Materialbeschreibung, Prüf- und … · ϕε= ln ( t + 1) ϕ= ... “Wahrer” n = 0,202 Fehler 3%...

Materialbeschreibung,Prüf- und BerechnungsmethodenPrüf- und Berechnungsmethoden

Dr.-Ing. R. Steinheimer

Lehrstuhl für Fertigungstechnikund WerkzeugmaschinenUniv.-Prof. Dr.-Ing. Bernd Engel

R. S. 1Industrieverband Blechumformung e. V. (IBU) 2. Dezember 2008

Inhalte

G• Grundlagen einachsiger Zugversuch

• Fließkurvenbeschreibungen• Fließkurvenbeschreibungen

• Einfluss der Probengeometrieg

• thermische Einflüsse (Energiedissipation)

• Grenzformänderungsschaubild

• Reibung und Reibwertermittlung (Dr.-Ing .Filzek)



FE-Simulation

GeometriedatenProzessverlaufProzessverlaufReibwert

WerkstoffdatenGrenzformänderungskurveg

Fliesskurve

G fGgf. Anisotropiekennwerte



Experimentelle Ermittlung(Fliesskurven)

Blechwerkstoffe:

( )

Hydraulische Tiefung(Hasek V )(Hasek, V.)

Ei h i Z hEinachsiger ZugversuchDIN 50114 (ohne Feindehnmessung)DIN 50125 (Zugprobengeometrie)

k = f ( +1)P2

rs

ϕv = ln ( )ss0( gp g )

EN ISO 527-3 (Plastics, Determination oftensile properties.....)

EN 10002-1 (2001)DIN 50154 (für Aluminiumfolien)DIN 50154 (für Aluminiumfolien)Stahl-Eisen-Prüfblatt 1125 (n-Wert)Stahl-Eisen-Prüfblatt 1126 (r-Wert)



Prüfmaschine - Sensoren

KraftmessungKraftmessung

optische

Klemmbacken

pDehnungsmessung

Traversenge-Feindehnungs-Messung an Probe

Klemmbackenhydraulisch/mechanisch

gschwindigkeitkonstant

g

St d

P üf hi Z 250 Z i k/R ll AG

Steuerung undMessdatenerfassungmittels PC



Prüfmaschine Z 250 Zwick/Roell AG

Zugversuch - Verlauf



Zugversuch - Modellierung

Anforderungen an Werkstoffbeschreibung

1. Kurve in Stützpunkten beschreiben

Elastizitätsgrenze (Rp0,2, ReH, ...)

Spannung bei Maximalkraft (R )Spannung bei Maximalkraft (Rm)

2. Steigung bei Maximalkraftg g

(wichtig für Extrapolation)

3. Weitgehende Unabhängigkeit vonVersuchsbedingungen



Versuchsbedingungen

Zugversuch - Steigung

Volumenkonstanzl

F

A = A0l0l = A0 e-ϕ

Fließspannung

k = fFA = eϕ

AF

A A0

KraftmaximumdF = 0 = edϕ A0

dk fdϕ

-ϕ+ k f A0 (-1) e-ϕ

dk fdϕ = k f InstabilitätskriteriumF



Zugversuch – Fliesskriterium GEHGestaltänderungsEnergieHypothese

(GEH - von Mises)

ϕ ϕ ϕ ϕv 1 = ( + + )2 22 3

223

Volumenkonstanz isotroper WerkstoffVolumenkonstanz, isotroper Werkstoffϕ ϕ ϕ ϕ1 l = ; = 2 3 l = - ϕ1

2ϕ ϕv l=ϕ ϕv l

Fließspannung

k = ( - ) + + f 1 2 σ[ ]2σ σ σ σ σ( - ) ( - )2 3 3 12 2

2Einachsiger Spannungszustand

σ σ σ σ1 l = ; = 2 3 = 0

k =f lσ

g p g



k f lσ

Zugversuch – Fliesskriterium SH

SchubspannungsHypothese(SH - Tresca)

ϕ ϕ ϕ ϕv 1 = ; ; 2 3 max.

