Visualisierung von Bereichen hoher Reibung mithilfe der ... · Motivation: Berücksichtigung und Visualisierung p-v- und T-abhängiger Reibung in Abaqus Eine Visualisierung der Reibwerte

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Visualisierung von Bereichen hoher

Reibung mithilfe der FEM und

weitere Einflüsse auf die Tribologie

gehämmerter Oberflächenstrukturen

3. 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, 28.11.2014

3. W O R K S H O P 2014

MACHINEHAMMERPEENING

28.11.

Seite 4 © WZL/Fraunhofer IPT

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 =𝐹𝑅

𝐹𝑁

Untersuchungen von Banabic1 zufolge ist Reibung die signifikanteste

Einflussgröße auf das Prozessergebnis beim Tiefziehen Kontaktnormalspannung p [MPa]

Re

ibw

ert

µ [

-]

Ausgangssituation und Motivation

Konstante Reibwerte in der FE-Simulation von Blechumformprozessen

Druck-, geschwindigkeits- und temperaturabhängige Reibung

Untersuchungen von Filzek2 zufolge existiert eine degressiv fallende

Abhängigkeit der Reibung von der Kontaktnormalspannung p, der

Relativgeschwindigkeit v und der Temperatur T

𝜇(𝑝, 𝑣, 𝑡) = 𝜇0 ∙𝑝

𝑝0

𝑛−1∙

𝑣

𝑣0

𝑚−1∙

𝑇

𝑇0

𝑘−1

Kontaktnormalspannung p [MPa]

Re

ibw

ert

µ [

-]

v1

v2

v3 v1< v2 < v3

Quelle: 1D. Banabic: Sheet Metal Forming Processes – Constitutive Modeling and Numerical Simulation, Springer, 2010. 2J. Filzek, M. Ludwig: Berücksichtigung der

Reibung in der FEM-Simulation. In: Tagungsband TB-036 EFB-Kolloquiums Blechverarbeitung, 2013 pp. 359-370

Motivation: Berücksichtigung und Visualisierung p-v- und T-abhängiger Reibung in Abaqus

Eine Visualisierung der Reibwerte erlaubt die lokale Beeinflussung des Tribo-

systems und steigert das Prozessverständnis bezogen auf den Materialfluss


Weitere Forschungsaktivitäten am WZL bzgl. maschinellem Oberflächenhämmern 4

Analyse eines industriellen Tiefziehprozesses 3

Entwicklung eines Benutzerprogramms zur Visualisierung von Reibwerten in Abaqus 2

Ausgangssituation und Motivation 1

Gliederung


Flächenpressung p [MPa]

Re

ibw

ert

µ [-]

