Technik, die bewegt Technology in Motion - · PDF fileTechnik, die bewegt Technology in Motion © Hirschvogel Holding GmbH 2 Stand: Mai 2010 FEM in der ... Cold Forging Halbwarmumformung

© Hirschvogel Holding GmbH

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Stand: Mai 2010

Willkommen Welcome

Technik, die bewegtTechnology in Motion


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Stand: Mai 2010

FEM in der Massivumformung

Dr.-Ing. Stephan Weidel

Leiter Forschung und Entwicklung

Hirschvogel Umformtechnik GmbH


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Stand: Mai 2010

• Motivation für FEM im Unternehmen

• Anwendung FEM

• Warmumformung

• Halbwarmumformung

• Kaltumformung

• Werkzeugbelastung (Verschleiß, Brüche, Armierungen)

• Grenzen der FEM und Ausblick, aktuelle F&E-Themen

Inhalt


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Stand: Mai 2010

Übersicht „Umformung“ Overview „Forming“

BlechumformungSheet Metal Forming

KaltumformungCold Forging

HalbwarmumformungWarm Forging

WarmumformungHot Forging

KombinationsverfahrenCombinations of Hot/Warm

with Cold Forging

MassivumformungForging

UmformungForming

Quelle (Blechteile) Source (Sheet metal parts): Pockauer Werkzeugbau


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Stand: Mai 2010

Massivumformverfahren Forging Processes

1200°C720°C - 950°C20°CHalbwarmumformung Warmumformung

Quelle Source: Hirschvogel

Warm Forging Hot ForgingCold ForgingKaltumformung


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Stand: Mai 2010

Crashsimulation PKW

Belastungsanalyse Schwenklager

Stress analysis

Bewegungsablauf menschl. Finger

Kinetic simulation in medenticalengineering

Umformsimulation

Simulation of forming- and forging processes

Anwendungsgebiet FEM field of application of FEA

Umformsimulation ist nur ein Anwendungsgebiet der FEM

Simulation kompletter Fertigungsanlagen. Quelle: ABB

Simulation of manufacturing facilities. Source: ABB

Simulation of a forging process isonly one field of FEA application


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Stand: Mai 2010

Warmumformung:Hot Forging:

Kaltumformung:Cold Forging:

Halbwarmumformung:Warm Forging:

> 500 Umformprozesse(meist mehrstufige Auslegungen - unterschiedliche Varianten)

Vorstufe Schwenklager Einziehen Gleichlaufgelenk Fertigpressen Tripode

Tem

pera

tur

/ C°

Tem

pera

tur

/ C°

Kon

takt

/ m

m

Anwendungsgebiet FEM field of application of FEA


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Stand: Mai 2010

• Verkürzung der

Prozessentwicklungszeiten

• Frühzeitige Erkennung von

Problemberecheichen

• Vermeidung von Fehlern

• Reduzierung des Einsatzgewichtes

• Besseres Prozessverständnis

• Ausbildung der Konstrukteure

• Versuche und Machbarkeitsstudien

Grundlagen der FEM Basics of FEA

Warum FEM-Simulation ?

• Reduction of process development

times

• Premature detection of problem area

• Prevention of failure

• Reducing of initial weight

• Improvement of process

understanding

• Training of mechanical designers

• Experimentation and reducibility

Why FEA-simulation ?


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Stand: Mai 2010

Realteilreal workpiece

virtuelles Werkstückvirtual workpiece

Exzenterpresse, Warmumformung Eccentric press, Hot Forging

Simulationssoftware → FORGESoftware for simulation → FORGE

Nur genaue Randbedingungen (Werkstoffdaten, Reibung, Temperatur,…) und feine Vernetzung ergeben…Just precise boundary conditions (material

data, friction, temperature,…) and fine

mesh size to offer…

…genaue Simulationsergebnisse…precise results of simulation

Abgleich mit Realteil (Messungen)

Calibration with real work piece (measurement)

