Werkstoff- und Versagenskennwerte für das Hochgeschwindigkeitsumformen und -trennen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Qualität von Simulationsergebnissen hängt stark vom Werkstoffmodell und den Parametern ab. Bei konventionellen Umformprozessen können in guter Näherung quasi-statische Bedingungen angenommen werden und die numerische Prozessoptimierung ist Stand der Technik. Bei der Werkstoffcharakterisierung bei hohen Umformgeschwindigkeiten hingegen gibt es noch Forschungsbedarf. So beeinflussen bei schnellen Umformprozessen, wie z. B. dem elektromagnetischen Umformen, zwei gegenläufige Effekte die Fließspannung des Werkstoffs: die Verfestigung durch hohe Umformgeschwindigkeit und die thermische Entfestigung durch adiabate Erwärmung. Ziel des Forschungsvorhabens war die Entwicklung einer Methode zur Charakterisierung von Fließ- und Versagenskennwerten für Umformgeschwindigkeiten bis 10^5 s^-1. Hierzu erfolgte die Konzeption und Umsetzung zweier Aufbauten mit pneumatischem bzw. elektromagnetischem Antrieb für unterschiedliche Geschwindigkeitsbereiche sowie die Entwicklung einer inversen Parameteridentifikation. Die Methode wurde für einen unlegierten Stahl und eine Aluminiumlegierung validiert und es wurde gezeigt, dass die identifizierten Werkstoffparameter die numerische Modellierung von Fertigungsprozessen mit hohen Umformgeschwindigkeiten mit guter Genauigkeit ermöglichen. Die ermittelten Werkstoffparameter für Stahl zeigten abhängig vom Spannungszustand signifikante Unterschiede. Für Probengeometrien mit einachsiger Zugbeanspruchung bei Umformgeschwindigkeiten in der Größenordnung von 10^4-10^5 s^-1 war die ermittelte Fließgrenze fast doppelt so hoch wie bei Scherproben; ein Effekt, der bei quasistatischer Belastung nicht auftritt. Dieser Trend deutet auf eine triaxialitätsabhängige Ratenabhängigkeit hin, die auf Scherband-induzierte Dehnungslokalisierung und adiabate Erwärmung zurückzuführen ist. Während in der ersten Projektphase vorrangig die Methodik zur Parameteridentifikation entwickelt und Kennwerte bestimmt wurden, lag der Fokus der zweiten Projektphase darauf, die Einflüsse besser zu verstehen, indem die adiabate Erwärmung des Werkstücks unter Hochgeschwindigkeitsbelastung quantifiziert wurde. Dazu wurden einachsige Zug- und Scherzugversuche bei verschiedenen hohen Dehnungsgeschwindigkeiten experimentell und numerisch analysiert. Ein Schwerpunkt der Analyse lag auf der Identifizierung einer charakteristischen zeit- und ortsabhängigen Umformgeschwindigkeit. In den Experimenten wurde neben der Messung von Kraft und Dehnung auch die Temperatur im Bruchbereich mit Hilfe einer Wärmebildkamera und eines Pyrometers für höhere Umformgeschwindigkeiten aufgezeichnet. Abschließend wurden die ermittelten Werkstoffkennwerte auf das Tiefziehen mit Umformgeschwindigkeiten bis 10^2 s^-1 und das Hochgeschwindigkeitsscherschneiden übertragen. Die Simulationen hierzu wurden in LS-Dyna durchgeführt und die Ergebnisse zeigten eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Daten hinsichtlich der zeitabhängigen Kraft-Weg-Kurve und der maximal auftretenden Temperatur.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
-
Principle and setup for characterization of material parameters for high speed forming and cutting. Procedia Engineering, 207(2017), 2000-2005.
Tulke, Marc; Scheffler, Christian; Psyk, Verena; Landgrebe, Dirk & Brosius, Alexander
-
Characterisation of high strain rate material behaviour for high-speed forming and cutting applications. Journal of Physics: Conference Series, 1063, 012166.
Tulke, M.; Scheffler, C.; Linnemann, M.; Psyk, V.; Landgrebe, D. & Brosius, A.
-
Characterization of material parameters for high speed forming and cutting via experiment and inverse simulation. AIP Conference Proceedings, 1960(2018), 110009. Author(s).
Scheffler, Christian; Psyk, Verena; Linnemann, Maik; Tulke, Marc; Brosius, Alexander & Landgrebe, Dirk
-
Determination of Material and Failure Characteristics for High-Speed Forming via High-Speed Testing and Inverse Numerical Simulation. Journal of Manufacturing and Materials Processing, 4(2), 31.
Psyk, Verena; Scheffler, Christian; Tulke, Marc; Winter, Sven; Guilleaume, Christina & Brosius, Alexander
-
Determination of material and fracture parameters for high strain rate processes, especially considering the local adiabatic heating in the fracture zone of the sample. 9th ICHSF.
Galiev, E., Tulke, M., Psyk, V., Brosius, A. & Kräusel, V.
-
Deep drawing of DC06 at high strain rates. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 1238(1), 012047.
Tulke, M.; Galiev, E.; Psyk, V.; Kräusel, V. & Brosius, A.
-
Local Temperature Development in the Fracture Zone during Uniaxial Tensile Testing at High Strain Rate: Experimental and Numerical Investigations. Applied Sciences, 12(5), 2299.
Galiev, Elmar; Winter, Sven; Reuther, Franz; Psyk, Verena; Tulke, Marc; Brosius, Alexander & Kräusel, Verena
-
Forming and cutting at high strain rates Part 1: Experimental data and FE-model for an inverse material characterization of DC06 at high strain rates
Tulke, M., Galiev, E., Scheffler, C., Linnemann, M., Psyk, V. & Brosius, A.
-
Forming and cutting at high strain rates Part 3: Deep drawing
Tulke, M., Galiev, E., Psyk, V. & Brosius, A.
-
Forming and cutting at high strain rates Part 4: High-speed blanking
Galiev, E., Tulke, M., Brosius, A. & Psyk, V.
-
Forming at high strain rates Part 2: Analysis of adiabatic heating based on tensile tests of DC06
Tulke, M., Galiev, E., Psyk, V. & Brosius, A.
-
Numerical and experimental study of high-speed blanking of DC06 steel. Materials Research Proceedings, 25, 27-34. Materials Research Forum LLC.
Galiev, E.
