Development of a Friction Approach for the FE Method of Sheet Metal Forming Based on Surface Topography Evolution - Study considering Aluminum AlMg3

Die Genauigkeit der Finite-Elemente-Analyse von Umformprozessen hängt, neben Werkzeugparametern und Werkstückeigenschaften, stark von den Kontaktbedingungen zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück ab. Diese Kontaktbedingungen werden maßgeblich durch die Materialeigenschaften der Kontaktpartner sowie ihrer Relativbewegung und dem Kontaktdruck bestimmt. Ein weiterer Faktor ist die Oberflächentopographie des Bleches, die sich im Prozess stetig verändert und die Reibung beeinflusst. In dieser Arbeit wird ein neuer Ansatz für die Verbesserung der Reibungsmodellierung für die Finite-Elemente-Methode (FEM) bei Blechumformprozessen am Beispiel der Aluminiumlegierung AlMg3 vorgestellt. Dieses Modell berücksichtigt die Änderung der Oberflächentopographie sowie ihren Einfluss auf die Reibzahl. Für die Analyse der Oberflächentopographie wurden Grundlagenexperimente durchgeführt und numerisch analysiert. Die Oberflächentopographie im Hauptumformbereich wurde durch Rauheitsmessungen vor und nach dem Versuch experimentell aufgenommen und ausgewertet. Die Oberflächentopographie wurde durch den Rauheitparameter Ra charakterisiert, der in zwei Richtungen aufgenommen wurde: In Walzrichtung (Ra0) und senkrecht dazu (Ra90). Darüber hinaus wurden in entsprechenden Simulationen die Prozessparameter bestimmt. Die Ergebnisse der experimentellen und numerischen Untersuchungen wurden zusammengeführt und der Einfluss verschiedener Parameter, wie dem Vergleichsumformgrad, dem Kontaktdruck, der Gleitgeschwindigkeit und der Werkzeugrauheit auf die Oberflächenrauheit des Bleches bestimmt. Es wurde eine stark anisotrope Rauheitsentwicklung in Abhängigkeit sowohl von der Bewegungsrichtung als auch von der Messrichtung festgestellt. Die Zusammenhänge zwischen der Aufrauung bzw. der Einebnung und den relevanten Umformparametern (Werkzeugrauheit, Kontaktdruck und plastische Dehnung) wurden mathematisch beschrieben. Anschließend wurden die Parameter bestimmt, die die Reibzahl beeinflussen. Eine Korrelation der Reibzahl als Funktion der Geschwindigkeit und der Veränderung der Oberflächenrauheit wurde entwickelt und ebenfalls mathematisch beschrieben. Damit ist die Reibzahl indirekt auch von den untersuchten Umformparametern abhängig. Diese mathematischen Beschreibungen wurden mittels der benutzerdefinierten Unterroutine usrfrc in die FEM-Software LS-DYNA implementiert und somit ein neuer Ansatz für die Reibmodellierung zur Verfügung gestellt. Abschließend wurde das neue Reibmodell anhand eines zweistufigen Tiefziehprozesses validiert. Durch den neuartigen Ansatz der Reibmodellierung wurde eine Verbesserung der Vorhersagegenauigkeit der Werkstückgeometrie durch Simulationen von Tiefziehprozessen erreicht. Darüber hinaus wurde die Übertragbarkeit auf Prozesse mit komplexen Geometrien bestätigt.