FEM prinzipieller Ablauf Principal of FEA action


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Stand: Mai 2010

2. Erstellung der Berechnungsdatei Pre-Processing

4. Auswertung der ErgebnissePost-Processing

1. Konstruktion CAD-ModellDesing of CAD-model

3. BerechnungslaufSolving (computation)

FEM prinzipieller Ablauf Principal of FEA action

Beispiel Gesenkschmieden:Example Hot Forging process:

Rohling billet

Gesenk oben upper die

Gesenk unten lower die

1. CAD - Geometrien

2.FEM - Pre-Processor

vernetzter Rohling

meshed billet

FEM3.FEM - Solver

4. FEM - Post-Processor

Ergebnisdarstellung

visualisation of results


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Stand: Mai 2010

FEM - Cluster FEA - Cluster

HEG 9-Core Windows HEG 20-Core Windows HUG 32-Core Windows

Berechnungscluster für Umformprozesssimulationen:Hardware for simulation of forgingprocesses:


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Stand: Mai 2010

Stoffflussmaterial flow

Übersicht FEM UmformprozesseOverview FEA forging processes


UmformungForming

meist 2D Simulationmostly 2D simulation

FEM-Anwendungen UmformsimulationFEA-application forming simulation




Eigenschaften Werkstückcaracteristics workpiece

2D und 3D Simulation2D and 3D simulation

Kräfteforces


Werkzeugberechnungtool computation


with Cold Forging



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Stand: Mai 2010


Übersicht Warmumformung Overview Hot Forging


UmformungForming





Kräfteforces







with Cold Forging



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Stand: Mai 2010

Warmumformung

Automatisiertes Warmschmieden

Manuelles Warmschmieden


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Stand: Mai 2010

FormfFormfüüllungllung

Materialfluss


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Stand: Mai 2010

Stofffluss Aluminium Warmumformung mit KontaktdarstellungMaterial flow of Warm Forging of aluminium with contact

SchwenklagerSterring knuckle

Animation

Stofffluss Warmumformung material flow hot forging

Kontakt / mm

0,0

2,0

4,0


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Stand: Mai 2010

Kontakt-Skalar 3D

Unterfüllung am Teil


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Stand: Mai 2010

Kontakt-Skalar 3D

kein Kontakt

Kontakt /mm (Abstand: Werkstück – Werkzeug)

0

0.30

0.15

0.27

0.24

0.21

0.18

0.12

0.09

0.06

0.03


19

Stand: Mai 2010

Normalspannung-Skalar 2D

keine Kontaktspannungen

keine Formfüllung

-1000

0

-500

-100

-200

-300

-400

-600

-700

-800

-900

σσσσN /MPa


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Stand: Mai 2010

FaltenerkennungFaltenerkennung

Materialfluss


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Stand: Mai 2010

Geschwindigkeits-Vektor 3D

Falte


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Stand: Mai 2010

Geschwindigkeits-Vektor 3D

Vektoren laufenaufeinander zu

0

0.30

0.15

0.27

0.24

0.21

0.18

0.12

0.09

0.06

0.03

Kontakt /mm (Abstand: Werkstück – Werkzeug)

Falte


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Stand: Mai 2010

Luft- oder Schmierstoffeinschluss

0

500

250

σσσσN / MPa

!

Unterfüllung


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Stand: Mai 2010

ObjektverfolgungObjektverfolgung

Materialfluss


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Stand: Mai 2010

Riss 2mm tief !Bohrungen

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?


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Stand: Mai 2010

Untersuchung mit FEM und REM: MnS-Seigerungszeilen im Vormaterial?FEA and REM Analysis: MnS-segregation in primary material?

Modellierung der Seigerungenzeilen im

Vormaterial



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Stand: Mai 2010


FEM: MnS-Seigerungszeilen in der WarmumformungFEA Analysis: MnS-segregation in hot forging process


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Stand: Mai 2010

auch für Scherkanteanwendbar

...Fasern (Seigerungen) kommen im Bereich des Risses zu liegen...


