Kloppenborg Analysemethoden für das Verbundstrangpressen · 2014-09-22 · Wktff EN AW 6063...

Institut für Umformtechnikund LeichtbauProf. Dr.-Ing. Matthias KleinerProf. Dr.-Ing. A. Erman Tekkaya

Analysemethoden für das Verbundstrangpressen unter Anwendung von HyperXtrudeunter Anwendung von HyperXtrude

Kloppenborg, T.; Schwane, M.; Ben Khalifa, N.; Tekkaya, A. Erman8. März 2013

Gliederung

Motivation

Zielsetzung

Numerische Abbildung des Werkstoffflusses

Entwicklung allgemeingültiger Analysemethoden

Zusammenfassung

2 I 31Motivation Zielsetzung Werkstofffluss Analysemethoden Zusammenfassung

Motivation

Klimaschutz durch Reduzierung der CO2-EmissionVerringerung des Fahrzeuggewichtes durch Einsatz von AluminiumFestigkeitssteigerung durch Entwicklung neuer LegierungenSteifigkeitssteigerung durch komplexere Profilquerschnitte

2 Kammern3 Kammern

8 Kammern8 Kammern 11 Kammern

TT-RoadstarR8

2 Kammern


A2 (W10)A8 (D3)

GallardoSpyder Quelle: Audi AG

Eigenschaften von Verbundprofilen

Steifigkeitssteigerung bei gleichbleibendem ProfilquerschnittLeichtbaupotential durch belastungsangepasste Profilauslegung

Aluminiumprofil Verbundprofil25

GewichtBiegesteifigkeit EIx

20

15

25

g in

%

15

10

5Erh

öhun

g

50 m

m5

mm

Verstärkungselemente

5

000 2 4 6 8 10

Verstärkungsanteil in %50 mm

5

Verstärkungswerkstoff: Federstahl 1 4310Basiswerkstoff: EN AW-6060

g


Verstärkungswerkstoff: Federstahl 1.4310

Verfahrensprinzip Verbundstrangpressen


Stand der TechnikQualitätsmerkmale

Positionierung der Verstärkungselemente

Einbettung der Verstärkungselemente

Prozesssicherheit bei der Zuführung

v1

v1 v2

p vAl

vMises ,VE f ,VEkσ >≠

v2

LPNpvVEττ τ

ττ τAblenkung

2 vAl<vVE vAl=vVEVerstärkungs-element

Ausgelegter Profilquerschnitt Ausgelegter Profilquerschnitt Ausgelegter Profilquerschnitt

Abweichung der Position Unzureichende Einbettung Prozesstechnisches Versagen


Stand der TechnikQualitätsmerkmale

Positionierung der Verstärkungselemente


Prozesssicherheit bei der Zuführung

v1

v1 v2

vAl

vMises ,VE f ,VEkσ >

p

≠

v2

vVEττ τ

ττ τ

LPNp

Ablenkung2 vAl<vVE vAl=vVEVerstärkungs-

element

Identifikation und Analyse prozessbestimmender WirkmechanismenBetrachtung eines jeden entwickelten Werkzeugs erforderlichUnzureichende Erforschung allgemeingültiger Analysemethoden


Gliederung

Motivation

Zielsetzung



Zusammenfassung


Zielsetzung

Entwicklung von allgemeingültigen Analysemethoden– Position der Verstärkungselemente

– Prozesssicherheit bei der Zuführung der Verstärkungselemente

– Einbettung der Verstärkungselemente


Gliederung

Motivation

Zielsetzung



Zusammenfassung


Visioplastische Analyse

Visualisierung des Werkstoffflusses im Prozess

Validierung numerischer Berechnungen anhand von 2D-Modellen

Eingesetzt für einfache Prozesse und im Rezipienten

Keine Untersuchungen in komplexen Werkzeugen

Simulierte Fließlinien

Blockrest

Quelle: Valberg (2009)

Blockrest

Umformgrad0 1 2 3

Quelle: Güzel (2012)Quelle: Valberg (2009)

FE-Simulation


Visioplastische AnalyseEntwickeltes Werkzeugkonzeptg p

Profilquerschnitt

mm

EinlegeteilAbdeckplatte

40 m

10 mm

Zuführkassette

Matrize

Schale bestehend Brückeaus vier Segmenten Zuführdorn

E ö li ht H ä i d W k t ff MatrizenhalterErmöglicht Herauspräparieren des Werkstoffs

Keine nachträglichen Plastifizierung

Ei t i h fü i i l ti h A l


Eignet sich für visioplastische Analyse

Visioplastische Analyse Präparation des Werkstoffesp

Profil

Werkstoff aus dem Werkzeug

5 m

m15Bohrungen für

Kontrastwerkstoff

ffW k t ff


Presswerkstoff: EN AW-6063Kontrastwerkstoff: EN AW-4043A

Werkstoff ausdem Rezipienten

Visioplastische Analyse Ergebnis Werkstoffflussg

Haften entlang der Rezipienten- und Werkzeuginnenwände

Werkstoff schert entlang einer RandschichtStrangRezipientenbereich Werkzeugbereich

