DE102015007867A1 - Method and device for determining characteristic material properties, in particular flow curves of lightweight materials, in particular for extrusion - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung charakteristischer Materialkennwerte, insbesondere von Fließkurven, von Leichtbauwerkstoffen (18), insbesondere für das Strangpressen, bei dem eine Probe des Leichtbauwerkstoffes (18) in einen Rezipienten (1) einer Strangpressvorrichtung eingebracht und durch einen Stempel (2) derart unter Druck gesetzt wird, dass der Leichtbauwerkstoff (18) plastisch verformt und aus der Matrizenöffnung (24) des Rezipienten (1) gepresst wird, wobei in einem von der Matrizenöffnung (24) entfernt angeordneten Bereich des Rezipienten (1) die Scherkräfte (19) des plastisch fließenden Leichtbauwerkstoffes (18) im Bereich der Innenwandung des Rezipienten (1) erfasst und anhand der geometrischen Abmessungen des Rezipienten (1) im Messbereich (4) in eine Fließspannung des Leichtbauwerkstoffes (18) umgerechnet werden.The invention relates to a method and a device for determining characteristic material characteristics, in particular of flow curves, of lightweight materials (18), in particular for extrusion, in which a sample of the lightweight material (18) is introduced into a recipient (1) of an extrusion device and by a punch (2) is pressurized in such a way that the lightweight material (18) is plastically deformed and pressed out of the die opening (24) of the recipient (1), wherein in a region of the recipient (1) remote from the die opening (24) Shear forces (19) of the plastically flowing lightweight material (18) in the region of the inner wall of the recipient (1) detected and converted based on the geometric dimensions of the recipient (1) in the measuring range (4) in a yield stress of the lightweight material (18).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung charakteristischer Materialkennwerte, insbesondere von Fließkurven von Leichtbauwerkstoffen, insbesondere für das Strangpressen, gemäß Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruches 16.The invention relates to a method for determining characteristic material parameters, in particular of flow curves of lightweight materials, in particular for extrusion, according to the preamble of
Für die Herstellung von komplexen metallischen Leichtbauteilen etwa im Kraftfahrzeugbau wird häufig das sog. Strangpressen eingesetzt, mit dem vornehmlich Leichtbauwerkstoffe wirtschaftlich in vor allem prismatische Grundformen umgeformt werden können. Hierbei wird ein Leichtbauwerkstoff in einem Rezipienten durch einen Stempel und ggf. bei erhöhter Temperatur einer hohen Druckbelastung ausgesetzt, wodurch der Leichtbauwerkstoff plastisch wird und durch eine Strangpressmatrize in der gewünschten Querschnittsform aus dem Rezipienten austritt. Dies gilt grundsätzlich auch für andere Werkstoffe als Leichtbauwerkstoffe wie etwa Stahlwerkstoffe oder Werkstoffe zur Kunststoffextrusion, trotzdem soll im Weiteren vereinfachend von Leichtbauwerkstoffen gesprochen werden, auch wenn die beschriebenen Eigenschaften auch an anderen als Leichtbauwerkstoffen angewendet werden kann.For the production of complex lightweight metallic components, for example in motor vehicle construction, the so-called extruding is frequently used, with which predominantly lightweight materials can be economically transformed, in particular, into prismatic basic shapes. Here, a lightweight material is exposed in a recipient by a stamp and possibly at elevated temperature of a high pressure load, whereby the lightweight material is plastic and exits through an extrusion die in the desired cross-sectional shape from the recipient. In principle, this also applies to materials other than lightweight materials, such as steel materials or plastics extrusion materials, but will be referred to in the following simplifying lightweight materials, even if the properties described can be applied to other than lightweight materials.
Der Fertigungsprozess des Strangpressens ist aufgrund des dreidimensionalen Werkstoffflusses in den eingesetzten Strangpresswerkzeugen komplex. Das Know-how zur prozesssicheren Fertigung von z. B. Aluminiumstrangpressprofilen liegt hauptsächlich in der Auslegung der Strangpresswerkzeuge und in der Definition der Prozessparameter während des Strangpressens. Derartiges Know-how liegt dabei vornehmlich aufgrund empirisch erlangten Wissens in den Strangpress- und Werkzeugbauunternehmen vor.The production process of extrusion is complex due to the three-dimensional material flow in the extrusion dies used. The know-how for reliable production of z. B. Aluminum extrusions is mainly in the design of the extrusion dies and in the definition of the process parameters during extrusion. Such know-how is predominantly based on empirically acquired knowledge in the extrusion and tool making companies.
Die prozesssichere Fertigung von komplexen Profilquerschnitten in der industriellen Praxis setzt deshalb eine geeignete Methodenplanung voraus, um kosten- und zeitintensive Versuchspressungen zu reduzieren. Aufgrund der hohen Temperatur und besonders der hohen hydrostatischen Drücke innerhalb des geschlossenen Werkzeugaufbaus ist eine experimentelle Analyse der Einflussfaktoren auf den Strangpressprozess zur Erweiterung des Wissenstandes hinsichtlich Werkstofffluss, Spannungszustände und Temperaturentwicklung für die Prozesse nicht wirtschaftlich möglich. Auch die Anwendung analytischer Modelle zu Methodenplanung wurde in Untersuchungen zum konventionellen Strangpressen erprobt. Diese beschränkten sich meist aufgrund der auftretenden komplexen Randwertprobleme und der darin enthaltenen partiellen Differenzialgleichungen auf stark vereinfachte Modelle und Geometrien und ermöglichen deshalb meist nur eine qualitative Abschätzung [2]. Deshalb sind analytische Methoden in der industriellen Praxis nur begrenzt einsetzbar.The process-reliable production of complex profile cross-sections in industrial practice therefore requires suitable method planning in order to reduce costly and time-consuming test pressings. Due to the high temperature and especially the high hydrostatic pressures within the closed tooling, an experimental analysis of the influencing factors on the extrusion process to expand the knowledge about material flow, stress conditions and temperature development for the processes is not economically feasible. The application of analytical models to method planning was also tested in conventional extruding tests. Due to the complex boundary value problems and the partial differential equations contained in them, these are limited to strongly simplified models and geometries and therefore usually allow only a qualitative estimation [2]. Therefore, analytical methods are limited in industrial practice.
