Software

Querkeilwalzprozesse schneller simulieren

Im Rahmen eines Forschungsvorhabens am Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen (IFUM) der Leibniz-Universität Hannover wird gegenwärtig ein geometrisch-kinematisches Modell entwickelt, mit dem der Werkstofffluss beim Querkeilwalzen in kürzerer Zeit als mit einer FE-Simulation berechnet werden kann. Das Modell soll als Optimierungshilfe im Rahmen der Auslegung von querkeilgewalzten Teilen und deren Werkzeugen eingesetzt werden. Unter Berücksichtigung der vielfältigen Einflussgrößen des Querkeilwalzprozesses können die Walzstrategie und die entsprechenden Werkzeuge untersucht werden, um auf diesem Weg die Anzahl von Simulationen und Probewalzungen zu minimieren.
Tabelle 1: Rechenzeiten verschiedener inkrementeller Umformverfahren mittels kommerzieller FE-Systeme. (Quelle: IFUM)

Matthias Dannenberg, Maxim Jähner, Tobias Vieregge; Abteilung CA-Techniken; Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen, Leibniz-Universität Hannover


Die wirtschaftliche Auslegung und Fertigung eines fehlerfreien massiv umgeformten Halbzeugs mit Hilfe von Querkeilwalzen basiert bis heute häufig auf dem Erfahrungswissen des Konstrukteurs oder auf den Ergebnissen von zahlreichen vorangehenden, zeit- und kostenintensiven Probewalzungen. Unterstützt wird die Auslegung des Halbzeugs beispielsweise durch Finite-Elemente-Simulationen (FE-Simulationen). Deren Berechnungszeiten können jedoch für inkrementelle Umformverfahren wie das Ringwalzen mehrere Tage in Anspruch nehmen [1, 2].

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Im Rahmen von Studien (siehe Tabelle 1) wurden inkrementelle Umformverfahren mit Hilfe von verschiedenen kommerziellen FE-Softwaresystemen simuliert und die erforderlichen Rechenzeiten ermittelt. Dabei stellte sich heraus, dass die Rechenzeiten für unterschiedliche inkrementelle Walzverfahren unabhängig von dem verwendeten FE-Softwaresystem sehr hoch sind. Dies liegt zum einen an der stetigen Erweiterung der Prozessgrenzen – hervorgerufen durch die Forderung nach Effizienz – und zum anderen an den permanent steigenden Anforderungen an die Simulationsergebnisse. Aufgrund der vorgenannten Tatsachen sind in absehbarer Zeit keine wesentlich kürzeren Berechnungszeiten für die FE-Simulation von inkrementellen Umformverfahren zu erwarten. Dieses Ergebnis wird auch durch einen Vergleich der Forschungsarbeiten von Heislitz [1] und Röcker [2] bestätigt, die mehr als zehn Jahre auseinander liegen: In beiden Fällen weisen die in [1] und [2] durchgeführten Simulationen für die untersuchten Walzprozesse hohe Rechenzeiten auf.

Am IFUM wurde bereits in der Vergangenheit erfolgreich eine Software (RingRoSi) zur schnellen Simulation eines Radial-Axial-Ringwalzprozesses entwickelt [8, 9]. Mit Hilfe von RingRoSi wird es dem Prozessplaner ermöglicht, Prozessparameter für das Ringwalzen (beispielsweise den Walzenvorschub) bereits vor der FE-Simulation zeitsparend zu überprüfen und gegebenenfalls anzupassen. Berechnungsläufe mit der Software haben gezeigt, dass für den Ringwalzprozess eine genaue Berechnung der Endgeometrie mit einem deutlich geringeren Zeitaufwand im Vergleich zur FE-Simulation erzielt werden kann. Dabei wird mit Hilfe eines implementierten Visualisierungsmoduls der Werkstofffluss zu jedem Zeitpunkt des Ringwalzprozesses abgebildet (siehe Abbildung 1).

Verglichen mit den in der Industrie eingesetzten Softwaresystemen können mit RingRoSi aufwandsarm Formfehler (etwa die Fischmaulbildung) vorhergesagt oder die Walzstrategie überprüft werden. Die Berechnungszeit für eine vollständige Ringwalzsimulation mit RingRoSi (Ringaußendurchmesser am Ende der Simulation: 376 mm) beträgt gegenwärtig auf einem handelsüblichen Rechner wenige Stunden.

Übertragung auf das Querkeilwalzen

Basierend auf der am IFUM entwickelten Methode zur schnellen Simulation von Radial-Axial-Ringwalzprozessen [8] soll die Methode zukünftig auch bei der Auslegung von Querkeilwalzprozessen eingesetzt werden. Elemente wie der Vernetzungsalgorithmus und die Methode zur Abbildung des Materialflusses werden dabei an den Querkeilwalzprozess angepasst.

