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 © Hirschvogel Holding GmbH 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 © Hirschvogel Holding GmbH 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 © Hirschvogel Holding GmbH Blechumformung Sheet Metal Forming Massivumformverfahren 20°C Kaltumformung Cold Forging Quelle Source: Hirschvogel 5 Stand: Mai 2010 © Hirschvogel Holding GmbH 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 © Hirschvogel Holding GmbH 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 © Hirschvogel Holding GmbH 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 © Hirschvogel Holding GmbH 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 © Hirschvogel Holding GmbH 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 © Hirschvogel Holding GmbH 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 © Hirschvogel Holding GmbH 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 mostly 3D simulation Kräfte forces Kombinationsverfahren Combinations of Hot/Warm with Cold Forging 2D und 3D Simulation 2D and 3D simulation Werkzeugberechnung tool computation 12 Stand: Mai 2010 © Hirschvogel Holding GmbH Übersicht Warmumformung Overview Hot Forging 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 mostly 3D simulation Kräfte forces Kombinationsverfahren Combinations of Hot/Warm with Cold Forging 2D und 3D Simulation 2D and 3D simulation Werkzeugberechnung tool computation 13 Stand: Mai 2010 © Hirschvogel Holding GmbH Warmumformung Manuelles Warmschmieden Automatisiertes Warmschmieden 14 Stand: Mai 2010 © Hirschvogel Holding GmbH Materialfluss Formfüllung 15 Stand: Mai 2010 © Hirschvogel Holding GmbH 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 © Hirschvogel Holding GmbH Kontakt-Skalar 3D Unterfüllung am Teil 17 Stand: Mai 2010 © Hirschvogel Holding GmbH 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 © Hirschvogel Holding GmbH kein Kontakt Normalspannung-Skalar 2D σN /MPa 0 -100 keine Kontaktspannungen -200 -300 -400 -500 -600 -700 -800 -900 -1000 19 Stand: Mai 2010 © Hirschvogel Holding GmbH keine Formfüllung Materialfluss Faltenerkennung 20 Stand: Mai 2010 © Hirschvogel Holding GmbH Geschwindigkeits-Vektor 3D Falte 21 Stand: Mai 2010 © Hirschvogel Holding GmbH 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 © Hirschvogel Holding GmbH Falte Luft- oder Schmierstoffeinschluss σN / MPa 500 250 0 23 Stand: Mai 2010 © Hirschvogel Holding GmbH ! Unterfüllung Materialfluss Objektverfolgung 24 Stand: Mai 2010 © Hirschvogel Holding GmbH 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 © Hirschvogel Holding GmbH 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 © Hirschvogel Holding GmbH Objektverfolgung particle trace FEM: MnS-Seigerungszeilen in der Warmumformung FEA Analysis: MnS-segregation in hot forging process 27 Stand: Mai 2010 © Hirschvogel Holding GmbH 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 © Hirschvogel Holding GmbH Übersicht Halbwarm Overview warm forging 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 mostly 3D simulation Kräfte forces Kombinationsverfahren Combinations of Hot/Warm with Cold Forging 2D und 3D Simulation 2D and 3D simulation Werkzeugberechnung tool computation 29 Stand: Mai 2010 © Hirschvogel Holding GmbH Kombinations-Umformbauteil Tripode: Fertigung Tripodenfertigung 30 Stand: Mai 2010 © Hirschvogel Holding GmbH 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 © Hirschvogel Holding GmbH 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 © Hirschvogel Holding GmbH Scherkantenverfolgung trace of shearing edge 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 © Hirschvogel Holding GmbH Scherkantenverfolgung trace of shearing edge 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 © Hirschvogel Holding GmbH Übersicht Kaltumformung Overview cold forging 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 mostly 3D simulation Kräfte forces Kombinationsverfahren Combinations of Hot/Warm with Cold Forging 2D und 3D Simulation 2D and 3D simulation Werkzeugberechnung tool computation 35 Stand: Mai 2010 © Hirschvogel Holding GmbH Kaltumformung Kaltumformung 36 Stand: Mai 2010 © Hirschvogel Holding GmbH 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 © Hirschvogel Holding