Für die quantitative Berechnung hat sich hingegen die numerische Modellierung mithilfe der Finite-Element-Methode (FEM) als eine geeignete Möglichkeit zur Methodenplanung erwiesen. Im Vergleich zur analytischen Modellierung ist FEM eine flexible Methode zur Beschreibung der komplexen thermischen, mechanischen sowie thermomechanisch gekoppelten Prozesse mit komplexen Randbedingungen [2].For quantitative calculations, however, numerical modeling using the finite element method (FEM) has proven to be a suitable method planning method. Compared to analytical modeling, FEM is a flexible method for the description of complex thermal, mechanical and thermo-mechanically coupled processes with complex boundary conditions [2].
Um die komplexen Strangpressprozesse aber auch realitätsnah abbilden zu können, ist eine geeignete Werkstoffmodellierung notwendig. Dabei wird innerhalb der verwendeten Fließbedingungen zwischen unterschiedlichen Approximations- bzw. Extrapolationsmodellen der Fließkurvenhüllfläche unterschieden. Die gängigsten Modelle für die Warmmassivumformung von Leichtmetallen sind die multiplikative Verknüpfung von multi-linearen oder Potenzfunktionen sowie eine sinushyperbolische Beschreibung.In order to be able to map the complex extrusion processes in a realistic manner, a suitable material modeling is necessary. Within the flow conditions used, a distinction is made between different approximation or extrapolation models of the flow envelope surface. The most common models for the hot massive forming of light metals are the multiplicative linking of multi-linear or power functions as well as a sinus hyperbolic description.
Ein Approximationsansatz, der in der Literatur Verwendung für die Warmumformung findet, ist die Fließkurvenbeschreibung nach Hensel und Spittel [3, 4].An approximation approach, which is used in the literature for hot forming, is the flow curve description according to Hensel and Spittel [3, 4].
Darin ist die Abhängigkeit der Fließspannung kf von der Temperatur ϑ, dem Umformgrad φ und der Umformgeschwindigkeit φ . beschrieben. Des weiteren sind σ0 und m1–m4 Konstanten, die durch die experimentell aufgenommene Fließkurve ermittelt werden müssen. Bei dynamisch kristallisierenden Werkstoffen wird durch den letzten exponentiellen Term eine Fließspannungsabnahme bei hohen Umformgraden ermöglicht [2].Therein, the dependence of the yield stress k f on the temperature θ, the degree of deformation φ and the forming speed φ. described. Furthermore, σ 0 and m 1 -m 4 are constants that must be determined by the experimentally recorded flow curve. For dynamically crystallizing materials, the last exponential term allows a yield stress reduction at high degrees of deformation [2].
In der sinushyperbolischen Beschreibung nach Zener-Holomon [5] bzw. Sellar-Tegart [6] wird der Zusammenhang zwischen Fließspannung, Umformgeschwindigkeit und Temperatur durch einen analytischen Zusammenhang mit fünf Werkstoffkennwerten beschrieben. Darin sind αsinh die Aktivierungsenergie, R die universelle Gaskonstante, A Reziproker Dehnratenfaktor und n der Verfestigungsexponent. Der Umformgrad ist hierin nicht berücksichtigt, da er bei der Warmumformung infolge von Rekristallisations- und Erholungsvorgängen während des Prozesses keinen entscheidenden Einfluss auf die Fließspannung hat. In the sinus hyperbolic description according to Zener-Holomon [5] and Sellar-Tegart [6], the relationship between yield stress, strain rate and temperature is described by an analytical correlation with five material characteristics. Where α sinh is the activation energy, R is the universal gas constant, A is the reciprocal strain rate factor, and n is the solidification exponent. The degree of deformation is not considered herein because it has no significant influence on the yield stress during hot working due to recrystallization and recovery processes during the process.
Für die Anwendung der Modelle innerhalb der Werkstoffmodellierung ist eine Charakterisierung der Werkstofflegierungen hinsichtlich ihrer Materialkennwerte notwendig. Im Fall des Strangpressens müssen aufgrund der extremen Zustände bei der Umformung, wie hoher hydrostatischer Spannungszustand, hohe Temperatur, hohe Umformgrade und Umformgeschwindigkeiten, aufwändige Versuche zur Charakterisierung durch die Materialkennwerte durchgeführt werden.For the application of the models within the material modeling a characterization of the material alloys with respect to their material characteristics is necessary. In the case of extrusion, due to the extreme conditions in the forming, such as high hydrostatic stress state, high temperature, high degrees of deformation and forming speeds, laborious tests for characterization by the material properties must be carried out.
Für die Nutzung der Modelle ist es daher erforderlich, Fließkurven unter möglichst realitätsnahen Bedingungen aufzunehmen und die Werkstoffkennwerte für die jeweiligen Modelle zu identifizieren.For the use of the models, it is therefore necessary to record flow curves under conditions that are as realistic as possible and to identify the material characteristics for the respective models.
Für die Aufnahme der Fließkurven werden bisher Versuchsstände verwendet, die die Zustandsgrößen, die im realen Prozess auftreten, halbwegs realitätsnah abbilden müssen. Im Fall des Schmiedens und des Strangpressen ist eine solche Fließkurvenaufnahme mit den bekannten Versuchsständen bisher aber fertigungstechnisch aufwändig und teuer.To record the flow curves, test stands have hitherto been used, which have to map the state variables that occur in the real process, in a way that is close to reality. In the case of forging and extrusion, however, such a flow curve recording with the known test stands so far but technically complex and expensive.
Im Fall der Warmumformung von Leichtmetallen werden zur Aufnahme von Fließkurven üblicherweise Stauch- oder Torsionsversuche eingesetzt.In the case of hot forging of light metals, upset or torsion tests are usually used to accommodate flow curves.
