Cold Forging

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Cold Forging

Willkommen Welcome
Technik, die bewegt
Technology in Motion
1
Stand: Mai 2010
© Hirschvogel Holding GmbH
FEM in der
Massivumformung
Dr.-Ing. Stephan Weidel
Leiter Forschung und Entwicklung
Hirschvogel Umformtechnik GmbH
2
Stand: Mai 2010
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
Stand: Mai 2010
Übersicht „Umformung“
Overview „Forming“
Umformung
Forming
Massivumformung
Forging
Kaltumformung
Cold Forging
Halbwarmumformung
Warm Forging
Warmumformung
Hot Forging
Kombinationsverfahren
Combinations of Hot/Warm
with Cold Forging
Quelle (Blechteile) Source (Sheet metal parts): Pockauer Werkzeugbau
4
Stand: Mai 2010
Blechumformung
Sheet Metal Forming
Massivumformverfahren
20°C
Kaltumformung
Cold Forging
Quelle Source: Hirschvogel
5
Stand: Mai 2010
Forging Processes
720°C - 950°C
Halbwarmumformung
Warm Forging
1200°C
Warmumformung
Hot Forging
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
Stand: Mai 2010
Belastungsanalyse Schwenklager
Stress analysis
Umformsimulation
Simulation of forming- and
forging processes
Anwendungsgebiet FEM
Vorstufe Schwenklager
Halbwarmumformung:
Warm Forging:
Temperatur / C°
Kaltumformung:
Cold Forging:
Kontakt / mm
Temperatur / C°
Warmumformung:
Hot Forging:
field of application of FEA
Einziehen Gleichlaufgelenk
Fertigpressen Tripode
> 500 Umformprozesse
(meist mehrstufige Auslegungen - unterschiedliche Varianten)
7
Stand: Mai 2010
Grundlagen der FEM
Warum FEM-Simulation ?
• Verkürzung der
Prozessentwicklungszeiten
• Frühzeitige Erkennung von
Problemberecheichen
Basics of FEA
Why FEA-simulation ?
• Reduction of process development
times
• Premature detection of problem area
• Prevention of failure
• Vermeidung von Fehlern
• Reducing of initial weight
• Reduzierung des Einsatzgewichtes
• Improvement of process
• Besseres Prozessverständnis
understanding
• Ausbildung der Konstrukteure
• Training of mechanical designers
• Versuche und Machbarkeitsstudien
• Experimentation and reducibility
8
Stand: Mai 2010
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…
9
Stand: Mai 2010
Simulationssoftware → FORGE
Software for simulation → FORGE
…genaue Simulationsergebnisse
…precise results of simulation
FEM prinzipieller Ablauf
Beispiel Gesenkschmieden:
Example Hot Forging process:
Principal of FEA action
1.
1. Konstruktion CAD-Modell
Desing of CAD-model
2.
4. Auswertung der Ergebnisse
Post-Processing
10
Stand: Mai 2010
Gesenk oben
upper die
Rohling
billet
Gesenk unten
lower die
FEM - Pre-Processor
vernetzter Rohling
2. Erstellung der Berechnungsdatei
Pre-Processing
3. Berechnungslauf
Solving (computation)
CAD - Geometrien
meshed billet
3.
FEM - Solver
4.
FEM - Post-Processor
FEM
Ergebnisdarstellung
visualisation of results
FEM - Cluster
FEA - Cluster
Berechnungscluster für Umformprozesssimulationen:
Hardware for simulation of forgingprocesses:
HEG 9-Core Windows
11
Stand: Mai 2010
HEG 20-Core Windows
HUG 32-Core Windows
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
Kräfte
forces
with Cold Forging
Werkzeugberechnung
tool computation
12
Stand: Mai 2010
Übersicht Warmumformung Overview Hot Forging
Umformung
Forming
Massivumformung
Forging
Kaltumformung
Cold Forging
meist 2D Simulation
Stofffluss
material flow
Halbwarmumformung
Warm Forging
Warmumformung
Hot Forging
meist 3D Simulation
Kräfte
forces
with Cold Forging
Werkzeugberechnung
tool computation
13
Stand: Mai 2010
Warmumformung
Manuelles
Warmschmieden
Automatisiertes
Warmschmieden
14
Stand: Mai 2010
Materialfluss
Formfüllung
15
Stand: Mai 2010
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
Stand: Mai 2010
Kontakt-Skalar 3D
Unterfüllung am Teil
17
Stand: Mai 2010
Kontakt-Skalar 3D
Kontakt /mm (Abstand: Werkstück – Werkzeug)
0.30
0.27
0.24
0.21
0.18
0.15
0.12
0.09
0.06
0.03
0
18
Stand: Mai 2010
kein Kontakt
Normalspannung-Skalar 2D
σN /MPa
0
-100
keine Kontaktspannungen
-200
-300
-400
-500
-600
-700
-800
-900
-1000
19
Stand: Mai 2010
keine Formfüllung
Materialfluss
Faltenerkennung
20
Stand: Mai 2010
Geschwindigkeits-Vektor 3D
Falte
21
Stand: Mai 2010
Geschwindigkeits-Vektor 3D
Kontakt /mm (Abstand: Werkstück – Werkzeug)
0.30
0.27
0.24
Vektoren laufen
aufeinander zu
0.21
0.18
0.15
0.12
0.09
0.06
0.03
0
22
Stand: Mai 2010
Falte
Luft- oder Schmierstoffeinschluss
σN / MPa
500
250
0
23
Stand: Mai 2010
!