0.135

0.125

0.115

0.105

0.095

0.085

0.075

0.065 0 2 4 6 8 10

100

50

10

0.135

0.125

0.115

0.105

0.095

0.085

0.075

Linien = Regression Symbol = experimentelle Werte

v = 10 mm/s; T = 20 °C

v = 50 mm/s; T = 20 °C

v = 100 mm/s; T = 20 °C

v = 10 mm/s; T = 40 °C

v = 50 mm/s; T = 40 °C

v = 100 mm/s; T = 40 °C

𝜇 [-] 0.135

0.65

Ermittelte Reibwerte mithilfe des Streifenziehversuchs

40°C 20°C

„Best Fit“

Experimente

Entwicklung eines Benutzerprogramms zur Visualisierung von Reibwerten in Abaqus

Multidimensionale Regression zur Ermittlung der Koeffizienten

Residuen R(p,v,T) p = 2 p = 4 p = 6 p = 8

R(p,10,20) 1,44-3 6,41-4 -1,23-3 -3,20-3

R(p,50,20) -4,77-3 -1,24-3 1,65-4 4,92-5

R(p,100,20) -2,32-4 3,14-3 4,00-3 3,19-3

R(p,10,40) 4,45-3 2,50-3 6,67-7 -2,40-3

R(p,50,40) -4,56-3 -1,94-3 -1,03-3 -1,48-3

R(p,100,40) -1,04-3 1,51-3 1,93-3 8,19-4

𝜇 𝑝, 𝑣, 𝑡 = 𝜇0 ∙𝑝

𝑝0

𝑙−1

∙𝑣

𝑣0

𝑚−1

∙𝑡

𝑡0

𝑛−1

𝝁∗ 𝒑, 𝒗, 𝒕 = 𝒄 ∙ 𝒑𝒊 ∙ 𝒗𝒋 ∙ 𝑻𝒌

= 𝑐∗ 𝜇0, 𝑝0, 𝑣0, 𝑇0, 𝑙, 𝑚, 𝑛 ∙ 𝑝𝑖 ∙ 𝑣𝑗∙ 𝑇𝑘

⇔𝜇0

𝑝0𝑙−1∙𝑣0

𝑚−1∙𝑇0𝑛−1 ∙ 𝑝𝑙−1 ∙ 𝑣𝑚−1∙ 𝑇𝑛−1

„Nonlinear least square“-Regression

= 0.3244 ∙ 𝒑−0,1334 ∙ 𝒗−0,1510∙ 𝑻−0,1468

Werkzeug = 1.2379 (X155CrMoV12) + TiCN

Werkstück = 1.4301 (X5CrNi18-10)

Schmierstoff = Synthetisch, mineralölfrei


Am Beispiel eines Rohrkörpers (a) Volumenelemente

(b) Schalenelemente

„Dickenvektor“

8 Knoten-Volumenelement

Knoten der Außenfläche

Knoten der Innenfläche

5 6

7 8

1 2

3 4

4 Knoten-Schalenelement

Vorzeichen des Normalenvektors

definiert

Außenfläche

1 2

3 4

bzw. Innenfläche


Berücksichtigung blechspezifischer Diskretisierungstechniken

Außenfläche

Wechselwirkung z.B.

mit Werkzeug 1

Wechselwirkung z.B.

mit Werkzeug 2

Innenfläche



Demonstration der Reibwertvisualisierung

Video: FE-Modell des Streifenziehversuchs mit konstanten Reibbedingungen


In-Situ-Analyse

Aktuelle Reibwerte

Blechstreifen

𝜇𝑀𝑜𝑚 [-] 0.2

0

Unterer

Niederhalter

Reibwerthistorie mit Fokus auf dem „letzten“ Reibwert

Reibwerte

Blechstreifen

𝜇𝐿𝑎𝑠 [-] 0.2

0

Unterer

Niederhalter

𝜇max = 0,38

Reibwerthistorie mit Fokus auf den Maximalwerten

Blechstreifen

0.2

0

Unterer

Niederhalter

𝜇Crit = 0,7

𝜇𝑀𝑎𝑥 [-] 0.5

0

𝜇𝑀𝑎𝑥 [-]

Reibwerthistorie mit Fokus auf gemittelten Reibwerten

Blechstreifen

𝜇𝐴𝑣𝑔 [-] 0.2

0

Unterer

Niederhalter

Durchschnittlicher Reibwert

𝜇 ≈ 0.1


Implementierung von vier Visualisierungsvarianten






Gliederung


Analyse eines industriellen Tiefziehprozesses

Entwicklung der Reibwerte entlang der Umformstufen

𝜇𝐴𝑣𝑔 [-] 0.15

0.0 0.075

𝜇𝐴𝑣𝑔 [-] 0.15

0.0 0.075

𝜇𝐴𝑣𝑔 [-] 0.15

0.0 0.075

(b) Zweite Ziehstufe (b) Dritte Ziehstufe (a) Erste Ziehstufe

Scharnier

Ziehsicken

Fach für Spülmaschinentabs

Werkzeugflächen

sind freigefräst

Innenseite


Oberseite

Außenseite Außenseite Außenseite Außenseite

Innenseite Innenseite Innenseite Innenseite

(a) In-Situ-Analyse (b) „Letzter“ Reibwert (c) Maximalwerte (d) Durchschnittswerte