Diese Versuche haben folgende Eigenschaften und Nachteile:These experiments have the following characteristics and disadvantages:
Stauchversuchcrush test
Beim Stauchversuch wird eine zylindrische Probe z. B. induktiv erwärmt und dann über einen Stempel gestaucht. Über die Stauchkraft wird auf die Fließspannung geschlossen.
- – Es können nur kleine Umformgrade erreicht werden,
- – Es liegt kein hydrostatischer Druckspannungszustand vor,
- – Das Formänderungsvermögen ist begrenzt.
- – Reibung zwischen Stempel und Probe (Verfälschung des Ergebnisses)
- - Only small degrees of deformation can be achieved
- There is no hydrostatic compressive stress state,
- - The deformability is limited.
- - friction between punch and sample (falsification of the result)
Torsionsversuchtorsion
Hierbei wird eine zylindrische Torsionsprobe in Form einer runden Zugprobe erwärmt und durch Einspannungen an den Enden verdreht. Das Verdrehmoment und der Verdrehwinkel werden gemessen. Basierend hierauf wird die Fließspannung berechnet.
- – Das Formänderungsvermögen ist begrenzt,
- – Die Probenfertigung ist fertigungstechnisch aufwändig und dadurch teuer,
- – Der Versuchsstand ist teuer (z. B. Gleeble).
- - The deformability is limited,
- The sample production is complex in terms of production and thus expensive,
- - The test stand is expensive (eg Gleeble).
Die Versuche inklusive der Ermittlung der Kennwerte für die gegeben Fließfunktionen gemäß der Gleichung 1 oder der Gleichung 2 sind aufgrund einer aufwendigen Probenfertigung, einer manuellen Ermittlung der Werkstoffkennwerte und der hohen Kosten für die Versuchsanlagen zeit- und kostenintensiv. Gleichzeitig werden vereinfachende Annahmen, wie z. B. ein begrenzter Umformgrad, keine Berücksichtigung des hydrostatischen Spannungszustandes und begrenzte Umformgeschwindigkeiten getroffen, um die Fließkurven überhaupt ermitteln zu können. Welchen Einfluss diese Vereinfachungen auf das Werkstoffverhalten im realen Prozess haben, konnte bisher nicht wissenschaftlich untersucht werden, da es bisher keine Prüfanlage gibt, mit der eine Charakterisierung unter den realen Bedingungen möglich ist. Innerhalb der Werkstoffmodellierung wird das Verhalten bei unbekannten Zuständen durch den jeweils verwendeten Extrapolationsansatz angenommen.The tests, including the determination of the characteristic values for the given flow functions according to
Im Rahmen der Veröffentlichung von Kloppenborg [1] wurden visioplastische Untersuchungen zum Werkstofffluss in Strangpresswerkzeugen vorgenommen. Hierbei wurde durch die Entwicklung eines speziellen Werkzeugkonzeptes die Möglichkeit geschaffen, den Werkstofffluss im Strangpresswerkzeug zu analysieren. Die Veröffentlichung zeigt, dass das Aluminium im Bereich des Rezipienten und des Werkzeugs haftet und entlang einer dünnen Randschicht geschert wird. Es liegt somit nachweislich eine Scherung des Werkstoffes in bekannten Teilen des Rezipienten und des Werkzeuges vor, die zur Charakterisierung bei hohem hydrostatischem Druck, hoher Temperatur und hohen Umformraten in der zu entwickelnden Prüfanlage genutzt werden kann.As part of the publication by Kloppenborg [1] visioplastic investigations were made on the material flow in extrusion dies. This was due to the development of a special tool concept created the opportunity to analyze the material flow in the extrusion tool. The publication shows that the aluminum adheres in the region of the recipient and the tool and is sheared along a thin edge layer. There is thus evidence of a shear of the material in known parts of the recipient and the tool, which can be used for characterization at high hydrostatic pressure, high temperature and high Umformraten in the test system to be developed.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen eine insbesondere auch automatisierbare Charakterisierung von Leichtbauwerkstoffen unter produktionsnahen Bedingungen kostengünstig und zeiteffizient durchgeführt werden kann und die dazu dienen, die Werkstoffkennwerte für üblich eingesetzte Approximationsmodelle zu identifizieren und zu verifizieren.The object of the present invention is therefore to provide a method and a device with which a particularly automatable characterization of lightweight materials under production-related conditions can be carried out cost-effectively and time-efficiently and which serve to identify and verify the material parameters for commonly used approximation models.
Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ergibt sich hinsichtlich des Verfahrens aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 und hinsichtlich des Verfahrens aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches X jeweils in Zusammenwirken mit den Merkmalen des zugehörigen Oberbegriffes. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.The solution of the object of the invention results in terms of the method of the characterizing features of
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Ermittlung charakteristischer Materialkennwerte, insbesondere von Fließkurven, von Leichtbauwerkstoffen, insbesondere für das Strangpressen. Ein derartiges Verfahren wird dabei in erfindungsgemäßer Weise dadurch weiter gebildet, dass eine Probe des Leichtbauwerkstoffes in einen Rezipienten einer Strangpressvorrichtung eingebracht und durch einen Stempel derart unter Druck gesetzt wird, dass der Leichtbauwerkstoff plastisch verformt und aus der Matrizenöffnung des Rezipienten gepresst wird, wobei in einem von der Matrizenöffnung entfernt angeordneten Bereich des Rezipienten die Scherkräfte des plastisch fließenden Leichtbauwerkstoffes im Bereich der Innenwandung des Rezipienten erfasst und anhand der geometrischen Abmessungen des Rezipienten im Messbereich in eine Fließspannung des Leichtbauwerkstoffes umgerechnet werden. Hierbei steht insbesondere die Erkenntnis im Vordergrund, dass der sich einstellende Stofffluss des plastisch fließenden Leichtbauwerkstoffes innerhalb des Rezipienten beim Strangpressen dazu genutzt werden kann, um den eingesetzten Werkstoff bei hohem hydrostatischem Druck, ggf. hoher Temperatur und hohen Umformraten, also primär den beim Strangpressen vorliegenden Bedingungen zu charakterisieren und damit eine realitätsnahe Ausgangsbasis für die Berücksichtigung des Materialverhaltens in Simulationsverfahren zu ermitteln. Ergebnisse aus visioplastischen Untersuchungen [1] zeigen, dass z. B. Aluminium als typischer Leichtbauwerkstoff im Bereich des Rezipienten und des Werkzeugs haftet und entlang einer dünnen Randschicht geschert wird. Es liegt somit eine Scherung des Werkstoffes in bekannten Teilen des Rezipienten vor. Dieses Werkstoffverhalten vor allem im Randbereich der Innenwandung des Rezipienten kann nun dazu ausgenutzt werden, eine Kraftmessung der dort vorliegenden Scherkräfte des plastisch fließenden Leichtbauwerkstoffes unter den realen Umformverhältnissen beim Strangpressen durchzuführen und daraus dann unter Berücksichtigung der geometrischen Abmessungen des Rezipienten eine Scherspannung des Leichtbauwerkstoffes zu berechnen, die dann wieder in die Simulationsrechnung als Charakterisierung des Leichtbauwerkstoffes genutzt werden kann und die Genauigkeit der Simulation verbessert. Hierdurch wird das Problem gelöst, dass die alternativen Verfahren zur Ermittlung der Fließkurve derartiger Leichtbauwerkstoffe nicht die Zustände, die beim Strangpressprozess bei der Umformung der Werkstoffe vorherrschen, realitätsnah nachstellen können. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können hingegen Leichtbauwerkstoffe unter hohem hydrostatischem Drücken, bei hohen Umformgraden und bei hohen Temperaturen, also bei produktionsnahen Bedingungen geprüft werden. Durch die verbesserte Fließkurvenaufnahme und damit verbundene Verbesserung der Werkstoffmodellierung wird eine Steigerung der Simulationsgenauigkeit erreicht. Zudem können die Fließkurven von Leichtbauwerkstoffen mit geringem fertigungstechnischen Aufwand für die Probenfertigung und geringen Gesamtkosten ermittelt werden. Insbesondere bei sehr hohen Temperaturen begünstigt der hohe hydrostatische Druckspannungszustand die Fließkurvenaufnahme.The invention is based on a method for determining characteristic material properties, in particular flow curves, of lightweight materials, in particular for extrusion. Such a method is thereby further formed in accordance with the invention in that a sample of lightweight material is placed in a recipient of an extrusion and pressurized by a punch so that the lightweight material is plastically deformed and pressed from the die opening of the recipient, wherein in a from the die opening arranged region of the recipient detects the shear forces of the plastically flowing lightweight material in the region of the inner wall of the recipient and converted based on the geometric dimensions of the recipient in the measuring range in a yield stress of the lightweight material. In this context, the recognition that the material flow occurring in the plastically flowing lightweight material within the recipient during extrusion can be used to obtain the material used at high hydrostatic pressure, possibly high temperature and high deformation rates, ie primarily during extrusion To characterize conditions and thus to determine a realistic starting basis for the consideration of the material behavior in simulation methods. Results from visioplastic investigations [1] show that z. B. aluminum as a typical lightweight material in the region of the recipient and the tool adheres and sheared along a thin edge layer. There is thus a shearing of the material in known parts of the recipient. This material behavior especially in the edge region of the inner wall of the recipient can now be exploited to carry out a force measurement of the shear forces of the plastically flowing lightweight material under the real forming conditions during extrusion and then, taking into account the geometrical dimensions of the recipient, to calculate a shear stress of the lightweight material, which can then be used again in the simulation calculation as a characterization of the lightweight material and improves the accuracy of the simulation. This solves the problem that the alternative methods for determining the flow curve of such lightweight materials can not realistically adjust the conditions that prevail in the extrusion process during the forming of the materials. With the method according to the invention, however, lightweight materials can be tested under high hydrostatic pressures, at high degrees of deformation and at high temperatures, ie at near-production conditions. The improved flow curve recording and the associated improvement in material modeling increase the simulation accuracy. In addition, the flow curves of lightweight materials can be determined with low production costs for sample production and low total costs. Especially at very high temperatures, the high hydrostatic pressure stress state promotes flow curve absorption.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Scherkräfte des Leichtbauwerkstoffes im Bereich der Innenwandung des Rezipienten durch eine Kraftmessung, insbesondere eine Kraftmessung in axialer Richtung parallel zur Relativbewegung des Stempels ermittelt werden. Die Scherkräfte verlaufen im Wesentlichen parallel zur Wandung des Rezipienten und sind daher in axialer Richtung parallel zur Relativbewegung des Stempels ausgerichtet. Hierbei kann in weiterer Ausgestaltung die Kraftmessung durch mindestens eine im Bereich der Innenwandung des Rezipienten angeordnete Kraftmesseinrichtung vorgenommen werden. Derartige Kraftmessungen können z. B. über Kraftmessdosen, Drucksensoren oder Dehnungsmessstreifen realisiert werden, die im Bereich der Innenwandung des Rezipienten angeordnet sind oder mit diesem Bereich funktional in Verbindung stehen. Die Kraftmessung wird dabei genau dort vorgenommen, wo die Scherkräfte wirken und die Fließverhältnisse innerhalb des Leichtbauwerkstoffes derart homogen sind, dass repräsentative Messbedingungen herrschen. Dies sollte vorteilhaft in einem Bereich erfolgen, der weit genug von der Matrizenöffnung entfernt ist.It is particularly advantageous if the shear forces of the lightweight material in the region of the inner wall of the recipient are determined by a force measurement, in particular a force measurement in the axial direction parallel to the relative movement of the punch. The shear forces are substantially parallel to the wall of the recipient and are therefore aligned in the axial direction parallel to the relative movement of the punch. In this case, in a further embodiment, the force measurement can be performed by at least one force measuring device arranged in the region of the inner wall of the recipient. Such force measurements can z. Example, via load cells, pressure sensors or strain gauges are realized, which are arranged in the region of the inner wall of the recipient or are functionally related to this area. The force measurement is carried out exactly where the shear forces act and the flow conditions within the lightweight material are so homogeneous that representative Measuring conditions prevail. This should be done advantageously in an area that is far enough away from the die opening.