Werkstoff schert entlang einer Randschicht


20 mm

Prozessmodellierung

Lagrange-FormulierungSolver Deform3DSolver HyperXtrude

Euler-Formulierung

Elementanzahl: 50.000Elementanzahl: 192.000

Innenbüchse - Rezipient Innenbüchse - Rezipientp

Werkzeug

Innenbüchse Rezipient

Werkzeug

Stempelff

Block-werkstoff

W k t ff EN AW 6063 P h i di k it 1 /

Blockwerkstoffwerkstoff

Werkstoff EN AW-6063 Pressgeschwindigkeit 1 mm/sRezipiententemperatur 430 °C Reibung Rezipient HaftungWerkzeugtemperatur 450 °C Reibung Werkzeug HaftungBlocktemperatur 540 °C Reibung Führungsfläche 0 2 (Coulomb)

RZϑWZϑBlϑ


Blocktemperatur 540 C Reibung Führungsfläche 0,2 (Coulomb)WärmeübergangskoeffizientWerkstoff - Werkzeuge 3000 W/m²K

WärmeübergangskoeffizientWerkstoff - Umgebung 20 W/m²K

Blϑ

αWZ α Luft

Visioplastische Analyse Validierung des Simulationsergebnissesg g

Vergleich Fließlinien aus Experiment und HyperXtrude

Werkstofffluss wird mit ausreichender Genauigkeit abgebildetWerkstofffluss wird mit ausreichender Genauigkeit abgebildetRezipientenbereich Werkzeugbereich Strang


20 mm

Vergleich der SimulationsergebnisseLagrange- und Euler-Formulierungg g g

Lagrange-Formulierung Berechnete Fließlinien

Rechenzeit

ca 11 Std

ca. 7 Min.

ca. 11 Std.

Euler-Formulierung Initiallinien für die Berechnung

Entwicklung der Analysemethoden unter Anwendung von HyperXtrude


g y g yp

Gliederung

Motivation

Zielsetzung



Zusammenfassung


Position der VerstärkungselementeDirekte Methode

1. Direkte MethodeIdentifikation derIdentifikation der

Verstärkungselementposition

v1

v1 v2≠

v2

Geschwindigkeitin mm/s

0 15 30


Position der VerstärkungselementeIndirekte Methode

Ausgangsquerschnitt Partikelsimulation

2. Indirekte MethodeIdentifikation der

Finite-Element-ModellPartikelsimulationIdentifikation der

Längspressnahtlage

Simulierte Längspressnaht

v1

v1 v2≠

v2

Segmentierung Merkmalsextraktion


Position der VerstärkungselementeExperimentelle Untersuchung

Doppel-T-Profilquerschnitt mit 6 VerstärkungselementenBasiswerkstoff: EN AW-6060

p g

Basiswerkstoff: EN AW 6060Verstärkungselementwerkstoff: Federstahl 1.4310

AbdeckelementZuführelement

Matrize

Zuführdorn12,5 mm

Profilquerschnitt

Matrize

mm

7 mm

Einlauf E1 Einlauf E250 m

ZuführkassettenVerstärkungs-elemente


Position der VerstärkungselementeModellierung des Prozesses

Rezipient= 470°CRZ= 3000 W/m²KRZStempel

ϑ

ϑα

gSimulierterAusschnittp

= 540°CStWerkzeug

= 480°CWZ= 3000 W/m²KWZ

ϑα

ϑ

Symmetrieebene

Profiloberfläche= 20°CPr

= 20 W/m²KPr

Führungsflächeϑα

Werkstoff EN AW-6060 Knotenanzahl 176587Pressgeschwindigkeit 1,2 mm/s Blocktemperatur 540 °CAnalyseart quasistationär Reibung Rezipient Haftung


Analyseart quasistationär Reibung Rezipient HaftungElementanzahl (Tetraeder) 752285 Reibung Werkzeug HaftungElementanzahl (Pentaeder) 37800 Reibung Führungsfläche 0,2 (Coulomb)

Position der VerstärkungselementeValidierung der Methodeng

1. Direkte Methode 2. Indirekte Methode

VE 1 VE 2

Simulierte Längspressnahtlage

Reale Längspressnahtlage

Reale PositionZuführposition

Quelle: IAM3 mm Simulierte Position 3 mm

Quelle: IAM


Identifikation Längspressnahtlage als Merkmal für die Prozessauslegung


Aufteilen der Kontur in einzelne SegmenteEine Partikelbahn repräsentiert ein Segment der LängspressnahtEine Partikelbahn repräsentiert ein Segment der LängspressnahtPartikelverfolgung bis zum Beginn der VerschweißungAuswertung anhand bekannter Qualitätskriterieng