Innenseite Außenseite

Analyse eines industriellen Tiefziehprozesses

Vergleich der Visualisierungsvarianten

Innenseite Außenseite Innenseite Außenseite Innenseite Außenseite

𝜇𝑀𝑜𝑚 [-] 0.15

0.0 0.075

𝜇𝑀𝑎𝑥 [-] 0.15

0.0 0.075

𝜇𝐿𝑎𝑠 [-] 0.15

0.0 0.075

𝜇𝐴𝑣𝑔 [-] 0.15

0.0 0.075






Gliederung


Weitere Forschungsaktivitäten am WZL bzgl. maschinellem Oberflächenhämmern

Tribologische Untersuchungen zur Reibung beim Tiefziehen

Streifenziehversuch

Niederhalter

Stempel

FN

Achsen v

FN

FR FR

Blech

Ref.

Re

ibw

ert

µ [

-]

S90 T S45

0,01

0,03

0,05

0,02

0,04

0 Ref.

- 58 %

Ref.

Re

ibw

ert

µ [

-]

S90 T S45

0,01

0,03

0,05

0,02

0,04

0

- 57 %

2

mm

Ziehrichtung

Niederhalter-

platte

2

mm

Ziehrichtung

2

mm

Ziehrichtung

2

mm

Ziehrichtung

S90 T S45

0

µm

10

0 µ

m

10

y

x z

Ref.

Wirkpaarung

σK(FN) = 7 MPa

v = 4 m/min

T = 20 °C

Öl: Geroform 747

Werkstoffe

Blech: 1.4301

Niederhalter: 1.2379

Referenzoberfläche Maschinell gehämmerte Oberflächenstrukturen

Reibwertanalyse (13 g/m²) Reibwertanalyse (4 g/m²)

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 2014, Volume 8, Issue 3, pp 263-272.


Analyse der Reibwertentwicklung


Tribologische Untersuchungen zum Verschleiß beim Tiefziehen

Hub 0 Hub 100

1 mm 1 mm

Hub 200

1 mm

S90

1 mm 1 mm 1 mm 50 µm S9

0-T

iCN

Verschleiß

Hub 0 Hub 300 Hub 500

50 µm

Verschleißfrei

Ref. S90 S45

d

D

250 µm

0 N

100 N

1000 µm Lc1 Lc2

S45

S45

250 µm

Ref. S45 S90

Analyse der Verschleißentwicklung

Bewertung der Eignung strukturierter Oberflächen bzgl. einer Oberflächenbeschichtung

Schichtdicke Schichtfestigkeit Schichthaftfestigkeit

Re

ibw

ert

µ [

-]

1 20 60

0,01

0,03

0,05

0,02

0,04

0 100 200 300 400 500

0,12

S90 S90-TiCN S45 S45-TiCN Ref.-TiCN

Ref. Hubnummer H [-]

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 2014, Volume 1018, pp 317-324.



Tribologische Untersuchungen zur Benetzbarkeit

5 10 15 20 25 30 35 40

5

10

15

20

25

30

35

Po

lare

Ob

erf

läch

en

en

erg

ie σ

p

[mN

/m]

40

Mineralöl

Festes

Polymer

Fl. Polymer Wachs

Mineralölfrei

Schmierstoff:

Disperse Oberflächenenergie σD [mN/m]

Geschliffen S90 T

S45 Poliert

1.4301 (Glanz)

1.4301 (Matt)

„Wetting envelope“:

Mineralöl (0,89 g/m²)

2 mm 250 µm

Ölreservoir

Blechstreifen

Düsen

Steuerung

Laborbeölungsanlage

Sprühbild

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 2014, accepted manuscript.



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/2013, S. 1-8.


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

Dipl.-Ing. Dipl.-Wirt.Ing. Daniel Trauth

Gruppenleiter Umformende Fertigungsverfahren

Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen

( +49 241/ 80 27999

* [email protected]

3. W O R K S H O P 2014

MACHINEHAMMERPEENING

28.11.