Zur Validierung wird ein Flachbackenwalzprozess herangezogen. Das Flachbackenwalzverfahren, das zu den Querkeilwalzprozessen zählt, wird insbesondere zur Massevorverteilung für geschmiedete Langteile eingesetzt – beispielsweise Pleuel oder Antriebswellen. Dabei werden zwei gleich profilierte Werkzeughälften linear gegeneinander bewegt. Das Verfahren zeichnet sich unter anderem durch einfache Maschinenkonzepte, hohe Standmengen der Werkzeuge, durch geringe Umweltbelastung (beispielsweise durch Verzicht auf Kühlschmiermittel) sowie geringe Schallbelastung während des Prozesses aus. Dem steht eine anspruchsvolle Werkzeugauslegung gegenüber, insbesondere hervorgerufen durch voneinander abhängige Werkzeugparameter wie etwa den Keilwinkel oder die Werkzeughöhe (siehe Abbildung 2). Des weiteren ist der Aufwand bei der Fertigung der Walzwerkzeuge für einen Flachbackenwalzprozess relativ groß. Dies hängt beispielsweise von dem notwendigen Einbringen der sogenannten Rändelung an den Schulterflächen des Walzkeils ab: Mit Hilfe einer solchen Rändelung wird beim Flachbackenwalzen eine erhöhte Reibung erzielt, was eine schlupffreie Mitnahme des Werkstücks durch das Werkzeug ermöglicht. Der Prozessablauf für einen einfachen Flachbackenwalzprozess ist in Abbildung 2 schematisch dargestellt.

Der im Rahmen des hier vorgestellten Projektes zu validierende Prozess ist ein 3-stufiger Flachbackenwalzprozess, der am Institut für Integrierte Produktion Hannover gGmbH (IPH) verwendet wird [11]. Das Rohteil durchläuft bei diesem Prozess eine Einschneid-, Aufweit- und Kalibrierzone, die durch die Parameter Schulterwinkel a, Keilwinkel β, Werkzeughöhe h sowie Walzgeschwindigkeit v definiert wird.

Für diesen Prozess sollen analog zu der schnellen Simulation des Ringwalzprozesses auch in der zu erstellenden Software Walzfehler berechnet und visualisiert werden. Typische Walzfehler, die beim Querkeilwalzen auftreten können, werden nach [10] wie folgt klassifiziert:

schlecht ausgeformte Querschnittsbereiche (etwa durch fehlende Rotation)

außenliegende Fehler wie Überwälzungen, Einschnürungen oder Verdrehungen

innenliegende Defekte wie Risse oder Hohlräume

Mit der Software zur schnellen Simulation sollen Konturfehler wie Einschnürungen frühzeitig zu erkennen sein, um gegebenenfalls Walzstrategie oder Werkzeugparameter anpassen zu können. Weiterhin ist mit der Software eine Darstellung der Form des Werkstücks während der Umformung zu vom Anwender definierten Zeitpunkten geplant. Die gewählte Werkzeuggeometrie kann durch die Visualisierung des zu erwartenden Materialflusses überprüft werden. Auf zeitintensive FE-Simulationen soll dementsprechend in der Prozessauslegung zukünftig verzichtet werden können.

Für die Erstellung der Software werden zuerst die Ausgangsbedingungen wie etwa Werkstück- und Werkzeuggeometrie definiert. Im Anschluss erfolgt die Entwicklung des geometrisch-kinematischen Modells für die schnelle Simulation, das nachfolgend in die Software überführt wird. Für die Abbildung des Geometrieeinflusses beim Querkeilwalzen wird das Scheibenmodell aus der Ringwalzsimulation in ein sogenanntes Ebenenmodell überführt (siehe Abbildung 3).

Basierend auf der Ausgangsform (3a) und der in der Massivumformung vorausgesetzten Volumenkonstanz werden in einem ersten Schritt durch die Rotationsachse des Werkstücks Ebenen mit einem definierten Winkel erzeugt (3b). Die Einteilung des Rohteils in kleine Segmente ist für eine genaue Abbildung des Werkstoffflusses und der Werkstückkontur erforderlich: Je kleiner der Winkel zwischen den einzelnen Ebenen gewählt wird, desto genauer wird der Werkstofffluss abgebildet. Analog erfolgt die Segmentierung der beiden Werkzeughälften, wobei in diesem Fall der gewählte Segmentierungswinkel von 1 Grad in das Bogenmaß umgerechnet wird. Die sich daraus ergebende Länge bestimmt den Abstand zwischen den Ebenen in Werkzeugober- beziehungsweise -unterhälfte.

Im Weiteren wird eine Vernetzung der Segmente (Rohteil und Werkzeug) in der Form durchgeführt, so dass jedes Segment eine bestimmte Anzahl an Netzelementen mit identischen Abmessungen beinhaltet. Die Vernetzung entspricht in großen Teilen dem für das Ringwalzen entwickelten Vernetzungsalgorithmus [12]. In Abbildung 3c sind exemplarisch vernetzte Segmente des Rohteils dargestellt.