Unterfüllung
Materialfluss
Objektverfolgung
24
Stand: Mai 2010
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
25
Stand: Mai 2010
Riss 2mm tief !
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
Stand: Mai 2010
Objektverfolgung
particle trace
FEM: MnS-Seigerungszeilen in der Warmumformung
FEA Analysis: MnS-segregation in hot forging process
27
Stand: Mai 2010
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
Stand: Mai 2010
Übersicht Halbwarm
Overview warm forging
Umformung
Forming
Massivumformung
Forging
Kaltumformung
Cold Forging
meist 2D Simulation
Stofffluss
material flow
Halbwarmumformung
Warm Forging
Warmumformung
Hot Forging
meist 3D Simulation
Kräfte
forces
with Cold Forging
Werkzeugberechnung
tool computation
29
Stand: Mai 2010
Kombinations-Umformbauteil Tripode:
Fertigung
Tripodenfertigung
30
Stand: Mai 2010
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
Stempel
0,9
(Punktdarstellung)
0,8
0,7
0,6
0,5
Stamp
(only points visible)
Umformstadie
workpiece
0,4
0,3
0,2
0,1
0
31
Stand: Mai 2010
Matrize
Die plate
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
Stand: Mai 2010
3D Simulation 30°Schnitt: Objektverfolgung
3D simulation 30°cut: particle trace
Scherkante oben (nach dem Setzen)
upper shearing edge (after upsetting)
33
Stand: Mai 2010
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
Stand: Mai 2010
Übersicht Kaltumformung
Overview cold forging
Umformung
Forming
Massivumformung
Forging
Kaltumformung
Cold Forging
meist 2D Simulation
Stofffluss
material flow
Halbwarmumformung
Warm Forging
Warmumformung
Hot Forging
meist 3D Simulation
Kräfte
forces
with Cold Forging
Werkzeugberechnung
tool computation
35
Stand: Mai 2010
Kaltumformung
Kaltumformung
36
Stand: Mai 2010
Stofffluss Kaltumformung
material flow cold forging
Stofffluss Kaltumformung 1. Stufe mit Umformgrad
Material flow of Cold Forging 1. stage with EQ-Strain
37
Stand: Mai 2010
Animation
38
Stand: Mai 2010
Animation
Getriebewelle
Gear shaft
39
Stand: Mai 2010
Animation
Kundenanfragen: erreichbare Napftiefe?
Customer enquiry: measurement depth of cup?
1. Auslegung 3. Stufe, 2D-Simulation, Faltenbildung
40
Stand: Mai 2010
x
Kundenanfragen: erreichbare Napftiefe?
Customer enquiry: measurement depth of cup?
x
2. Auslegung 3. Stufe, 2D-Simulation, geringer Napftiefe, Faltenbildung
41
Stand: Mai 2010
Materialfluss
Faserverlauf
42
Stand: Mai 2010
Faserverlauf im Bauteil
Stehende Schmiedung
Vertical forging
43
Stand: Mai 2010
Animation
fibre flow at wockpiece
Liegende Schmiedung
Horizontal forging
Animation
Faserverlauf (Risse) 2D
senkrecht austretende,
(bei Zerspanung
angeschnittene) Fasern
Berücksichtigung
der Zerspankontur!
Rissgefahr
Pittingfestigkeit!