Backup


Weitere Forschungsaktivitäten am WZL bzgl. maschinellem Oberflächenhämmern Tribologie maschinell gehämmerter Werkzeugoberflächen für das Tiefziehen

Mit steigendem Verschleiß der Umformwerkzeuge

steigen die Prozesskosten und damit auch die

Bauteilkosten

Wirtschaftliche Problemstellung

Die Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge zwischen

der Prozesskinematik und der Oberflächen-

modifikation gehärteter Werkzeuge sind

unzureichend erforscht

Die Wirkmechanismen gehämmerter Oberflächen-

strukturen hinsichtlich Reibung und Verschleiß beim

Tiefziehen sind unbekannt und demnach nicht zur

methodischen Auslegung nutzbar

Wissenschaftliche Problemstellungen

Forschungsziel

Aufbau eines Modells zur Erklärung der Randschichteigenschaften gehärteter Werkzeuge und der

Auswirkungen festgeklopfter Oberflächenstrukturen auf Reibung und Verschleiß

30

70 70

30

Anteil Leichtbauwerkstoffe pro Fahrzeug*

2013 2030

Rest

LBW

Legende: LBW = Leichtbauwerkstoffe. Quelle: * McKinsey & Company (2013)


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) = 𝜇0 ∙𝑝

𝑝0

𝑛−1∙

𝑣

𝑣0

𝑚−1∙

𝑡

𝑡0

𝑘−1

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

Kontaktnormalspannung p [MPa]

Re

ibw

ert

µ [

-]

v1

v2

v3 v1< v2 < v3

STH [mm]

+0.3

+0.5

𝜇 = 𝑓(𝑝, 𝑣, 𝑡) 𝜇 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡

Sim. Form.

- STH STH Abw. [%]

1 0,30 0,26 19 > 15

2 0,40 0,40 2,5 > 0

3 0,39 0,38 2,6 = 2,6

4 0,31 0,26 19 = 19

5 0,34 0,32 6,3 = 6,3

1 2

3

4

5

Form.

Sim.

Falten Faltenfrei

Stand 9. FE-Anwendertreffen

Motivation und Implementierung der Abhängigkeit


Validierung an einer Geschirrspülerinnetürsimulation

Isometric view of the dishwasher indoor panel

𝑈 [mm] 35

0

Hinge

Detergent

box

Draw bead (a) Sheet thickness using experimental

form limit analysis…

(b) Sheet thickness using FEA with

constant friction coefficient

(c) Sheet thickness using FEA with

presented friction model

s [mm] +0.25

+0.45

2

1

3

4 5

Validation



Untersuchungen zur Elastohydrodynamik

y

x, U1

x*

y*

2a

2b h0

0

h(x)

Struktur auf Werkzeugoberfläche

Blechstreifen

Elliptische Annäherung der Struktur

h0

x,u y,v

z,w U2

U1 W1

W2

Struktur auf Werkzeug-

oberfläche

Blechstreifen

t

t

U1

0

0,001

0,002

0,003

0,004

0,005

0,006

0,007

-2

-1

0

1

2

3

4

0 0,2 0,4 0,6 0,8

y [m

m]

p [

MP

a]

x [mm]

Druckverlauf p(x)

h = 4

h = 3

h = 2

h = 1

h = 0,5

Geometrie

Simulation des

Druckverlaufs

Auswertung des Druckverlaufs für

unterschiedliche Spalthöhen h


Forschungsschwerpunkte:

Untersuchungen zur Dauerfestigkeit/Lebensdauer3

8

Kein Bruch

5.5

Bie

gem

om

en

t L

B [

Nm

]

Probennummer n [-]

4

5

4.5

6

1

1

1

1

2

3

3

4

4

5

5

6

6

7

2

3

3

3 5

4

6

5 7 3.5

MOH

Lcrit = 5,12

W-EDM

Lcrit = 3,62

Bruch

…

…

X1,4

7 7

8

Druckspannungen

Zug-

spannungen

Druckspannungen

Importierte Eigenspannung A - A

-1200

+420

σv [MPa] LB = 4 Nm

A

A

20 µm 20 µm

Experimentelle Analyse der Biegewechselfestigkeit Numerische Analyse des Belastungskollektivs

Steigerung der Biegewechselfestigkeit

um den Faktor 1,4

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