Verbesserte FE-Simulation des Scherschneidprozesses durch eine temperatur- und dehnratenabhängige Erweiterung des MMC-Modells

Abstract

Zur Entwicklung eines dehnraten- und temperaturabhängigem MMC-Versagensmodells, ist es zunächst erforderlich mittels Eliminierung des Maschineneinflusses auf den Prozess eine hohe Reproduzierbarkeit zu gewährleisten. Spielbehaftete Wälzlager in Kniehebelpressen verursachen während der Schneidprozesse eine unkontrollierte Kippbewegung des Stößels. Dies hat einen Einfluss auf die Schnittflächenqualität der gefertigten Bauteile. Daher wurde ein System zum Ausgleich der maschinenabhängigen Anfangsverlagerung konzipiert, konstruiert und in den Stanzautomaten MSC2000 der Fa. Schuler integriert, welcher es ermöglicht, die Lagerspiele zu überwinden und die auftretende Stößelkippung zu minimieren. Anhand von Schliffbildern konnte eine Verbesserung des Glattschnittanteils von bis zu 10 % infolge der minimierten Stößelkippung nachgewiesen werden. Des Weiteren wurde ein numerisches Scherschneidmodell entwickelt, um die Qualität der Schnittfläche vorherzusagen. Ein iterativer experimentell-numerischer Ansatz wurde verwendet, um das Fließ- und Versagensverhalten der untersuchten Werkstoffe (DC04, X5CrNi18-10, HCT980, HCT600) bei verschiedenen Temperaturen und Dehnraten zu modellieren. Die Validierung des Versagensmodells erfolgte mit quasistatischen Scherschneidversuchen, die mit dem modifizierten Stanzautomaten durchgeführt wurden, durch Abgleich von Kraft-Weg-Verläufen und Schnittflächen. Anschließend wurden die temperatur- und dehnratenabhängigen Daten in das numerische Modell integriert und die Hochgeschwindigkeits-Scherschneidversuche aus dem Vorgängerprojekt erneut simuliert. Die Vorhersagegenauigkeit des numerischen Modells bezogen auf das experimentelle 95 %-Konfidenzintervall konnte in der zweiten Phase von 38 % auf 92 % erhöht werden. To develop a strain-rate and temperature-dependent MMC failure model, it is necessary to ensure high reproducibility by eliminating the influence of the machine on the process. Bearing clearances in knuckle-joint presses lead to an uncontrolled ram displacement during cutting processes. This has an impact on the quality of the cut surface of the finished components. Therefore, a system to compensate for the machine-dependent initial displacement was developed, constructed and integrated into the Schuler MSC2000 automated punching press, which makes it possible to compensate the bearing clearances and minimize the ram displacement. Using metallography images, it was possible to demonstrate an improvement of up to 10 % in the smooth cut percentage as a result of minimized ram displacement. Furthermore, a numerical shear cutting model was developed to predict the cut surface quality. An iterative experimental-numerical approach was employed to model flow and failure behaviour of investigated materials (DC04, X5CrNi18-10, HCT980, HCT600) at various temperatures and strain rates. The mechanical validation of the used failure model was performed with the quasi-static shear cutting experiments done with modified automated punching press by comparing force-displacement curves and cut surfaces. Subsequently, the temperature and strain-rate dependent data were integrated into the numerical model and high-speed shear cutting experiments from the previous project were re-simulated. The prediction accuracy of the numerical model in relation to the experimental 95 %-confidence interval was increased from 38 % to 92 % in the second phase.