Finite Element Analysis of die wear in hot forging considering industrial processes

• Autorzy: Behrens, B. , Hundertmark, A.

Warianty tytułu

PL

Analiza numeryczna procesu zużycia narzędzi w przemysłowym procesie kucia

• Konferencja: 14th KomPlasTech Conference, Zakopane, January 14-17, 2007
• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The efficiency of hot forging processes significantly depends on the service life of the dies. As a consequence of thermal and mechanical interactions between workpiece and tool surfaces during the forming process, adhesive and abrasive die wear occurs, that is a major failure reason of hot forging tools. Due to the high forming temperatures, the annealing temperatures of the tool steels are exceeded. This leads to a decrease of the die material’s hardness, that results in an increased tool wear particularly in areas of the die cavity with high relative velocities between tool surface and workpiece. Within the process design by means of Finite-Element analysis, a quantitative prediction of the die wear in consideration of thermal conditions is limited at present. In terms of the reachable process cycles, the design of the forging tools is generally based on the know-how of the engineer. This paper shows an enhanced FE-based approach for die wear calculation, that includes relevant thermal effects on the tool material. In addition, the mentioned approach is calibrated by substantial industrial data, to obtain more realistic results. The wear behaviour of several industrial forging dies, that cover an extended range of geometries, was determined by optical measurement technology over long operating times. Based on the obtained results, the approach for die wear calculation was calibrated by statistical analysis. Exemplary, the simulation concept was implemented into a commercial FEA-package for the simulation of bulk metal forming processes by means of user subroutines, considering material-specific wear properties for some common hot forming tool steels. The modelling approach is verified regarding an industrial process with complex tool geometry, finally.

PL

Efektywny proces kucia na gorąco zależy znacząco od cyklu życia matryc. W konsekwencji termicznych i mechanicznych interakcji pomiędzy materiałem wsadowym i powierzchnią narzędzia, okazuje się, iż głównym powodem awarii matryc jest zużycie spoiwa i ścierniwa. Poprzez przeprowadzanie procesu w wysokich temperaturach następuje przekroczenie temperatury wyżarzania narzędzi stalowych. Prowadzi to do zmniejszenia twardości materiału matrycy i zwiększenia jego zużycia. Ilościowa predykcja zużycia matrycy za pomocą metody elementów skończonych z uwzględnieniem warunków termicznych jest obecnie dość ograniczona. Natomiast projekt narzędzi wykorzystywanych w procesie kucia jest przygotowywany głownie w oparciu o wiedzę inżynierów i posiadane know-how. Niniejszy artykuł przedstawia podejście zaproponowane w oparciu o rozszerzoną metodę elementów skończonych przeznaczoną do obliczeń związanych ze zużyciem matryc. Model skonfigurowano przy wykorzystaniu rzeczywistych danych z przemyshl, aby uwiarygodnić otrzymywane wyniki. Wykorzystane dane przemysłowe otrzymywano za pomocą pomiarów optycznych. Za­proponowaną koncepcja zaimplementowano przy użyciu komercyjnego pakietu FEA. Podejście zostało ostatecznie zweryfikowane również za pomocą danych przemysłowych wyposażonych w kompleksowe informacje na temat geometrii narzędzi.

Słowa kluczowe

EN

hot forging; tool wear; finite element analysis

• Czasopismo: Computer Methods in Materials Science
• Rocznik: 2007
• Tom: Vol. 7, No. 1
• Strony: 136-141
• Opis fizyczny: Bibliogr. 9 poz., rys.

Twórcy

autor

Behrens, B.

autor

Hundertmark, A.

• IFUM Hannover

Bibliografia

• Behrens, B.-A., Schaefer, F., 2005, Prediction of wear in hot forging tools by means of fmite-element-analysis, J. Mat. Proc. Techn., 167, 309-315.
• Bobke, T., 1991, Randschichtphdnomene bei  Verschleifivor-gängen an Gesenkschmiede-werkzeugen, Dr.-Ing. Thesis, Hannover (in German).
• Doege, E., Schliephake, U., Nagele, 1994, Aspects ofthe Wear Prediction in Precision Forging, Proc. Instn. Mech. Engrs., 208.
• Huskic, A., 2005, Verschleifireduzierung an Schmiedegesenken durch Mehrlagen-beschichtung und keramische Einsätze, Dr.-Ing. Thesis, Hannover (in German).
• Lee, G. A., Im, Y. T., 1999, Finite element investigation ofthe wear and elastic deformation of dies in metal forming, J. Mat. Proc. Techn., 89-90, 123-127.
• Lee, H. C., Kim, B.M., Kim, K.H., 2003, Estimation of die service life in hot forging, considering lubricants and surface treatments, Proceedings Institution of Mechanical Engineers, Part B: J. Eng. Manufacture, 217, 1011-1021.
• Müller, P., Weinhold, H., Yogel, H.-R., 1988, Graphitfreie Schmiermittel fur das Gesenkschmieden von Stahl, Neue Hutte 33 (in German)
• Schruff, L, 1989, Zusammenstellung der Eigenschaften und Werkstoffkenngrößen der Warmarbeitstahle X38CrMoV 51, X40CrMoV 51, X32CrMoV 33, und X38CrMo 53, Thyssen Edelstahlwerke AG, Technische Berichte, 15, 70-81 (in German).
• Walter, S., 1999, Beitrag zu den Werkzeugversagensmechanis men beim Gesenkschmieden, Dr.-Ing. Thesis, Hannover (in German).