FEM: MnS-Seigerungszeilen in der WarmumformungFEA Analysis: MnS-segregation in hot forging process


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Stand: Mai 2010


Übersicht Halbwarm Overview warm forging


UmformungForming





Kräfteforces







with Cold Forging



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Stand: Mai 2010

Kombinations-Umformbauteil Tripode: Fertigung

Tripoden-fertigung


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Stand: Mai 2010

Kontakt / mm

0

0,6

1,0

0,8

0,7

0,5

0,3

0,2

0,1

0,4

0,9

Stempel(Punktdarstellung)

Stamp(only points visible)

Umformstadieworkpiece

MatrizeDie plate

Gleichlaufgelenk Halbwarmumformung mit KontaktdarstellungMaterial flow by Warm Forging with contact between tools and workpiece

Stofffluss Halbwarm material flow warm forming


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Stand: Mai 2010

3D Simulation 30°Schnitt: Objektverfolgung3D simulation 30°cut: particle trace

Scherkantenverfolgung trace of shearing edge

Scherkante oben (vor dem Setzen)upper shearing edge (before upsetting)


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Stand: Mai 2010

Scherkante oben (nach dem Setzen)upper shearing edge (after upsetting)

3D Simulation 30°Schnitt: Objektverfolgung3D simulation 30°cut: particle trace



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Stand: Mai 2010

3D Simulation 30°Schnitt: Vergleich FEM und Realteil3D simulation 30°cut: Comparison FEA and work piece


Scherkante oben (vor dem Setzen)upper shearing edge (before upsetting)


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Stand: Mai 2010


Übersicht Kaltumformung Overview cold forging


UmformungForming





Kräfteforces







with Cold Forging



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Stand: Mai 2010

Kaltumformung

Kalt-umformung


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Stand: Mai 2010

Stofffluss Kaltumformung 1. Stufe mit UmformgradMaterial flow of Cold Forging 1. stage with EQ-Strain

Animation

Stofffluss Kaltumformung material flow cold forging


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Stand: Mai 2010


Animation



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Stand: Mai 2010


GetriebewelleGear shaft

Animation



40

Stand: Mai 2010


Kundenanfragen: erreichbare Napftiefe?Customer enquiry: measurement depth of cup?

x

1. Auslegung 3. Stufe, 2D-Simulation, Faltenbildung


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Stand: Mai 2010


Kundenanfragen: erreichbare Napftiefe?Customer enquiry: measurement depth of cup?

x

2. Auslegung 3. Stufe, 2D-Simulation, geringer Napftiefe, Faltenbildung


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Stand: Mai 2010

FaserverlaufFaserverlauf

Materialfluss


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Stand: Mai 2010

Faserverlauf im Bauteil fibre flow at wockpiece

Stehende SchmiedungVertical forging

Liegende SchmiedungHorizontal forging

AnimationAnimation


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Stand: Mai 2010

Faserverlauf (Risse) 2D

senkrecht austretende,(bei Zerspanung

angeschnittene) Fasern

Rissgefahr

Pittingfestigkeit!

Berücksichtigung der Zerspankontur!


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Stand: Mai 2010

Faserverlauf im Bauteil fibre flow at wockpiece

Kontur nach ZerspanungContour after milling

senkrecht austretende, ange-schnittene Fasern

Bauteilbruch während des thermischen Entgratens

Typischer Faserverlauf nach FlanschstauchenTypical grain flow fibers after flange upsetting

Realteil aus UmformungReal workpiece from forming

Damage of material because of cutting fibers


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Stand: Mai 2010


Übersicht Kombination Overview Combinations


UmformungForming



Kräfteforces


with Cold Forging










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Stand: Mai 2010

Verzahnungspressen forming of splines

Stofffluss KaltumformungMaterial flow of Cold Forging

LamellenträgerDisc carrier

Animation


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Stand: Mai 2010

ϕϕϕϕV / --

0

1.75

3.50

5.25

7.00

Stadienplan modifiziert

Stofffluss KaltumformungMaterial flow of Cold Forging

Verzahnungspressen forming of splines


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Stand: Mai 2010

WerkzeugversagenWerkzeugversagen

Werkzeugversagen


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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).