Volumenkonstanz, isotroper Werkstoff, pϕ ϕ ϕ ϕ1 l = ; = 2 3 l = - ϕ1

2ϕ ϕv l= ϕ ϕv l

Fließspannungk = 2 = ( - )f max minτ σmax σ

Einachsiger Spannungszustand

Mohr´scher Spannungskreis

σ σ σ σ1 l = ; = 2 3 = 0

k = f lϕ

Einachsiger Spannungszustand

σl



l

Potenzansätze – Ludwik-Gleichung

Ludwik-Gleichung

k n

Instabilitätskriterium

k = a f ϕv

dϕv

dkf = a n = a ϕvn-1 ϕv

n

ϕv

n = ϕv

Fließk r en ert bei εFließkurvenwert bei glε

k = a nfn n = R em

a = Rmen

nn



n

Potenzansätze – Swift / Krupkowski

Swift / Krupkowski

k = b (c + ϕ )dk = b (c + f ϕv)

Instabilitätskriterium

b (c+n) = b d (c+n)d d-1

d = (c+n)d = (c+n)

Fließkurvenwert bei und R

glεund Rp0,2

c = Rp0,2

R enn

Rm e

b = Rmen

dd



d

Automatisierte Auswertung



Potenzansätze – Vergleich

Fließkurven 1.4301

1800

1400

1600

1800

800

1000

1200

[N/m

m²]

Messdaten

S ift

200

400

600k f [ Swift

Ludwik

Gosh

0

200

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

[ ]

Gosh: k = b (c + f ϕv)d-e

ϕ [-]



Einfluss UmformgeschwindigkeitWerkstoff 1.4301 (X 5 CrNi 18 10)

Werkstoffmodell ist unvollständig –Geschwindigkeitsabhängigkeit ist nicht modelliert



Umformgeschwindigkeit

ε = const. = dll0

ϕ ε= ln ( t + 1)

ϕ =

k = a ϕ n ϕ mkinematische Verfestigung

Versuchsbedingungen: Dehnrate ca. 0,1 mm/sAnfangsmesslänge 50 mm

Berechnete Umformgeschwindigkeit ca. 0,0033 1/s (ε = 0)

k = a f ϕv ϕv



Einschnürung

Begründung:

Marciniak, Z. (1967)Anfangsinhomogenitäten (Werkstoff oder Geometrie)

Liebig, H.P. (1985)Geometrie-Geometrieabweichungder Probe

Resultat:DehnungsverteilungDehnungsverteilung



Flächeninhomogenität

k = a f ϕvnWerkstoffmodell

Flä h l f A = A (l) e-ϕFlächenverlauf A = A0(l) e ϕ

F = a ϕv(l)n A0(l) e- (l)ϕv

Kraftgleichgewicht an der ProbedF = 0 =dl

A0

A+ ( -1) ϕv

nϕdl A0ϕv

Differentialgleichung ist separierbar und integrierbar,Integrationskonstante:Integrationskonstante:Randbedingung: größter Umformgrad tritt am Ort kleinster Anfangswanddicke A auf.

ϕv,max

o,min

ϕvn

e-ϕv =A0,min

A (l)0ϕv,max

ne-ϕv,max




ϕvn

e-ϕv =A0,min

A (l)0ϕv,max

ne-ϕv,max




ϕmax = nKraftmaximum:




Zugprobe

S h itt tWanddickenmessung

Schrittmotor

Linearführungen

Messzange

Wegtaster (induktiv)

Messverstärker

1,385

1,390

m]

mm

]

1,375

1,380

wal

lthic

knes

s [m

m

15 µm

chdi

cke

[m

Abweichung ≈ 1,1%

1,365

1,370

0 10 20 30 40 50initial gauge length [mm]

wB

lec



initial gauge length [mm]Anfangsmesslänge [mm]


Experimenteller Befund:Berechnete Dehnungsverteilung:

Wanddickenverteilung derAnfangsmesslänge führt zuD h t il b i

g g

Dehnungsverteilung beiZugkraftmaximum

Anfangsposition x [mm]

Die gemessene Dehnung beim Kraftmaximum ist zu gering =>Kraftmaximum ist zu gering => Der Verfestigungskoeffizient ist zu korrigieren,Korrektur kann iterativ erfolgen



g


Probe0,0

0,5“ideale” Geometrie

A ProbeGeometrie A

-1,0

-0,5

ΗA0

[%]

Δ

A

B

C

D

l 30 3

-2,0

-1,5

0 5 10 15 20 25[ ]

halbe Anfangsmesslänge

D

l =30,3 mmFmax

ProbeG t i D

x [mm] Probenmitte

0,2

0,22“Ideale” Geometrie

0,202ϕm

Geometrie D

0,16

0,18

Η[-]

ϕ

ABCD

0,1830,1740,1670,162

l =29,5 mmFmax

0,12

0,14

0 5 10 15 20 25Anfangslänge x [mm]



Anfangslänge x [mm]Probenmitte


W lität h “ V f ti tWege zum „realitätsnahen“ Verfestigungsexponenten:

• „fehlerfreie“ Probengeometrie

• Abbruch beim Kraftmaximum und vermessen der maximalen Dehnung

• Plastomechanische Korrektur:

Trimmen des Verfestigungsexponenten n der Plastomechanik derart, dass die gemessene Dehnung der berechneten mittleren Dehnung ϕDehnung der berechneten mittleren Dehnung ϕmentspricht




