit/Lebensdauer Experimentelle Analyse der Biegewechselfestigkeit Numerische Analyse des Belastungskollektivs Bruch Kein Bruch MOH L crit = 5,12 X1,4 W-EDM L crit =,62 A - A A L B = 4 Nm σ v [MPa] +42 A -12 Importierte Eigenspannung Druckspannungen Probennummer n [-] Druckspannungen Zugspannungen 2 µm 2 µm Steigerung der Biegewechselfestigkeit um den Faktor 1,4 Seite 24