In weiterer Ausgestaltung können mehrere Durchgänge zur Ermittlung der Fließspannung des Leichtbauwerkstoffes durchgeführt werden, wobei bei jedem Durchgang die Umformgeschwindigkeit des Leichtbauwerkstoffes im Scherbereich an der Innenwandung des Rezipienten variiert wird. Anhand der gemessenen Scherkräfte und der geometrischen Abmessungen des Rezipienten lässt sich für eine Prozessparameterkombination genau ein Stützpunkt der Fließkurve des Leichtbauwerkstoffes berechnen. Weitere Stützpunkte der Fließkurve des Leichtbauwerkstoffes lassen sich aus einer Variation der Umformgeschwindigkeit im Scherbereich gewinnen, die entweder durch eine veränderte Stempelgeschwindigkeit und/oder durch Variation der Querschnittsfläche des Rezipienten in Form eines einfach oder mehrfach hinsichtlich seiner Querschnittsabmessungen gestuften Rezipienten erreicht werden kann. Letzteres hat den Vorteil, dass in einem Versuch mehrere Stützpunkte der Fließkurve gleichzeitig bestimmt werden können, was die Effizienz des Verfahrens steigert. Hierbei kann in weiterer Ausgestaltung die Variation der Querschnittsfläche des Rezipienten durch einen zwei- oder mehrfach gestuft ausgebildeten Innenquerschnitt des Rezipienten erreicht werden, wobei vorteilhaft eine Erfassung der Scherkräfte des plastisch fließenden Leichtbauwerkstoffes im Bereich jeder der gestuft ausgebildeten Innenquerschnitte des Rezipienten erfolgt. Da in jedem abgestuften Querschnittsbereich des Rezipienten eine unterschiedliche Umformgeschwindigkeit des plastisch fließenden Leichtbauwerkstoffes vorliegt, können mit nur einem Pressvorgang genau so viel Scherkräfte und damit Stützpunkte der Fließkurve des Leichtbauwerkstoffes bestimmt werden, wie Abstufungen des Rezipienten realisiert wurden, wenn an jeder der Abstufungen unabhängig voneinander eine entsprechende Kraftmessung durchgeführt wird.In a further embodiment, a plurality of passages for determining the flow stress of the lightweight material can be carried out, wherein the deformation rate of the lightweight material is varied in the shear region on the inner wall of the recipient at each pass. On the basis of the measured shear forces and the geometric dimensions of the recipient, it is possible to calculate exactly one interpolation point of the flow curve of the lightweight material for a process parameter combination. Further bases of the flow curve of the lightweight material can be obtained from a variation of the forming speed in the shear area, which can be achieved either by an altered punch speed and / or by varying the cross-sectional area of the recipient in the form of a single or multiple stepped in terms of its cross-sectional dimensions recipient. The latter has the advantage that several interpolation points of the flow curve can be determined simultaneously in one experiment, which increases the efficiency of the process. In this case, in a further embodiment, the variation of the cross-sectional area of the recipient can be achieved by a two-stepped or multi-stepped inner cross section of the recipient, advantageously detecting the shear forces of the plastically flowing lightweight material in the region of each of the stepped inner cross sections of the recipient. Since there is a different deformation rate of the plastically flowing lightweight material in each stepped cross-sectional region of the recipient, just as much shear forces and thus bases of the flow curve of the lightweight material can be determined with just one pressing operation, as gradations of the recipient were realized, if at each of the gradations independently appropriate force measurement is performed.
In weiterer Ausgestaltung ist es denkbar, dass die Temperatur bei der Umformung des Leichtbauwerkstoffes durch eine an oder in dem Rezipienten angeordnete Heizeinrichtung, insbesondere eine induktive Heizeinrichtung eingestellt wird. Insbesondere, wenn die temperierte Umformung des Leichtbauwerkstoffes und die Ermittlung der Fließspannung isotherm z. B. in einer ofenartigen Isolierung durchgeführt wird, lassen sich sehr definierte und für die spätere Simulation aussagekräftige Materialkennwerte bestimmen.In a further embodiment, it is conceivable that the temperature during the deformation of the lightweight material by a arranged on or in the recipient heating device, in particular an inductive heating device is set. In particular, when the tempered deformation of the lightweight material and the determination of the yield stress isothermal z. B. is carried out in an oven-like insulation, can be very defined and for the later simulation meaningful material characteristics determined.
Weiterhin ist es denkbar, dass die Temperatur des stranggepressten Profils und damit die Werkstofferwärmung während und/oder nach der Umformung gemessen wird und hieraus ebenfalls Rückschlüsse über das Umformverhalten des Leichtbauwerkstoffes gezogen werden können.Furthermore, it is conceivable that the temperature of the extruded profile and thus the material heating during and / or after the deformation is measured and from this also conclusions about the forming behavior of the lightweight material can be drawn.
Von besonderem Vorteil für die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens ist es, wenn die Bestimmung der Fließspannung des Leichtbauwerkstoffes automatisiert erfolgt. Hierdurch kann z. B. das Handling der Proben des Leichtbauwerkstoffes beim Einlegen in den Rezipienten und beim Entfernen von Pressresten aus dem Rezipienten vereinfacht werden, auch kann die gesamte Steuerung einer verfahrensgemäß gesteuerten Anlage und die Ermittlung und Auswertung der Messdaten automatisch durchgeführt werden.Of particular advantage for the economy of the method is when the determination of the yield stress of the lightweight material is automated. As a result, z. B. the handling of the samples of lightweight material when inserted into the recipient and the removal of press residues from the recipient can be simplified, and the entire control of a system controlled system and the determination and evaluation of the measured data can be performed automatically.