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Stand: Mai 2010

Zugspannungen(σT > 0)

Vertikaler Matrizenbruch durch hohe Zugspannungen

2D gekoppelte Werkzeugbelastung → Tangentialspannungen2D coupled tool computation → tangential stresses

Werkzeugbelastung coupled tool computation

σT / MPa

0

450

1050

750

150

300

900

600

die ring

lower die

upper die

billet


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Stand: Mai 2010

2D gekoppelte Werkzeugbelastung → Tangentialspannungen2D coupled tool computation → tangential stresses

Werkzeugbelastung coupled tool computation

σT / MPa

0

450

1050

750

150

300

900

600

Zugspannungen(σT > 0)

Zuspannungen im Werkzeugverband um 30% gesenkt.


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Stand: Mai 2010

Kritischer Bereich (elastisches Werkzeug FEM) Riss am realen WerkzeugCritical area (elastic tool FEA) Crack on work piece

3D entkoppelte Werkzeugbelastung → 1. Hauptspannung (Zugbelastung)3D uncoupled tool computation → 1st Principal Stress (tension)

Werkzeugbelastung uncoupled tool computation

0

1500

750

σ1 / MPa


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Stand: Mai 2010

Elastisch-Plastisches Werkzeugverhalten 3D

Werkzeugbruch(Ermüdung)


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Stand: Mai 2010

Elastisch-Plastisches Werkzeugverhalten 3D

ϕϕϕϕV / -

0

0.02

0.010

0.018

0.016

0.014

0.012

0.008

0.006

0.004

0.002


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Stand: Mai 2010

Verschleißwert = Kontaktnormalspannung x Relativgeschwindigkeit � begrenzte Genauigkeit

Verschleißriefen am Umformteil Berechnete Verschleißbereiche am Gesenk

Verschleißbereiche wear area

3D Ermittlung der Verschleißbereiche am Werkzeug3D detection of abrasive wear area at the tool


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Stand: Mai 2010

Hohe WZ-Temperatur

Verschleiß 3DVerschleißwerte noch nicht

absolut quantifizierbar

Verschleiß

T /°C

100

400

250

370

340

310

280

220

190

160

130


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Stand: Mai 2010

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…

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.


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Stand: Mai 2010

Reale Rohlingsgeometrie real geometry of billet

Gesenkschmieden Die-Forging

1. Stufe (setzen)1. Stage (upsetting) 2. Stufe (Vorstufe)

2. Stage (pre-stage)


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Stand: Mai 2010

AusblickAusblick


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Stand: Mai 2010

Quelle: WZL/RWTH AachenSimulation Presse Simulation Massivumformung

Übergeordnete Steuerungsumgebung (Matlab/Simulink)

Kra

ftin

form

atio

n

Ver

lag

eru

ng

s-in

form

atio

n

Ver

lag

eru

ng

s-in

form

atio

n

Kra

ftin

form

atio

n

3D Prozess und Maschine gekoppelt 3D prozess and machine coupled

Gekoppelte Simulation coupled simulation


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Stand: Mai 2010

Abschrecksimulation Quenching

Analyse der Gefügeumwandlung und Erkennung von SpannungsrissenAnalysis of microstructure and detection of stress cracking

Entdeckung eines Risses bei der SichtprüfungDetection of a crack by visual inspection

Rissbruchflächesurface of fracture by crack

Gewaltbruchflächesurface of fractureTrennschnitt

cut


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Stand: Mai 2010

Martensit

0

0,6

1,0

0,8

0,7

0,5

0,3

0,2

0,1

0,4

0,9

Austenit

0

0,6

1,0

0,8

0,7

0,5

0,3

0,2

0,1

0,4

0,9


Implementierung eines ZTU in FEMImplementation of TTT in FEA



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Stand: Mai 2010


Implementierung eines ZTU in FEMImplementation of TTT in FEA


σ1 / MPa

0

300

500

400

100

200

Skalierungsfaktor 10Scaling factor 10


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Stand: Mai 2010

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)


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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


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Stand: Mai 2010

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !

Thank you for your attention !

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