Application of the finite element method to simulate the friction phenomenon in a strip drawing test

• Autorzy: Fejkiel Romuald , Goleń Patryk

Identyfikatory

DOI

10.7862/rm.2023.5

Warianty tytułu

PL

Zastosowanie metody elementów skończonych do symulacji zjawiska tarcia w teście przeciągania pasa blachy

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Friction is an undesirable phenomenon in the flange area of the drawpiece in sheet metal forming processes, causing a deterioration in surface finish and a decrease in the formability limits of the sheet metal. The aim of this work is numerical analysis using the finite element method of the strip drawing test with two rounded countersamples. This test simulates friction conditions in the flange area of the drawpiece. The results of the experimental research on the influence of surface roughness on the value of the friction coefficient of S235 steel samples were used to verify the numerical results. The relation between the real contact area and the mean roughness Ra of the countersamples was determined. The real contact area increases with the increase of the mean roughness Ra. In sheet metal forming processes, the coefficient of friction depends on the real contact area, and its value increases with the increase of the real contact area.

PL

Tarcie jest zjawiskiem niepożądanym w strefie kołnierzowej wytłoczki w procesach kształtowania blach powodującym obniżenie jakości powierzchni wyrobu i zmniejszenie odkształceń granicznych blachy. Celem pracy jest analiza numeryczna metodą elementów skończonych testu przeciągania pasa blachy pomiędzy dwoma zaokrąglonymi przeciwpróbkami. Test ten symuluje warunki tarcia w strefie kołnierza wytłoczki. Do weryfikacji wyników numerycznych wykorzystano wyniki badań eksperymentalnych wpływu chropowatości powierzchni na wartość współczynnika tarcia próbek ze stali S235. Wyznaczono zależności pola rzeczywistej powierzchni kontaktu od parametru chropowatości przeciwpróbek Ra. Rozmiar rzeczywistej powierzchni kontaktu zwiększa się wraz ze zwiększeniem wartości parametru Ra. W procesach kształtowania blach współczynnik tarcia zależy od pola rzeczywistej powierzchni kontaktu, wraz ze wzrostem pola powierzchni styku rośnie jego wartość.

Słowa kluczowe

EN

coefficient of friction; finite element method; friction; sheet metal forming

PL

współczynnik tarcia; metoda elementów skończonych; tarcie; kształtowanie blach

• Wydawca: Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej
• Czasopismo: Advances in Mechanical and Materials Engineering
• Rocznik: 2023
• Tom: Vol. 40, nr 1
• Strony: 39--46
• Opis fizyczny: Bibliogr. 26 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Fejkiel Romuald

• Department of Mechanics and Machine Building, Carpatian State School in Krosno, Rynek 1, 38-400 Krosno, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-1339-2731

autor

Goleń Patryk

• BWI Poland Technologies Sp. z o.o., ul. Generała Leopolda Okulickiego 7, 38-400 Krosno, Poland