Weiterhin ist es denkbar, dass unterschiedliche Querschnittsabmessungen des stranggepressten Profils verwendet werden, um den hydrostatischen Druckspannungszustand in dem umzuformenden Leichtbauwerkstoff zu variieren, indem z. B. abgestuften Profile gepresst und das Scherverhalten entsprechend erfasst werden.Furthermore, it is conceivable that different cross-sectional dimensions of the extruded profile are used to vary the hydrostatic compressive stress state in the lightweight material to be formed by, for. B. stepped profiles pressed and the shear behavior can be detected accordingly.
Auch ist es denkbar, dass der Austritt des stranggepressten Profils aus dem Rezipienten variiert wird, indem das stranggepresste Profil an verschiedenen Positionen aus dem Rezipienten austritt. Auch hierdurch können ggf. die Fließverhältnisse innerhalb des Rezipienten beeinflusst und messtechnisch erfasst werden.It is also conceivable that the outlet of the extruded profile is varied from the recipient by the extruded profile exits the recipient at various positions. As a result, if necessary, the flow conditions within the recipient can be influenced and measured.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Ermittlung charakteristischer Materialkennwerte, insbesondere von Fließkurven, von Leichtbauwerkstoffen, insbesondere für das Strangpressen, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1. Eine derartige gattungsgemäße Vorrichtung wird dadurch in erfindungsgemäßer Weise weiter gebildet, dass die Vorrichtung eine Strangpressvorrichtung mit einem Rezipienten und einer Matrizenöffnung aufweist, in die eine Probe des Leichtbauwerkstoffes eingebracht und durch einen zu dem Rezipienten relativ beweglichen Stempel derart unter Druck gesetzt wird, dass der Leichtbauwerkstoff plastisch verformt und aus der Matrizenöffnung des Rezipienten gepresst wird, wobei in einem von der Matrizenöffnung entfernt angeordneten Bereich des Rezipienten mindestens eine Messeinrichtung im Bereich der Innenwandung des Rezipienten angeordnet ist, mit der die Scherkräfte des plastisch fließenden Leichtbauwerkstoffes im Bereich der Innenwandung des Rezipienten erfassbar sind. Durch die Anordnung mindestens einer Messeinrichtung im Bereich der Innenwandung des Rezipienten werden die Fließbedingungen und damit die Scherkräfte des Leichtbauwerkstoffes an den Innenwandungen des Rezipienten unmittelbar da erfasst, wo homogene Fließbedingungen vorliegen, und die erfolgt zudem bei den später im Produktionsbetrieb herrschenden Bedingungen wie Druck, Temperatur etc. und damit sehr realitätsnah. Dies erlaubt eine realitätsnahe Charakterisierung der Fließeigenschaften des Leichtbauwerkstoffes, die dann in die Simulation von auszulegenden Strangpressvorgängen eingeht und das reale Werkstoffverhalten des Leichtbauwerkstoffes sehr nahekommend beschreibbar macht.The invention further relates to a device for determining characteristic material properties, in particular of flow curves, of lightweight materials, in particular for extrusion, in particular for carrying out the method according to
Von besonderem Vorteil ist es, wenn eine Auswerteeinrichtung funktional derart mit der Messeinrichtung verbunden ist, dass die erfassten Scherkräfte des plastisch fließenden Leichtbauwerkstoffes im Bereich der Innenwandung des Rezipienten in eine Fließspannung des Leichtbauwerkstoffes umrechenbar sind. Hierzu müssen neben den gemessenen Scherkräften des Leichtbauwerkstoffes im Bereich der Innenwandung des Rezipienten auch die geometrischen Gegebenheiten des Rezipienten im Bereich der Messwerterfassung berücksichtigt werden, um aus den Scherkräften eine Fließspannung zu berechnen und damit zumindest einen Punkt der Fließkurve des Leichtbauwerkstoffes zu bestimmen. Bei mehreren gleichzeitigen Messungen von Scherspannungen an unterschiedlichen Stellen des Rezipienten werden diese Messwerte ebenfalls parallel in der Auswerteeinrichtung verarbeitet.It is particularly advantageous if an evaluation device is functionally connected to the measuring device such that the detected shear forces of the plastically flowing lightweight material in the region of the inner wall of the recipient can be converted into a yield stress of the lightweight material. In addition to the measured shear forces of the lightweight material in the region of the inner wall of the recipient, the geometric conditions of the recipient in the area of the measured value acquisition must be considered in order to calculate a yield stress from the shear forces and thus determine at least one point of the flow curve of the lightweight material. In the case of several simultaneous measurements of shear stresses at different locations of the recipient, these measured values are also processed in parallel in the evaluation device.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Messeinrichtung die Scherkräfte des plastisch fließenden Leichtbauwerkstoffes in axialer Richtung parallel zur Relativbewegung des Stempels erfasst.It is particularly advantageous if the measuring device detects the shear forces of the plastically flowing lightweight material in the axial direction parallel to the relative movement of the punch.
Es ist weiterhin denkbar, dass die Messeinrichtung eine Einrichtung zur lokalen Druckmessung im Bereich der auf die Innenwandung des Rezipienten einwirkenden Scherkräfte aufweist. Hierbei wird ausgenutzt, dass der Druck in dem plastisch fließenden Leichtbauwerkstoff im Bereich der Innenwandung des Rezipienten in allen Richtungen lokal gleich ist und gerade so groß, dass die Scherung des Leichtbauwerkstoffes stattfindet. An diesem Punkt, beispielsweise mit Hilfe einer Druckmessdose oder sonstiger Druckaufnehmer, gemessene Druckkräfte entsprechen hierbei den lokalen Scherkräften und können damit unmittelbar zur Bestimmung eines Punktes der Fließkurve genutzt werden.It is further conceivable that the measuring device has a device for local pressure measurement in the region of the shear forces acting on the inner wall of the recipient. This exploits the fact that the pressure in the plastically flowing lightweight material in the region of the inner wall of the recipient is locally the same in all directions and just so great that the shearing of the lightweight material takes place. At this point, for example with the aid of a pressure cell or other pressure transducer, measured pressure forces correspond to the local shear forces and can thus be used directly to determine a point of the flow curve.