0 21

Beispiel Geometrie B

0 19

0,2

0,21

F hl 15%n + = 0,197 = n0 1Δ

“Wahrer” n = 0,202Fehler 3%

0,17

0,18

0,19

Gemessenes n = 0,1720

Fehler 15%

-]

0,15

0,16

,

Berechnetes = 0,147ϕ 0

Δ = 0,025ϕ [-

0,13

0,14Berechnetes 0,147ϕm0

Calculated (l)ϕ

0,120 5 10 15 20 25

initial Position x [mm]Anfangsposition x



[ ]g p


Kontrolle Iteration 10 21

0,2

0,21

n = 0,1971

“Wahrer” n = 0,202 n = n + = 0,19832 1 Δ

0,18

0,191

[-]

0 16

0,17Gemessenes n = 0,1720

Berechnetes = 0,1707ϕm1

ϕ [

Δ = 0,0013

0,15

0,16

Calculated (l)ϕ

0,140 5 10 15 20 25

initial Position x [mm]Anfangsposition x



Temperaturinhomogenität



Grenzformänderungsschaubild



Experimentelle Ermittlung

Nakazimatest

Proben-geometriengeometrien

Messraster-aufbringungaufbringung

optischeDehnungs-messung



Beispiele Dehnungsanalyse



Zusammenfassung

Werkstoffkennwerte bilden eine Basis für FE-Simulationen.

Die Fliesskurvenermittlung erfolgt meist mit einachsigenZugversuchen an Flachproben.g p

Potenzansätze können zur Modellierung und Extrapolationmit einfachen Kalkulationsgleichungen genutzt werden.

Probeninhomogenitäten verursachen eine DehnungsProbeninhomogenitäten verursachen eine Dehnungs-verteilung beim Zugversuch, die bei bekanntem Flächen-verlauf korrigiert werden könneng

Weitere Inhomogenitäten entstehen durch dissipierte Energie



Prüflabor:c/o PtU, TU DarmstadtPetersenstraße 30

Unternehmenssitz:FILZEK TRIBOtechIndustriering 7 Petersenstraße 30

64289 DarmstadtTel.: 06151 / 16 – 4057Fax: 06151 / 16 – 3021

Industriering 763868 GroßwallstadtTel.: 06022 / 26 – 2160Fax: 06022 / 26 – 2161Fax: 06022 / 26 2161URL: www.tribotech.deMail: [email protected]

Kassel

A5

FrankfurtA3

A45

Main

Köln

Aschaffenburg

A67

B26 B469

A3

Würzburg

A5

GroßwallstadtDarmstadt

A5A67

Karlsruhe

Würzburg

Dr Ing Jan FilzekLehrstuhl für Fertigungstechnikund WerkzeugmaschinenUniv.-Prof. Dr.-Ing. Bernd Engel


Dr.-Ing. Jan Filzek

Kurzvorstellung

Innen-hochdruck-umformung

Schneiden /Stanzen

Blech-umformung

Massiv-umformung

TribologischesTribologischesDienstleistungszentrum

TRIBOtest TRIBOdata TRIBOconsult



Elemente des tribologischen Systems

BelastungBelastung

Blech

Gegenkörper

ZwischenstoffSchmierstoff

Grundkörper Werkzeug

Umgebungsmedium



Tribologische Grundlagen

Reibung:

g g

Widerstand zwischen zwei aufeinander abgleitenden Oberflächen

Reibkraft FR:Reibkraft FR:

Aufzubringende Kraft, um die Gleitbewegung zwischen zweier aufeinander abgleitenden Flächen aufrechtzuerhalteng

Coulomb´sches ReibgesetzNF

NR FF ⋅= μRF



Tribologische Grundlagen

R ib tä d

g g

Reibzustände

Blechumformung



Tribologische Einflussgrößeng g

B l e c h m

v e r f

a h r e nmechanisch

geometrisalspannung

ßerungdigkeit m a t e r i a lU m

f o r

m v che Kenngröße

rische Kenngröß

Werkstoff

OberflächenfeingeKont

aktn

ormals

Tem

peratur

rfläc

henv

ergrößerung

Gle

itges

ch

windig

mecge

lUenßen

est alt

K TO

berfG

W e r k

echanische Kenng ö

Werkstoff

eometrische Ke r s

t o

f f

Visko

sität

Scherfe

stigk

eit

rbestä

ndig

keit

kbeständ

igkei

tk z e u g

ngrößenKenngrößen

S c h m i e rS

TemperaturbDruckb



Tribologische EinflussgrößenEinflussgrößen der SchmierungSchmierstoffviskosität /Scherfestigkeit

g g

Schmierstoffviskosität /ScherfestigkeitAdditivierungSchmierstoffmengeD k d T t b tä di k it

