Authors: Kolpak, Felix
Title: Anisotropic hardening in cold forging
Other Titles: characterization, simulation and consequences
Language (ISO): en
Abstract: The goals of metal forming process design have long exceeded the mere shaping of components. Changes of the component properties which are caused by forming, including residual stresses, damage and work-hardening have received increasing attention in the last years. If done right, the incorporation and control of property changes of cold forged components in terms of numerical process simulations could significantly improve the energy- and resource-efficiency of metal forming processes as well as the components’ service life and performance. To predict and exploit the property changes by means of numerical simulations, the exact incorporation of the workpiece material behavior is of utmost importance. Up to now, anisotropic hardening is rarely considered in the field of cold bulk metal forming making impossible a flawless prediction of a component’s properties and its performance. In the scope of this thesis, typical cold forging materials are characterized with regard to their anisotropic work-hardening behavior exhibited at large strains. Tension, torsion and upsetting of material specimens pre-strained by forward rod extrusion reveal the material’s work-hardening behavior under a variety of different strain paths. It was shown that all investigated materials exhibit an extensive Bauschinger effect, workhardening stagnation and permanent softening which, up to now, are rarely considered in cold forging simulations. All anisotropic hardening phenomena intensify drastically, with the pre-strain. The experimental data is utilized to select, modify, and fit constitutive models of increasing complexity with the goal to capture all relevant work-hardening phenomena exhibited in the course of strain path changes. A modified version of the Yoshida- Uemori multi-surface model is successfully implemented and applied to improve the prediction accuracy of cold forging simulations. Various hardening models were applied to the simulation of basic single-stage cold forging processes, revealing, that the flow stress and residual stresses as well as the ejector forces are strongly affected by strain path changes, which cannot be captured with the common assumption of isotropic workhardening. While the forming forces of single-stage cold forging processes are hardly affected by anisotropic hardening, despite the occurrence of intrinsic strain path changes, the forming forces in multi-stage forming operations are reduced significantly, if large regions of the workpiece experience a strain path reversal. Lastly, it was shown that heat-treatments subsequent to cold forging at temperatures between 300 °C and 600 °C lead to a decrease of the Bauschinger effect, whereas work-hardening stagnation and permanent softening decrease only at larger temperatures.
Die Ziele bei der Gestaltung von Umformprozessen gehen längst über die reine Formgebung hinaus. Die Vorhersage von Produkteigenschaften wie Eigenspannungen, Schädigung und Kaltverfestigung, welche durch die Umformung verändert werden, hat in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Eine aktive Beeinflussung und Ausnutzung der veränderten Bauteileigenschaften würde die Ressourcen- und Energie- Effizienz von Kaltumformprozessen sowie die Leistungsfähigkeit der erzeugten Produkte deutlich steigern. Um diese Änderungen der Eigenschaften mittels Simulationen vorherzusagen und auszunutzen ist die exakte Einbeziehung des Werkstoffverhaltens der Werkstücke während der Umformung von größter Bedeutung. Das anisotrope Verfestigungsverhalten wird im Bereich der Kaltmassivumformung aktuell nur selten berücksichtigt, wodurch eine Vorhersage der Bauteilleistungsfähigkeit nicht möglich ist. Im Rahmen dieser Arbeit werden typische Werkstoffe der Kaltmassivumformung hinsichtlich ihres anisotropen Verfestigungsverhaltens bei großen Umformgraden charakterisiert. Durch Zug-, Torsions- und Stauchversuchen an Werkstoffproben, die durch Voll-Vorwärts-Fließpressen umgeformt wurden, konnte das anisotrope Verfestigungsverhalten unter einer Vielzahl unterschiedlicher Dehnpfade charakterisiert werden. Alle untersuchten Werkstoffe zeigen dabei einen ausgeprägten Bauschingereffekt, Verfestigungsstagnierung und eine bleibende Entfestigung, welche in der Kaltmassivumformung bisher nicht berücksichtigt wurden. Sämtliche Effekte intensivieren sich drastisch mit der Vordehnung. Die experimentellen Daten werden verwendet, um konstitutive Modelle mit zunehmender Komplexität auszuwählen, zu modifizieren und anzupassen, mit dem Ziel, alle relevanten Verfestigungsphänomene zu erfassen. Das Mehrflächenmodell von Yoshida- Uemori wird genutzt, um die Vorhersagegenauigkeit von Kaltumformsimulationen zu steigern. Bei Verwendung des Verfestigungsmodells in Simulationen einstufiger Kaltumformprozesse wurde gezeigt, dass die Fließspannung, Eigenspannungen und Auswerferkräfte stark von einer Dehnpfadumkehr beeinflusst werden, welche durch konventionelle isotrope Verfestigungsmodelle nicht abgebildet werden können. Während die Prozesskräfte bei einstufigen Kaltumformverfahren, trotz intrinsischer Dehnpfadwechsel, kaum von anisotroper Verfestigung beeinflusst werden, führt eine Dehnpfadumkehr bei mehrstufigen Umformvorgängen zu einer deutlichen Verringerung der Umformkräfte. Weiterhin wurde gezeigt, dass eine Wärmebehandlung in Temperaturbereichen zwischen 300 °C und 600 °C zu einer Verringerung des Bauschingereffektes führt, während die Verfestigungsstagnation und bleibende Entfestigung erst bei höheren Temperaturen abnehmen.
Subject Headings: Plasticity
Cold forging
Subject Headings (RSWK): Kaltumformen
Plastizität
Bauteil
Eigenspannung
Werkstoffschädigung
Kaltverfestigung
Simulation
URI: http://hdl.handle.net/2003/40888
http://dx.doi.org/10.17877/DE290R-22745
Issue Date: 2022
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