Ebenfalls ist es denkbar, für die Messeinrichtung eine Einrichtung zur lokalen Dehnungsmessung zu nutzen, die Verformungen von im Bereich der Innenwandung des Rezipienten angeordneten Bauteilen misst. So könnte etwa in die Wandung des Rezipienten ein gezielt verformbares Bauteil eingebaut werden, dessen Verformung dann mit Hilfe von Dehnungsmessstreifen erfasst und als Ausgangsbasis der Scherkraftbestimmung genutzt wird. Vorteilhaft hierbei wäre, dass die Dehnungsmessstreifen nicht im Inneren des Rezipienten angeordnet sein müssten und daher verschleißärmer angeordnet sind.It is likewise conceivable to use a device for local strain measurement for the measuring device, which measures deformations of components arranged in the region of the inner wall of the recipient. For example, a specifically deformable component could be installed in the wall of the recipient, the deformation of which is then detected with the aid of strain gauges and used as the basis for determining the shear force. It would be advantageous in this case that the strain gauges would not have to be arranged in the interior of the recipient and are therefore arranged with less wear.
Von besonderem Vorteil für die Wirtschaftlichkeit der Nutzung der Vorrichtung ist es, wenn die Querschnittsabmessungen des Rezipienten entlang der Richtung der Relativbewegung des Stempels zwei oder mehrfach gestuft ausgebildet sind. Hierdurch bilden sich in jedem der abgestuften Bereiche des Rezipienten unterschiedliche Umformgeschwindigkeiten, was dazu genutzt werden kann gleichzeitig mehrere Punkte der Fließkurve des Leichtbauwerkstoffes zu bestimmen. Insbesondere, wenn in jedem der gestuft ausgebildeten Querschnittsbereiche des Rezipienten jeweils eine eigene Messeinrichtung zur Erfassung der Scherkräfte des plastisch fließenden Leichtbauwerkstoffes in diesem Bereich der Innenwandung des Rezipienten angeordnet ist, messen diese mehreren Messeinrichtungen gleichzeitig eine entsprechende Anzahl von Scherkräften, die aufgrund der unterschiedlichen geometrischen Bedingungen der gestuft ausgebildeten Querschnittsbereiche in unterschiedliche Punkte der Fließkurve des Leichtbauwerkstoffes umgerechnet werden können. Damit wird mit nur einem Pressvorgang eine ggf. schon ausreichende Charakterisierung des Umformverhaltens des Leichtbauwerkstoffes möglich, was besonders wirtschaftlich ist.Of particular advantage for the efficiency of the use of the device is when the cross-sectional dimensions of the recipient along the direction of the relative movement of the punch are formed two or more times stepped. As a result, different forming speeds are formed in each of the stepped regions of the recipient, which can be used to simultaneously determine several points of the flow curve of the lightweight material. In particular, if in each of the stepped trained cross-sectional areas of the recipient each have their own measuring device for detecting the shear forces of the plastically flowing lightweight material in this region of the inner wall of the recipient, these measure several measuring devices simultaneously a corresponding number of shear forces due to the different geometric conditions the stepped trained cross-sectional areas can be converted into different points of the flow curve of the lightweight material. Thus, a possibly already sufficient characterization of the forming behavior of the lightweight material is possible with just one pressing process, which is particularly economical.
In weiterer Ausgestaltung ist es denkbar, dass die Vorrichtung eine Heizeinrichtung, insbesondere eine induktive Heizeinrichtung aufweist, die die Temperatur bei der Umformung des Leichtbauwerkstoffes beeinflusst. Hierdurch kann der Einfluss der Temperatur bei der Umformung des Leichtbauwerkstoffes genau eingestellt werden, was sich zum einen auf die Genauigkeit der Charakterisierung des Umformverhaltens des Leichtbauwerkstoffes positiv auswirkt. Zum anderen kann die Heizeinrichtung auch gezielt dazu genutzt werden, dass Fließverhalten des Leichtbauwerkstoffes bei verschiedenen, für die Praxis relevanten oder interessanten Temperaturen zu ermitteln. Hierzu kann auch beitragen, dass die Vorrichtung durch eine ofenartige Kapselung oder dgl. thermisch isoliert ausgebildet ist, wodurch das Temperaturverhalten sehr konstant berücksichtigt werden kann.In a further embodiment, it is conceivable that the device has a heating device, in particular an inductive heating device, which influences the temperature during the deformation of the lightweight material. As a result, the influence of the temperature during the deformation of the lightweight material can be accurately adjusted, which on the one hand has a positive effect on the accuracy of the characterization of the forming behavior of the lightweight material. On the other hand, the heater can also be used specifically to determine the flow behavior of the lightweight material at different, relevant for practice or interesting temperatures. This can also contribute to the fact that the device is designed to be thermally insulated by means of an oven-like encapsulation or the like, as a result of which the temperature behavior can be taken into account very constantly.
In weiterer Ausgestaltung ist es denkbar, dass die Vorrichtung eine Messeinrichtung aufweist, mit der die Temperatur des stranggepressten Profils und damit die Werkstofferwärmung während und/oder nach der Umformung messbar ist. Hierdurch wird neben der Ermittlung des Fließverhaltens innerhalb des Rezipienten auch möglich, das Werkstoffverhalten des stranggepressten Profils in die Charakterisierung mit einzubeziehen, z. B. Temperaturveränderungen beim oder nach dem Austritt aus dem Rezipienten zu erfassen.In a further embodiment, it is conceivable that the device has a measuring device with which the temperature of the extruded profile and thus the material heating during and / or after the deformation is measurable. This will in addition to the determination of the flow behavior within the recipient also possible to include the material behavior of the extruded profile in the characterization, z. B. to detect changes in temperature during or after exiting the recipient.