Nach Abschluss der Vernetzung erfolgt die Berechnung der inkrementellen Formänderung mit Hilfe des geometrisch-kinematischen Modells (Abbildung 3d). Zu Beginn der Berechnung besitzt jedes Segment aufgrund der zylindrischen Geometrie des Rohteils eine identische Anzahl an Volumenelementen. Diese weisen, in Abhängigkeit von ihrer Lage im Netz, einen Volumenfüllgrad F von 0 < F ≤ 100 Prozent auf: Dieser gibt an, bis zu welchem Grad das Netzelement mit Werkstoff gefüllt ist. Die Veränderung des Volumenfüllgrades und der damit verursachte Materialfluss sind auf das Eingreifen der Werkzeugkeile in das Rohteil zurückzuführen. Die Verdrängung des Materials (Materialfluss) erfolgt, indem der Werkstückwerkstoff radial abgetragen und an den Stirnseiten des Werkstücks axial angetragen wird, so dass das Volumen des Werkstücks erhalten bleibt (Volumenkonstanz). Anzumerken ist in diesem Zusammenhang, dass die Werkzeuge ideal starr (rigid) und das Werkstück als nachgiebig (im Sinne von hochviskos – compliant) modelliert sind. Durch die Vernetzung der einzelnen Segmente und der anschließenden Bestimmung der Segmentkontur (Füllgrad) aus dem entstandenen Netz wird die neue Geometrie des betrachteten Segmentes gewonnen. Im Anschluss an die Berechnung des Materialflusses erfolgt dann dessen Visualisierung.

Fazit und Ausblick

In den vorangehenden Ausführungen wurde gezeigt, dass die FE-Simulation von inkrementellen Umformverfahren bis heute sehr zeitintensiv ist. Basierend auf diesen Erkenntnissen ergibt sich die Notwendigkeit, den Konstrukteur in der anspruchsvollen Auslegung des Prozesses und der Walzwerkzeuge für inkrementelle Umformverfahren zu unterstützen. Mit Unterstützung eines durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Forschungsprojektes (BE 1691/127-1) wird eine Software zur schnellen Simulation von Querkeilwalzprozessen entwickelt, um Prozessplaner in Zukunft bei der Auslegung dieser Prozesse zu unterstützen. Als Grundlage dient der am IFUM entwickelte Ansatz für die schnelle Simulation des Ringwalzprozesses. Die Arbeiten in diesem Projekt werden sich daher mit deren Adaption an den Querkeilwalzprozess und der Programmierung befassen.

Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen (IFUM), Leibniz-Universität Hannover Tel. 0511/762-2451, http://www.ifum.uni-hannover.de E-Mail: dannenberg@ifum.uni-hannover.de



Quellen:

  1. F.; Livatyali, H.; Ahmetoglu, M.; Kinzel, L.; Altan, T.: Simulation of rollforming process with the 3D-FEM-Code PamStamp. In: Journal of Materials Processing Technology, Elsevier, Bd. 59, H. 1-2, 1996, S. 59-67
  2. O.: Untersuchungen zur Anwendung hoch- und höchstfester Stähle für walzprofilierte Fahrzeugstrukturkomponenten, Dissertation, TU Berlin, 2008
  3. S.: Simulation des Werkstoffflusses beim Ringwalzen mittels elementarer Plastizitätstheorie, Dissertation, Universität Hannover, 2003
  4. S.; Kreißig, R.; Ansorge, H.: Aspekte der Beschreibung der Fließspannung bei der numerischen Simulation zyklischer Umformvorgänge. In: Forschung im Ingenieurwesen, Springer, Vol. 71, No. 1, 2007, S. 9-20
  5. M.: Numerische Simulation des Ringwalzprozesses mit Hilfe der Methode der finiten Elemente, Dissertation, RWTH Aachen, 2002
  6. G.-J.: Simulation of 3D metal forming processes of axi-symmetric products, FENET Meeting. Wiesbaden, Germany, 13. November, 2001
  7. A.; Zeman, K.: Ausgewählte Umformsimulationen mit Deform und Abaqus Explicit. Institut für Rechnergestützte Methoden im Maschinenbau, Johannes Kepler Universität Linz, 2003
  8. B.-A.; Marchenko, M.: Software testet Walzstrategie. In: Umformtechnik, Meisenbach GmbH, 43. Jg., H. 2/2009, Internationale Fachzeitschrift für das Herstellen von Stückgut und Halbzeug durch Massivumformen, 2009, S. 20-22
  9. M.: Radial-Axial-Ringwalzen, Dynamische 3D-Visualisierung eines Radial-Axial-Ringwalzprozesses. VDM-Online, VDM Verlag Dr. Müller, 2008
  10. Q., Lovell, M.: Cross wedge rolling failure mechanisms and industrial application. In: International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Springer, 2008, S. 265-278
  11. H.; Stonis, M.; Behrens, B.-A.: Development of a warm cross wedge rolling process using FEA and downsized experimental trials. In: Production Engineering - Research and Development. Springer, Vol. 6, No. 4-5, September 2012, S. 339-348
  12. B.-A.; Marchenko, M.: Vernetzungsalgorithmus zur schnellen Werkstoffflusssimulation nahtlos gewalzter Ringe. In: UTF Science, Meisenbach Verlag, 4/2008, S. 1-4
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