GmbH Animation Stofffluss Kaltumformung material flow cold forging Stofffluss Kaltumformung 2. Stufe mit Umformgrad Material flow of Cold Forging 2. stage with EQ-Strain 38 Stand: Mai 2010 © Hirschvogel Holding GmbH Animation Stofffluss Kaltumformung material flow cold forging Stofffluss Kaltumformung 3. Stufe mit Umformgrad Material flow of Cold Forging 3. stage with EQ-Strain Getriebewelle Gear shaft 39 Stand: Mai 2010 © Hirschvogel Holding GmbH Animation Stofffluss Kaltumformung material flow cold forging Kundenanfragen: erreichbare Napftiefe? Customer enquiry: measurement depth of cup? 1. Auslegung 3. Stufe, 2D-Simulation, Faltenbildung 40 Stand: Mai 2010 © Hirschvogel Holding GmbH x Stofffluss Kaltumformung material flow cold forging Kundenanfragen: erreichbare Napftiefe? Customer enquiry: measurement depth of cup? x 2. Auslegung 3. Stufe, 2D-Simulation, geringer Napftiefe, Faltenbildung 41 Stand: Mai 2010 © Hirschvogel Holding GmbH Materialfluss Faserverlauf 42 Stand: Mai 2010 © Hirschvogel Holding GmbH Faserverlauf im Bauteil Stehende Schmiedung Vertical forging 43 Stand: Mai 2010 © Hirschvogel Holding GmbH 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 © Hirschvogel Holding GmbH 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 © Hirschvogel Holding GmbH Kontur nach Zerspanung Contour after milling Übersicht Kombination Overview Combinations 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 mostly 3D simulation Kräfte forces Kombinationsverfahren Combinations of Hot/Warm with Cold Forging 2D und 3D Simulation 2D and 3D simulation Werkzeugberechnung tool computation 46 Stand: Mai 2010 © Hirschvogel Holding GmbH Verzahnungspressen Stofffluss Kaltumformung Material flow of Cold Forging Lamellenträger Disc carrier 47 Stand: Mai 2010 © Hirschvogel Holding GmbH forming of splines Animation Verzahnungspressen forming of splines Stofffluss Kaltumformung Material flow of Cold Forging ϕV / -7.00 5.25 3.50 1.75 0 48 Stand: Mai 2010 © Hirschvogel Holding GmbH Stadienplan modifiziert Werkzeugversagen Werkzeugversagen 49 Stand: Mai 2010 © Hirschvogel Holding GmbH 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 © Hirschvogel Holding GmbH 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 © Hirschvogel Holding GmbH 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 © Hirschvogel Holding GmbH 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 © Hirschvogel Holding GmbH Riss am realen Werkzeug Crack on work piece Elastisch-Plastisches Werkzeugverhalten 3D Werkzeugbruch (Ermüdung) 54 Stand: Mai 2010 © Hirschvogel Holding GmbH 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 © Hirschvogel Holding GmbH 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 © Hirschvogel Holding GmbH 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 © Hirschvogel Holding GmbH 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 © Hirschvogel Holding GmbH Reale Rohlingsgeometrie Gesenkschmieden 1. Stufe (setzen) 1. Stage (upsetting) 59 Stand: Mai 2010 © Hirschvogel Holding GmbH real geometry of billet Die-Forging 2. Stufe (Vorstufe) 2. Stage (pre-stage) Ausblick 60 Stand: Mai 2010 © Hirschvogel Holding GmbH Gekoppelte Simulation coupled simulation 3D Prozess und Maschine gekoppelt 3D prozess and machine coupled Simulation Presse 61 Stand: Mai 2010 © Hirschvogel Holding GmbH 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 © Hirschvogel Holding GmbH Abschrecksimulation Quenching Analyse der Gefügeumwandlung und Erkennung von Spannungsrissen Analysis of microstructure and detection of stress cracking 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 © Hirschvogel Holding GmbH Implementierung eines ZTU in FEM Implementation of TTT in FEA Abschrecksimulation Quenching Analyse der Gefügeumwandlung und Erkennung von Spannungsrissen Analysis of microstructure and detection of stress cracking σ1 / MPa 500 Skalierungsfaktor 10 Scaling factor 10 400 300 200 100 0 64 Stand: Mai 2010 © Hirschvogel Holding GmbH 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 © Hirschvogel Holding GmbH 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 © Hirschvogel Holding GmbH Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit ! Thank you for your attention ! 67 Stand: Mai 2010 © Hirschvogel Holding GmbH