Bibliografia

• 1. Abo-Elkhier, M. (1997). Elasto-plastic finite element modelling of strip cold rolling using Eulerian fixed mesh technique. Finite Elements in Analysis and Design, 27(4), 323-334. https://doi.org/10.1016/S0168-874X(97)81966-X
• 2. Ansys (2019). ANSYS Workbench. Product Release Notes 18. Ansys, Inc.
• 3. Boher, C., Attaf, D., Penazzi, D., & Levaillant C. (2005). Wear behaviour on the radius portion of a die in deep-drawing: Identification, localisation and evolution of the surface damage. Wear, 259(7-12), 1097-1108. https://doi.org/10.1016/j.wear. 2005.02.101
• 4. Bowden, F. P., & Tabor, D. (1950). The friction and lubrication of solids. University Press.
• 5. Buchner, B., Buchner, M., & Buchmayr, B. (2008). Determination of the real contact area for numerical simulation. Tribology International, 42(6), 897-901. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2008.12.009
• 6. Chabrand P., Dubois F., & Gelin J. C. (1996). Modelling drawbeads in sheet metal forming. International Journal of Mechanical Sciences, 38(1), 59-77. https://doi.org/10.1016/0020-7403(95)00033-T
• 7. Coubrough, G. J., Alinger, M. J., & Van Tyne C. J. (2002). Angle of contact between sheet and die during stretch-bend deformation as determined on the bending under-tension friction test system. Journal of Materials Processing Technology, 130-131, 69-75. https://doi.org/10.1016/S0924-0136(02)00781-1
• 8. Eriksen, M. (1997). The influence of die geometry on tool wear in deep drawing. Wear, 207(1-2), 10-15. https://doi.org/10.1016/S0043-1648(96)07461-3
• 9. Guiggiani, M. (2020). Lubrication problems solved by the boundary element method. Engineering Analysis with Boundary Elements, 119, 183-188. https://doi.org/10.1016/j.enganabound.2020.07.011
• 10. Karpenko, Y. A., & Akay, A. (2001). A numerical model of friction between rough surfaces. Tribology International, 34(8), 531-545. https://doi.org/10.1016/S0301-679X(01)00044-5
• 11. Khoei, A. R., & Nikbakht, M. (2006). Contact friction modeling with the extended finite element method (X-FEM). Journal of Materials Processing Technology, 177(1-3), 58-62. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2006.03.185
• 12. Korzyński, M., & Sęp J., (2007). Komputerowe wspomaganie badań tribologicznych. Zagadnienia Eksploatacji Maszyn, 42, 57-72.
• 13. Lu, K., Coombs, W. M., Auearde, C. E., & Hu, Z. (2020) An implicit boundary finite element method with extension to frictional sliding boundary conditions and elasto-plastic analyses. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 358, 112620. https://doi.org/10.1016/j.cma.2019.112620
• 14. Mahrenholtz, O., Bontcheva, N., & Iankov, R. (2005). Influence of surface roughness on friction during metal forming processes. Journal of Materials Processing Technology, 159(1), 9-16. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2003.10.009
• 15. Pereira, M. P., Yan, W., & Rolfe, B. F. (2008). Contact pressure evolution and its relation to wear in sheet metal forming. Wear, 265(11-12), 1687-1699. https://doi.org/10.1016/j.wear.2008.04.042
• 16. Pop, N., Cioban, H., & Horvat-Marc, A. (2009). Finite element method used in contact problems with dry friction. Computational Materials Science, 50(4), 1283-1285. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2010.03.018
• 17. Popov, V. L., & Psakhie, S. G. (2007). Numerical simulation methods in tribology. Tribology International, 40(6), 916-923. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2006.02.020
• 18. Schell, L., Emele, M., Holzbeck, A., & Groche, P. (2022). Investigation of different lubricant classes for aluminium warm and hot forming based on a strip drawing test. Tribology International, 168, 107449. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2022.107449
• 19. Sigvant, M., Pilthammar, J., Hol, J., Wiebenga, J. H., Chezan, T., Carleer, B., & van den Boogaard, T. (2019). Friction in sheet metal forming: influence of surface roughness and strain rate on sheet metal forming simulation results. Procedia Manufacturing, 29, 512-519. https://doi.org/10.1016/j.promfg.2019.02.169
• 20. Venema, J., Hazrati, J., Atzema, E., Matthews, D., & van den Boogaard, T. (2022). Multiscale friction model for hot sheet metal forming. Friction, 10(2), 316-334. https://doi.org/10.1007/s40544-021-0504-6
• 21. Wang, C., & Schipper, D. J. (2020). A numerical-analytical approach to determining the real contact area of rough surface contact. Tribology - Materials, Surfaces & Interfaces, 14(3), 166-176. https://doi.org/10.1080/17515831.2020.1720382
• 22. Xu, Z., Huang, J., Mao, M., Peng, L., & Lai, X. (2020). An investigation on the friction in a micro sheet metal roll forming processes considering adhesion and ploughing. Journal of Materials Processing Technology, 285, 116790. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2020.116790
• 23. Yan, W., Busso, E. P., & O’Dowd, N. P. (2000). A micromechanics investigation of sliding wear in coated components. Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 456, 2387-2407. https://doi.org/10.1098/rspa.2000.0617
• 24. Zabala, A., de Argandoña, E. S., Cañizares, D., Llavori, I., Otegi, N., & Mendiguren, J. (2022). Numerical study of advanced friction modelling for sheet metal forming: Influence of the die local roughness. Tribology International, 165, 107259. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2021.107259
• 25. Zhai, C. P., Gan, Y. X., & Hanaor, D. (2016). Numerical analysis of normal contact stiffness of rough surfaces. Applied Mechanics and Materials, 846, 300-305. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.846.300
• 26. Zhang, S., Hodgson, P. D., Cardew-Hall, M. J., & Kalayanasundaram, S. (2003). A finite element simulation of micro-mechanical frictional behaviour in metal forming. Journal of Materials Processing Technology, 134(1), 81-91. https://doi.org/10.1016/S0924-0136(02)00926-3

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).