Rückwärtsablaufende Partikelverfolgung

v1

v1 v2

SegmentierungStart der

Partikelverfolgung

≠

v2

B i dBeginn derVerschweißung


Einbettung der VerstärkungselementeValidierungg

Qualitätskriterium nach AkeretAusreichende Qualität für a > 3

fLPN kap ⋅≥

Q ll Ak t (1995)Ausreichende Qualität für a > 3 Quelle: Akeret (1995)

Längspressnahti h id ifi i b

UngeschlosseneLä hnicht identifizierbar Längspressnaht

8

<Abbildung Unterfüllung

qual

ität a

5

7

6

<

pres

snah

tq

3

4

5

Quelle: IAMLäng

sp

0

1

2 Unzureichende Qualität nach Akeret (1995)


7 mm0-25 -20 -10 -5 0-15

x-Koordinate x

Prozesssichere ZuführungAnalytisches Modelly

l l=Annahmen

Verstärkungselemente werden nicht abgelenkt VZ SKl l=sind konstant, &ϑ ϕ

f

3kτ =

Verstärkungselemente werden nicht abgelenktZustände innerhalb der SchweißkammerSchubspannung entlang der Mantelfläche

l

3p g g

1Q n

⎡ ⎤⎛ ⎞⎢ ⎥

ττ τ

lSK R1VZ

VESinh

21 sinh3

Q nl e

r A

ϑϕσα

⋅−

⎛ ⎞⎢ ⎥⎛ ⎞⋅ ⋅⎜ ⎟⎢ ⎥= ⋅ ⋅⎜ ⎟ ⎜ ⎟⋅ ⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎜ ⎟⎝ ⎠⎢ ⎥⎣ ⎦

max,VE

&

ττ τ= max. Zugspannung im Verstärkungselement

= Länge der Verbundentstehungszonemax,VEσ

VZl

⎢ ⎥⎣ ⎦

VEr= Temperatur des Basiswerkstoffs

= Verstärkungselementradius

= Umformgeschwindigkeit

VZ

ϕ&

ϑ


Umformgeschwindigkeit

= werkstoffabhängige ParameterSinh , , ,A n Rα

ϕ

Prozesssichere ZuführungVerbesserte Analyse durch FEAy

Länge des Verbund-entstehungsbereichs

Zustandsgrößen imVerbundentstehungsbereich

v1v1

1 2v v=1 2v v≠1 2v v=

1

v

1

v

, &ϑ ϕ

v2v2SKlSKl

Ohne Ablenkung: SK VZl l=

SK VZl l≠Mit Ablenkung:= nicht konstant entlang , &ϑ ϕ SKl

Analysemethode auf Basis der Finite-Element-AnalyseBerücksichtigung der verlängerten VerbundentstehungslängeB ü k i hti d Z t d öß i V b d t t h b i h


Berücksichtigung der Zustandsgrößen im Verbundentstehungsbereich

Prozesssichere ZuführungGeschwindigkeitsverteilungg g

Basiswerkstoff hat lokal höhere Geschwindigkeit als der StrangGeschwindigkeitsunterschied führt zur SpannungsbelastungGeschwindigkeitsunterschied führt zur SpannungsbelastungBerechnung der Position des Versagens möglich

FührungsflächeSchweiß-kammerm

/s30

VE 1

eit v

zin

mm

15

20

25

Geschwindigkeit

VE 2

chw

indi

gke

5

10

15g

der Verstärkungs-elemente

τ τ

Ges

c 5

00 1284 16 20

Schweißkammerlänge l in mm

Versagen des VE


Schweißkammerlänge lSK in mm

Prozesssichere ZuführungErgebnis – analytisch und numerischg y

Temperaturunterschiede für verschiedene VerstärkungselementeVerlängerung der Verbundentstehungszone um bis zu 31 %g g g

500

gemittelte FließspannungBerücksichtigung der Ablenkung und der Zustandsgrößen

SK VZl l=, =konstant&ϑ ϕM

Pa

400

450

500 VE 1 VE 2

, konstantϑ ϕ

nung

σzz

in

250

300

350

Zugs

pann

150

200

250

Z

0

50

100

VE 1 & VE 2 VE 2 VE 1


VE 1 & VE 2Analytisch

VE 2Numerisch

VE 1Numerisch

Zusammenfassung

Werkstoff haftet am Werkzeug und schert in einer Randschicht

Werkstoff aus der Randschicht der Einläufe bildet die Längspressnaht

Variierende Längspressnahtqualität entlang der Kontur

Analytisches Modell zum Versagen der Verstärkungselemente

Umsetzung der Analysemethoden in eine eigene Software undUmsetzung der Analysemethoden in eine eigene Software undIntegration der Methoden in eine automatisierte Optimierung


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Dieser Vortrag basiert auf Forschungsarbeiten des Sonderforschungsbereichs SFB/TR10 g g gTeilprojekt B1 „Ganzheitliche Auslegung, Simulation und Optimierung von

Strangpresswerkzeugen“ und Teilprojekt A2 „Verbundstrangpressen“. Die Arbeiten werden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert wird.


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