Schmierstoffe für die Blechumformung

Druck- und Temperaturbeständigkeit

Schmierstoffe für die Blechumformung

verdunstende Öle ca. 2 mm²/s bei 20 °C G db öl Ti f i hbl h bi 60 ²/ b i 40 °C

(kinematische Viskosität)

Grundbeölung von Tiefziehblechen bis 60 mm²/s bei 40 °C Hochviskose Ziehöle bis 500 mm²/s bei 40 °C Tiefziehpasten bzw. -fetteTiefziehpasten bzw. fette Umformfolien Zieh- und Gleitlacke



Tribologische EinflussgrößenTechnologische Einflussgrößen

g g

Größe / Verteilung der KontaktnormalspannungGleitgeschwindigkeit / GleitwegBeanspruchungsdauerBeanspruchungsdauerOberflächentemperatur

Die technologischen Verhältnisse bei der Blechumformung

sind gekennzeichnet durch:

geringe Relativgeschwindigkeiten

niedrige Flächenpressungen g p g

große Kontaktflächen zwischen Werkzeug und Werkstück



Ziele - ProzessbeeinflussungVerfahrensgrenzen: Die Verfahrensgrenze beim Tiefziehen wird durch den maximal erreichbaren Umformgrad eines in einem einstufigen Prozess tiefgezogenen Werkstücks definiert Die Verfahrensgrenzen des Tiefziehens mit Niederhalter werden zum einen durch

g

definiert. Die Verfahrensgrenzen des Tiefziehens mit Niederhalter werden zum einen durch beginnende Faltenbildung im Flanschbereich bei großen Ziehverhältnissen und zum anderen durch Bodenreißer gebildet.

Tribologischer Einfluss:

aft F

N

Reißer dSt

d0

FFVerfahrensgrenzen hängen von der Höhe der zwischen Werkzeug und Blech auftretenden Reibkräfte ab. Arbeitsbereich

halte

rkra Reißer St FNFN

Zur Erweiterung wirkt sich ein geringer Reibwert im Blechhalterbereich positiv aus N

iede

rhFalten β

Ziehverhältnis =d /dβ o Sto

βo,max



Ziele - ProzessbeeinflussungBeispiel: Tribologischer Einfluss auf die Verfahrensgrenzen

g

80

100Test: NapfziehtestStempel-Durchmesser: 300 mmBlech: St 14 Galvanizedm

]

RotationssymmetrischerNapf:

0 mm 60

80 Werkzeug: GGG 60Schmierstoffmenge: 3 g/m²

tiefe

[mm

300 m

40

s s /s /ssmal

e Zi

eht

20

=53

mm

²/s

=83

mm

²/s

=120

mm

²/

=420

mm

²/

=36

mm

²/s

max

im

0Lub A Lub B Lub C Lub D Lub E

ν ν ν ν=ν

Schmierstoff



Schmierstoff

LaborprüfmethodenVarianten des Streifenziehversuchs

p



LaborprüfmethodenEtablierte Reibprüfanlage (spezifiziert nach VDA-Richtlinien 230/201 und 230/202)

p



LaborprüfmethodenReibzahldiagramm und Kriterien

p

0,08

0,1

,mNσμ

0,06

0,08

ahl µ

[-] 1. mittlere

Reibungszahl

2 i l

0,04 μΔ Vibun

gsza 2. maximal

erreichbareKontaktnor-malspannung

0,0225 mm/s

100 mm/s400 mm/s

Rei malspannung

3. Änderung derReibungszahl

00 2 4 6 8 10 12

Kontaktnormalspannung [N/mm²]

400 mm/s Reibungszahl



Kontaktnormalspannung [N/mm²]

LaborprüfmethodenUntersuchungsbeispiel: Vergleich des Reibverhaltens von Schmierstoffen

p

0,14

0,16

Lub ALub B

= Max. Attainable Contact Stress

0,1

0,12

tion

µ[-]

Lub CLub DLub E

0,06

0,08

cien

tof

rict

F

0 02

0,04

0,06

Coe

ffic

Test: Flat Strip-Drawing TestContact Area: 144x74 mm²Sheet Material: Steel Galvanized ZNTool Material: GGG 60

0

0,02

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Tool Material: GGG 60Lubricant Amount: 2 g/m²Sliding Velocity: 50 mm/s



Contact Normal Stress [N/mm²]

TRIBOatlas: Reibverhalten Blechumformung

Standardisierte Reibprüfmethode, Datensammlung und Datenbank



TRIBOatlas: Reibverhalten Blechumformung

Datenbank: Reibkennfelder und Systemvergleich online



D kDankefür Ihrefür Ihre

AufmerksamkeitAufmerksamkeit

Rainer Steinheimer



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