Die elasto-plastische Einglättung rauer Oberflächen und ihr Einfluss auf die Reibung in der Umformtechnik

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  • Umformen ist ein leistungsfähiges und ökonomisch sehr bedeutendes Fertigungsverfahren. Um den industriellen Trends zu Funktionsintegration und Leichtbau gerecht zu werden, müssen die aktuellen Fertigungsverfahren optimiert und neue Verfahren entwickelt werden. Ein vielversprechender Ansatz ist, durch Kombination von Operationen der Blech- und Massivumformung zur Blechmassivumformung (BMU) Bauteilen mit Funktionselementen aus flächigen Halbzeugen herzustellen. Aufgrund der großen Bedeutung der Reibung für die Ausformung von Funktionselementen ist ein geeignetes Reibgesetz sehr wichtig für die numerische Prozessauslegung in der Blechmassivumformung. Ein solches Reibgesetz wird im Rahmen derUmformen ist ein leistungsfähiges und ökonomisch sehr bedeutendes Fertigungsverfahren. Um den industriellen Trends zu Funktionsintegration und Leichtbau gerecht zu werden, müssen die aktuellen Fertigungsverfahren optimiert und neue Verfahren entwickelt werden. Ein vielversprechender Ansatz ist, durch Kombination von Operationen der Blech- und Massivumformung zur Blechmassivumformung (BMU) Bauteilen mit Funktionselementen aus flächigen Halbzeugen herzustellen. Aufgrund der großen Bedeutung der Reibung für die Ausformung von Funktionselementen ist ein geeignetes Reibgesetz sehr wichtig für die numerische Prozessauslegung in der Blechmassivumformung. Ein solches Reibgesetz wird im Rahmen der vorliegenden Arbeit entwickelt. Charakteristisch für die Blechmassivumformung ist ein großes Spektrum an Flächenpressungen und mehrstufige Prozesse. In mehrstufigen Prozessen beeinflusst die Oberflächeneinglättung im Kontakt das Reibungsverhalten in den nachfolgenden Prozessschritten. Deshalb muss die plastische Oberflächeneinglättung im Reibgesetz berücksichtigt werden. Für die Simulation des Kontakts der rauen Oberflächen wird ein Halbraummodell verwendet, in das zwei unterschiedliche Plastizitätsmodelle implementiert werden. Während eines der Plastizitätsmodelle auf der Limitierung der Flächenpressung auf der Oberfläche basiert, wird im zweiten Modell eine dreidimensionale Berechnung der plastischen Deformation auf einer Volumendiskretisierung vorgenommen. Neben der elasto-plastischen Verformung der rauen Oberfläche wird auch die Ausbildung hydrostatischer Drücke im Schmierstoff in geschlossenen Schmiertaschen modelliert. Die numerischen Modelle werden durch Finite-Elemente-Simulationen, Härteprüfungen und einen Einglättungsversuch validiert. In den Einglättungsversuchen werden die Oberflächen sowohl im trockenen, als auch im beölten Zustand durch einen ebenen Stempel eingeglättet. Die Veränderungen der Rauheitskenngrößen, die Materialanteilkurven und die Wahrscheinlichkeitsverteilungen der Oberflächenhöhen aus den Experimenten werden mit den Ergebnissen der Halbraumsimulationen verglichen. Aus den Ergebnissen der Halbraumsimulationen wird ein Reibgesetz abgeleitet, dass den Einfluss der Oberflächeneinglättung in vorhergehenden Prozessschritten abbildet. Weil das Reibgesetz zudem sowohl für niedrige, als auch hohe Flächenpressungen geeignet ist, erfüllt es die Anforderungen der Blechmassivumformung. Das entwickelte Reibgesetz wird als Subroutine in das Finite-Elemente System Simufact.forming implementiert. Die Oberflächeneinglättung wird über eine Oberflächenzustandsvariable, die auch nach einer Neuvernetzung des Modells genutzt werden kann, berücksichtigt. Anhand eines mehrstufigen Umformprozesses zur Herstellung eines Napfes mit aufgedickter Zarge aus einem Blechhalbzeug wird der Einfluss des Reibgesetzes in einem Umformprozess demonstriert.show moreshow less
  • Metal forming is an efficient production technique of great economic importance. The current forming processes have to be optimised and new processes have to be developed in order to keep up with the industrial trends to lightweight construction and functional integration. A promising approach to fulfil these demands is the combination of sheet and bulk metal forming operations to sheet-bulk metal forming (SBMF). A suitable friction law is of great importance for the numerical process design, because friction has a strong influence on the moulding of functional elements. The aim of this research work is to develop such a friction law for sheet-bulk metal forming. Characteristic for SBMFMetal forming is an efficient production technique of great economic importance. The current forming processes have to be optimised and new processes have to be developed in order to keep up with the industrial trends to lightweight construction and functional integration. A promising approach to fulfil these demands is the combination of sheet and bulk metal forming operations to sheet-bulk metal forming (SBMF). A suitable friction law is of great importance for the numerical process design, because friction has a strong influence on the moulding of functional elements. The aim of this research work is to develop such a friction law for sheet-bulk metal forming. Characteristic for SBMF is a wide range of contact pressure and multi-stage processes. The plastic surface smoothing in the contact has an influence on the friction in subsequent process stages. Therefore the plastic smoothing of the surfaces in contact has to be taken into account in the friction law. For the contact simulation a halfspace model with two different plasticity models is used. The first model is based on limiting the contact pressure to the surface hardness, whereas three-dimensional plastic deformation on a volume discretisation is calculated in the second model. Besides elastic-plastic deformation hydrostatic lubrication in closed lubricant pockets is also taken into account. The numerical halfspace models are verified by a smoothing test, hardness tests and Finite-Element simulations. In the smoothing test rough surfaces are in contact with a smooth surface in dry as well as in lubricated conditions. The changes of roughness parameters, bearing area curves (Abbott curves) and probability distributions of surface heights in the experiment are compared to simulation results. The friction law is developed based on the results of halfspace simulations and experiments. It fulfills the requirements of sheet-bulk metal forming, because it is suitable for a wide range of contact pressures and takes the smoothing of surface roughness in multi-stage processes into account. The friction law is implemented into the Finite-Element system Simufact.forming as a user subroutine. The surface smoothing is incorporated into the user subroutine by means of a surface state variable, which can be used in conjunction with remeshing. The effect of the developed friction law is demonstrated in a forming process of a cup with an increased wall thickness at the edge out of a sheet metal.show moreshow less

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Metadaten
Author:Franz Hauer
Persistent identifiers - URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-54615
Series (Volume number):Schriftenreihe Technische Mechanik (12)
Referee:Kai Willner
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of publication:2014
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Acceptance date of the thesis:2014/07/15
Release Date:2014/11/25
SWD-Keyword:Kontaktmechanik; Oberfläche; Halbraum; Umformen; Simulation; Versuch
Institutes:Technische Fakultät
Technische Fakultät / Department Maschinenbau / Lehrstuhl für Technische Mechanik (LTM)
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 67 Industrielle Fertigung / 670 Industrielle Fertigung
open_access (DINI-Set):open_access
Licence (German):Keine Creative Commons Lizenz - es gilt der Veröffentlichungsvertrag und das deutsche Urheberrecht
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