Entwicklung eines Softwaretools zur robusten Auslegung des Scherschneidprozesses von metallischen Schichtverbundwerkstoffen ohne zusätzliche Schmierstoffe
Final Report Abstract
Im Teilprojekt DFG1 „Entwicklung eines Softwaretools zur robusten Auslegung des Scherschneidprozesses von metallischen Schichtverbundwerkstoffen ohne zusätzliche Schmierstoffe“ lag der Schwerpunkt auf der Modellierung des Scherschneidens von Schichtverbundwerkstoffen und des Verschleißes. Dazu wurden am utg ein Schneidwerkzeug und eine gasdichte Umhausung konzipiert, konstruiert und gefertigt, welche Dauerversuche sowohl unter Raumluft als auch unter inerter Atmosphäre ermöglichen. Durch passend gewählte Flutung des Schneidbereichs, der Zufuhr- und Abfuhranlagen mit den inerten Gasen Helium und Argon konnte eine inerte Atmosphäre erreicht werden. Vorversuche mit einem höherfesten Stahl unter Raumluft zeigten keine chemischen Veränderungen an den Schneidelementen. Dennoch konnte für den höherfesten Stahl DP 600 ein tribochemischer Effekt festgestellt werden. Für Versuche unter inerter Atmosphäre stellte sich ein deutlich verringerter Verschleiß am Obermesser nach 100.000 Hub ein. Dies wird darauf zurückgeführt, dass Verschleißschutzadditive im bereits bei Anlieferung auf dem Blechwerkstoff befindlichen Schmierstoff unter inerter Atmosphäre wirksamer sind. Für die Simulation des Scherschneidprozesses monolithischer Bleche wurde ein gekoppeltes Lemaitre-Schädigungsmodell eingesetzt, um die Schädigung und das duktile Versagen abzubilden. Auf Basis einer Sensitivitätsanalyse wurde eine Identifikationsstrategie für die Materialparameter gewählt, bei der die Schädigungsparameter invers bestimmt wurden. Dazu wurde ein Zugversuch mit einer passenden Kerbgeometrie durchgeführt. In Zusammenarbeit mit dem AiF 1-Projekt wurde das Lochen experimentell und simulativ untersucht. Eine Analyse der Spannungstriaxialität am Beispiel des Werkstoffs DP 600 zeigte, dass das Blech zunächst unter negativen Triaxialitäten umgeformt wird. Eine Scherbelastung setzt erst bei höheren Stempelverschiebungen ein. An den Werkzeugkanten bilden sich Zonen positiver Triaxialitäten. Die vollständige Werkstofftrennung findet unter positiven Triaxialitäten statt. Daher ist ein Schädigungsmodell notwendig, welches den Einfluss der Triaxialität, wie das hier eingesetzte Modell, berücksichtigt. In Zusammenarbeit mit dem DFG2-Projekt wurde das Lochen eines Alucobond-Sandwichblechs untersucht. Der Werkstoff Alucobond besteht aus metallischen Deckschichten (AA 5005) und einem Polymerkern aus low-density polyethylene (LDPE). Der Vergleich der berechneten Stempelkraft-Stempelverschiebungskurven zeigt eine gute qualitative Übereinstimmung. Insbesondere die drei Phasen, Trennung des oberen Deckblechs, Trennung des unteren Deckblechs, Reißen des Polymerkerns, werden gut abgebildet. Mithilfe der Prozesssimulation konnte zunächst eine Biegung des oberen Deckbleches, welche für die Geometrie des geschnittenen Bauteils relevant ist, beobachtet werden. Ein bisher für die Tiefziehsimulation eingesetztes Simulationswerkzeug (REDSY) zur Berechnung des Verschleißes auf Basis des Archard-Modells wurde für die Kopplung an die Schneidsimulation mit dem Simulationsprogramm Abaqus angepasst. Das für die Simulation des Scherschneidens eingesetzte Lemaitre-Modell wurde in das Simulationswerkzeug eingebunden, um den Verschleiß beim Abschneiden zu berechnen. Mit dem kombinierten Simulationswerkzeug konnte eine gute Übereinstimmung der Vorhersagen für den experimentell bestimmten Verschleiß des Obermessers und des Untermessers beim Abschneiden von DP 600 sowohl unter Raumluft als auch unter inerter Atmosphäre erzielt werden. Auf Basis der dargestellten Ergebnisse wird eine Vorgehensweise zur Voraussage des Verschleißes mithilfe des entwickelten Softwaretools vorgeschlagen. Dies kann für die Auslegung von Scherschneidprozessen genutzt werden.
Publications
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Advanced material model for shear cutting of metal sheets, Proceedings of the XIII COMPLAS, 1.-3. September, Barcelona, 2015, S. 170-181
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Formability prediction of AL7020 with experimental and numerical failure criteria, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 218, 2015, S. 80-88
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Analysis of shear cutting of dual phase steel by application of an advanced damage model, Procedia Structural Integrity, Vol. 2, 2016, S. 1700-1707
Gutknecht, F.; Steinbach, F.; Hammer, T.; Clausmeyer, T.; Volk, W.; Tekkaya, A. E.
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FE-unterstützte Verschleißprognose beim Scherschneiden unter Berücksichtigung verschiedener Verschleißmechanismen, 09. Forum Tribologische Entwicklungen in der Blechumformung, 24.-25. Februar, Darmstadt, 2016
Hammer, T; Cha, W.-G.; Feistle, M.; Golle, R.; Volk, W.
