Numerische Berechnung der thermischen Belastung und der Lebensdauer von Werkzeugen beim Thixoschmieden von Stahl.
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde ein numerisches Modell zur Vorhersage der Werkzeugstandmenge hinsichtlich thermomechanisch induzierter Rissbildung in Thixoformingprozessen von Stahllegierungen entwickelt. Zur Beschreibung der Schädigung wurde das Sehitoglu-Modell herangezogen, mittels geeigneter Versuche parametrisiert und in die FE-Software Simufact Forming implementiert. Während des Thixoformings wird das Material auf Temperaturen zwischen der Solidus- und Liquidustemperatur erwärmt und liegt in einem teilflüssigen Zustand vor. Zur Beschreibung des Materialverhaltens wurde daher das Material unterhalb der Solidustemperatur über den Ansatz nach Hensel-Spittel und oberhalb der Solidustemperatur durch den Ansatz nach Ostwald-de Waele modelliert. Die Charakterisierung erfolgte mittels Zylinderstauchversuchen in einem breiten prozessrelevanten Temperaturspektrum. Für Temperaturen oberhalb der Solidustemperatur wurden eine Ummantelung genutzt, um eine vorzeitige Rissinitiierung und Entmischung zu unterdrücken. Die Bestimmung der Fließkurven erfolgte in diesem Fall über eine numerisch iterative Methodik. Die realitätsnahe Beschreibung des Materials im thixotropen Zustand ermöglichte eine Analyse der im Prozess in den Werkzeugen vorherrschenden Belastungen. Basierend auf den Werkzeuganalysen wurden entsprechende Randbedingungen für LCF, IP-TMF und OP-TMF Versuche abgeleitet und die entsprechenden Versuche an der Gleble 3800 durchgeführt. Anhand der Versuche konnten die in Abhängigkeit der thermomechanischen Belastung vorliegenden Schädigungsformen mechanische Ermüdung, Oxidationsschädigung sowie Kriechen analysiert werden. Die in den zyklischen Versuchen gewonnenen Daten wurden genutzt um das Sehitoglu-Modell zu parametrisieren. Da eine Kopplung von Simufact forming und FEMFAT nicht gegeben war, wurde für eine Vorhersage der Werkzeugschädigung durch thermomechanische Rissbildung das Sehitoglu-Modell in die FE-Software Simufact Forming mittels einer benutzerdefinierten Subroutine implementiert. Eine erste Validierung des Modells anhand einfacher zyklischer thermomechanischer Versuche zeigte eine gute Übereinstimmung. Im Folgenden wurde ein Thixoformingprozess zur Umformung des Werkstoffes 100Cr6 numerisch ausgelegt und experimentell umgesetzt. Zur Reduktion der thermischen Belastung wurde eine gezielte Temperierung des Stempels ermöglicht. Das numerische Modell wurde anschließend genutzt, um den Effekt temperierter Werkzeugstempel auf die Schädigung numerisch zu untersuchen. Hierbei zeigte sich, dass eine Temperierung auf 200 °C zu einer Erhöhung der Standmenge führen kann, da die thermische Wechselbelastung durch die verringerte Temperaturdifferenz zwischen Stempel und Werkstück reduziert wird. Eine weitere Erhöhung auf 380 °C führt dahingegen zu einer geringeren Standzeit verglichen mit der Stempeltemperatur von 200 °C. Aufgrund der hohen Temperaturen treten infolge der reduzierten Streckgrenze höhere Amplituden der mechanischen Dehnung auf. In den experimentellen Versuchen konnten die numerisch vorhergesagten nicht erreicht werden. Aufgrund der hohen Temperaturen kam es schon bei 150 Zyklen zu einer starken plastischen Deformation sowie abrasivem Verschleiß. Des Weiteren zeigte sich, dass höhere Stempeltemperaturen in ausgeprägten adhäsiven Effekten resultieren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2018): “A sectionwise defined model for the material description of 100Cr6 in the thixotropic state” , AIP Conference Proceedings 1960, 040006 (2018)
Behrens, B. A.; Chugreev, A.; Hootak, M.
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(2019): “Application of the Sehitoglu’s model for the calculation of tool life in thixoforging of steel parts”, AIP Conference Proceedings 2113, 040009 (2019)
Behrens, B. A.; Chugreev, A.; Hootak, M.
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(2019): „Numerical investigations of tool life in thixoforging in consideration of the workpiece in the semi-solid state“, Proceedings 28th International Conference on Metallurgy and Materials, Brno, Czech Republic, EU, May 22nd - 24th 2019
Behrens, B. A.; Chugreev, A.; Hootak, M.
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(2020): „Numerical service life calculation of forming tools during thixoforging using the Sehitoglu model“, Proceedings 29th International Conference on Metallurgy and Materials, Brno, Czech Republic, EU, May 20th – 22nd 2020
Behrens, B. A.; Brunotte, K.; Wester, H.; Zaitsev, A.; Hootak, M.