Weiterhin ist es denkbar, dass die Vorrichtung automatisierte Einrichtungen, insbesondere Einrichtungen zum Speichern und zum Handling der Proben des Leichtbauwerkstoffes und/oder des stranggepressten Profils aufweist, so dass die Bestimmung der Fließspannung des Leichtbauwerkstoffes automatisiert erfolgt. Hierdurch können z. B. alle Funktionen der Vorrichtung im Zusammenhang mit der Durchführung des Verfahrens weitgehend ohne menschlichen Eingriff vorgenommen werden.Furthermore, it is conceivable that the device comprises automated devices, in particular devices for storing and handling the samples of the lightweight material and / or the extruded profile, so that the determination of the yield stress of the lightweight material is automated. As a result, z. B. all functions of the device in connection with the implementation of the method are made largely without human intervention.
Ebenfalls ist es denkbar, die Querschnittsform des Rezipienten nicht rund auszubilden, um das Fließverhalten des Leichtbauwerkstoffes weiter variieren und erfassen zu können.It is also conceivable that the cross-sectional shape of the recipient does not form around in order to further vary and detect the flow behavior of the lightweight material.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt die Zeichnung.A particularly preferred embodiment of the method according to the invention and of the device according to the invention is shown in the drawing.
Es zeigen:Show it:
In der
Der Rezipient
Um den Rezipienten
Der Aufnahmeraum des Rezipienten
Hierbei macht sich die Erfindung die Erkenntnis zu Nutze, dass der einstellende Stofffluss des Leichtbauwerkstoffes
Die Innovation der Vorrichtung besteht darin, die vorstehend beschriebene Erkenntnis zum Scherverhalten des Leichtbauwerkstoffes
Hierzu werden die Messwerte als axiale Kraft Faxial im Rezipienten
Die Axialkraft Faxial infolge der Scherung entlang der Innenwandung des Rezipienten
Daraus resultiert die Fließspannung kf (Annahme von Mises Fließkriterium) zu
Darin sind r der mittlere Radius der Randschicht, h die Höhe des Messbereichs, τmax die Schubfließgrenze des Werkstoffes, kf die Fließspannung des Leichtbauwerkstoffes
Unterschiedliche Umformgeschwindigkeiten des Leichtbauwerkstoffes
Anhand der gemessenen Scherkräfte
Die derart ermittelten Fließkurven dienen dabei z. B. als Verifikationsgrößen für eine numerische Simulation von Strangpressvorgängen für entsprechende Leichtbauwerkstoffe
Die Aufnahme der Fließkurven durch die Prüfanlage und die Bestimmung der Kennwerte entsprechend des Approximationsansatzes haben immer den gleichen Ablauf:
- – Definition der Prozessparameter für den Versuch
- – Einlegen der zylindrischen Probe des Leichtbauwerkstoffes
18 - – Durchführen der Strangpressumformung
- – Auswertung der Ergebnisse
- – Ermittlung der Kennwerte für eine vorgegebene Approximationsfunktion
- – Nutzung der Kennwerte im Simulationsmodell
- – Simulation und Verifikation anhand der Versuche.
- - Definition of the process parameters for the experiment
- - Insert the cylindrical sample of the
lightweight material 18 - - Performing the extrusion forming
- - Evaluation of results
- - Determination of the characteristic values for a given approximation function
- - Use of the characteristic values in the simulation model
- - Simulation and verification based on the experiments.
Um den Einfluss der Temperatur auf das Werkstoffverhalten für entsprechende Leichtbauwerkstoffe
Alternative Prüfanlagen können aktuell nicht die Zustände, die im Strangpressprozess bei der Umformung der Leichtbauwerkstoffe
Die Erfindung kann dazu dienen, Fließkurven von Leichtbauwerkstoffen
Sowohl durch die vereinfachte Probenfertigung als auch durch die Möglichkeit einer automatisierten Versuchsdurchführung können im Vergleich zu konventionell eingesetzten Vorrichtungen und Verfahren wie z. B. den Torsions- oder dem Stauchversuch erhebliche Kosten eingespart werden. Auch die Kosten der Vorrichtung selbst sind im Vergleich zu einem Torsionsversuchsstand (Gleeble) günstig. Vorsichtig geschätzt kann mit 1/4 der üblichen Kosten zur Fließkurvenaufnahme und Kennwertermittlung gerechnet werden.Both by the simplified sample production as well as the possibility of an automated test procedure can be compared to conventionally used devices and methods such. B. the torsion or compression test can be saved considerable costs. The cost of the device itself are compared to a Torsionsversuchsstand (Gleeble) favorable. Carefully estimated can be expected with 1/4 of the usual costs for flow curve recording and characteristic value determination.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Rezipientrecipient
- 22
- Stempelstamp
- 33
- Matrizedie
- 44
- Scherkraftmessung Innenwandung RezipientShear force inner wall Recipient
- 55
- Auswerteeinrichtungevaluation
- 66
- obere Traverseupper crossbar
- 77
- untere Traverselower crossbar
- 88th
- KraftmessdoseLoad cell
- 99
- Isolierunginsulation
- 1010
- Heizelementheating element
- 1111
- Ständerstand
- 1212
- Auffangbehälter ProfilCollection container profile
- 1313
- mittlere Traversemiddle crossbar
- 1414
- Ausfallöffnung ProfilFailure opening profile
- 1515
- Profilprofile
- 1616
- Thermoelementthermocouple
- 1717
- Signalleitungensignal lines
- 1818
- LeichtbauwerkstoffLightweight material
- 1919
- Scherkräfte in der RandschichtShearing forces in the surface layer
- 2020
- Dehnscheibenexpansion discs
- 2121
- erster Querschnittsbereich Rezipientfirst cross-sectional area recipient
- 2222
- zweiter Querschnittsbereich Rezipientsecond cross-sectional area recipient
- 2323
- Verstellbewegung mittlere TraverseAdjusting movement middle crosshead
- 2424
- Matrizenöffnungdie opening
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DE102014009557B4 (en) | Test device and method for determining material properties |
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