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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.
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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
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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
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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
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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
Entwicklung eines Benutzerprogramms zur Visualisierung von Reibwerten in Abaqus
Berücksichtigung blechspezifischer Diskretisierungstechniken
Außenfläche
Wechselwirkung z.B.
mit Werkzeug 1
Wechselwirkung z.B.
mit Werkzeug 2
Innenfläche
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Entwicklung eines Benutzerprogramms zur Visualisierung von Reibwerten in Abaqus
Demonstration der Reibwertvisualisierung
Video: FE-Modell des Streifenziehversuchs mit konstanten Reibbedingungen
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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
Entwicklung eines Benutzerprogramms zur Visualisierung von Reibwerten in Abaqus
Implementierung von vier Visualisierungsvarianten
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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
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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
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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
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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
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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.
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Analyse der Reibwertentwicklung
Weitere Forschungsaktivitäten am WZL bzgl. maschinellem Oberflächenhämmern
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.
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Weitere Forschungsaktivitäten am WZL bzgl. maschinellem Oberflächenhämmern
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.
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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/2013, S. 1-8.
Seite 18 © WZL/Fraunhofer IPT
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
Dipl.-Ing. Dipl.-Wirt.Ing. Daniel Trauth
Gruppenleiter Umformende Fertigungsverfahren
Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen
( +49 241/ 80 27999
3. W O R K S H O P 2014
MACHINEHAMMERPEENING
28.11.
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Backup
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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)
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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
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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
Seite 23 © WZL/Fraunhofer IPT
Weitere Forschungsaktivitäten am WZL bzgl. maschinellem Oberflächenhämmern
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
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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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