44
Stand: Mai 2010
Faserverlauf im Bauteil
Typischer Faserverlauf nach
Flanschstauchen
Typical grain flow fibers after flange
upsetting
fibre flow at wockpiece
Realteil aus Umformung
Real workpiece from forming
Damage of material because of cutting fibers
senkrecht austretende, angeschnittene Fasern
Bauteilbruch während des
thermischen Entgratens
45
Stand: Mai 2010
Kontur nach Zerspanung
Contour after milling
Übersicht Kombination
Overview Combinations
Umformung
Forming
Massivumformung
Forging
Kaltumformung
Cold Forging
meist 2D Simulation
Stofffluss
material flow
Halbwarmumformung
Warm Forging
Warmumformung
Hot Forging
meist 3D Simulation
Kräfte
forces
with Cold Forging
Werkzeugberechnung
tool computation
46
Stand: Mai 2010
Verzahnungspressen
Material flow of Cold Forging
Lamellenträger
Disc carrier
47
Stand: Mai 2010
forming of splines
Animation
Verzahnungspressen
forming of splines
Material flow of Cold Forging
ϕV / -7.00
5.25
3.50
1.75
0
48
Stand: Mai 2010
Stadienplan modifiziert
Werkzeugversagen
Werkzeugversagen
49
Stand: Mai 2010
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
Stand: Mai 2010
Werkzeugbelastung
coupled tool computation
2D gekoppelte Werkzeugbelastung → Tangentialspannungen
2D coupled tool computation → tangential stresses
σT / MPa
1050
900
750
upper die
billet
die ring
600
lower die
450
300
150
0
51
Stand: Mai 2010
Zugspannungen
(σT > 0)
Vertikaler
Matrizenbruch
durch hohe
Zugspannungen
Werkzeugbelastung
coupled tool computation
2D gekoppelte Werkzeugbelastung → Tangentialspannungen
2D coupled tool computation → tangential stresses
σT / MPa
1050
900
750
600
450
300
150
0
52
Stand: Mai 2010
Zugspannungen
(σT > 0)
Zuspannungen im
Werkzeugverband
um 30% gesenkt.
Werkzeugbelastung
uncoupled tool computation
3D entkoppelte Werkzeugbelastung → 1. Hauptspannung (Zugbelastung)
3D uncoupled tool computation → 1st Principal Stress (tension)
σ1 / MPa
1500 Kritischer Bereich (elastisches Werkzeug FEM)
Critical area (elastic tool FEA)
750
0
53
Stand: Mai 2010
Riss am realen Werkzeug
Crack on work piece
Elastisch-Plastisches Werkzeugverhalten 3D
Werkzeugbruch
(Ermüdung)
54
Stand: Mai 2010
Elastisch-Plastisches Werkzeugverhalten 3D
ϕV / 0.02
0.018
0.016
0.014
0.012
0.010
0.008
0.006
0.004
0.002
0
55
Stand: Mai 2010
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
Stand: Mai 2010
Berechnete Verschleißbereiche am Gesenk
Verschleiß 3D
T /°C
Verschleißwerte noch nicht
absolut quantifizierbar
Hohe WZ-Temperatur
400
370
340
310
280
250
220
190
160
130
100
57
Stand: Mai 2010
Verschleiß
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
Stand: Mai 2010
Reale Rohlingsgeometrie
Gesenkschmieden
1. Stufe (setzen)
1. Stage (upsetting)
59
Stand: Mai 2010
real geometry of billet
Die-Forging
2. Stufe (Vorstufe)
2. Stage (pre-stage)
Ausblick
60
Stand: Mai 2010
Gekoppelte Simulation
coupled simulation
3D Prozess und Maschine gekoppelt
3D prozess and machine coupled
Simulation Presse
61
Stand: Mai 2010
Verlagerungsinformation
Kraftinformation
Verlagerungsinformation
Kraftinformation
Übergeordnete Steuerungsumgebung (Matlab/Simulink)
Simulation Massivumformung
Quelle: WZL/RWTH Aachen
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
Stand: Mai 2010
Abschrecksimulation
Quenching
Martensit
Austenit
1,0
1,0
0,9
0,9
0,8
0,8
0,7
0,7
0,6
0,6
0,5
0,5
0,4
0,4
0,3
0,3
0,2
0,2
0,1
0,1
0
0
63
Stand: Mai 2010
Implementierung eines ZTU in FEM
Implementation of TTT in FEA
Abschrecksimulation
Quenching
σ1 / MPa
500
Skalierungsfaktor 10
Scaling factor 10
400
300
200
100
0
64
Stand: Mai 2010
Implementierung eines ZTU in FEM
Implementation of TTT in FEA
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
Stand: Mai 2010
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
Stand: Mai 2010
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !
Thank you for your attention !
67
Stand: Mai 2010

Cold Forging

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