Modellhafte Beschreibung eines diskreten Mikroumformprozesses

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit sollte die Möglichkeit einer modellhaften Beschreibung eines Mikroumformprozesses untersucht werden. Im konkreten Fall handelt es sich bei diesem Umformprozess um eine Deformation, welche im Zuge eines sogenannten maschinellen Oberflächenhämmerns (engl. Machine Hammer Peening - MHP) auftritt. Das neuartige MHP-Verfahren bietet großes Potential in vielerlei Hinsicht, weshalb großes Interesse besteht, den gesamten Prozess durch eine geeignete Simulation abbilden zu können. Damit soll möglich werden, die Auswirkungen von diversen Prozessparametern auf die Bearbeitung zu untersuchen. Für die Umsetzung wurde somit eine ausführliche Recherche zu den Grundlagen und dem Stand der Technik durchgeführt. In weiterer Folge wurde ein skriptbasiertes Einzelschlagmodell mit Python aufgebaut. Als Simulationsumgebung diente die FE-Berechnungssoftware Abaqus. Das Modell der Werkstückprobe besteht aus linearen 3D-Volumenelementen, welche mit halbunendlichen Elementen umrandet wurden, um so die Reflexion an den Modellrändern zu minimieren. Der Hammerkopf ist durch ein Kugelsegment verkörpert, welches mit starren Oberflächenelementen modelliert ist. Für die Materialmodellierung wurden jene Modelle verwendet, welche standardmäßig in Abaqus implementiert sind und die dafür nötigen Materialparameter in der Literatur zur Verfügung stehen.Das Einzelschlagmodell ist anschließend zu einem Mehrschlagmodell erweitert worden, bei dem einzelne Einschläge mit vorgegebenem Abstand und Richtung aneinander gereiht wurden. Es kommt dadurch zu einer zyklischen Belastung, wodurch eine andere Materialmodellierung notwendig wird, welche die Effekte einer zyklischen Belastung wiedergeben kann. Durch den Vergleich zweier Materialmodelle, welche zur Abbildung des Mehrschlagprozesses verwendet wurden, konnte die Problematik und Wichtigkeit der Materialmodellierung zum Vorschein gebracht werden. Für die Validierung des Einzelschlagmodells wurde ein Kugelfalltest durchgeführt. Mit insgesamt zwei Versuchsreihen konnte so eine sehr gute Übereinstimmung zwischen Modell und Simulation präsentiert werden. Aus diesem Grund kann zusammenfassend festgehalten werden, dass ein validiertes Einzelschlagmodell vorliegt und für eine korrekte Beschreibung eines Mikroumformprozesses mit mehreren Einschlägen ein dafür geeignetes Materialmodell von enormer Wichtigkeit ist. Darüber hinaus müssen Materialparameter für jeden zu untersuchenden Werkstoff zur Verfügung stehen. Ist diese Voraussetzung gegeben, kann eine Ausweitung zu einer gesamtheitlichen Betrachtung des MHP-Prozesses erfolgen.

Within the scope of this work, the possibility of a model description of a micro-formingprocess should be investigated. In concrete terms, this forming process is a deformation that occurs in the course of what is known as machine hammer peening (MHP). The new MHP process offers great potential in many ways, which is why there is a great interest in being able to describe the entire process using a suitable simulation. This should make it possible to examine the effects of various process parameters on the MHP machining.In response to the aim of the work, a detailed research on the basics and the state of the art was carried out. A script-based single impact model was then built up with python.The FE calculation software Abaqus served as the simulation environment.The model of the workpiece sample consists of linear 3D volume elements, which have been framed with infinite elements in order to minimize the reflection at the model edges.The hammer head is embodied by a spherical segment, which is modeled with rigid surfaceelements. For the material modeling, those models were used which are implemented as standard in Abaqus and the necessary material parameters are available in the literature.The single impact model was then expanded into a multiple impact model, in which individual impacts were strung together with a specified distance and direction. This leads to a cyclic load, which means that a different material modeling is necessary, which can reproduce the effects of a cyclic load. By comparing two material models, which were used to describe the multi-impact process, the problem and importance of material modeling could be brought to light.A ball drop test was carried out to validate the single impact model. With a total of twotest series, a very good match between model and simulation could be presented.For this reason, it can be stated in summary that a validated single impact model is available and a suitable material model is of enormous importance for a correct description of a micro-forming process with several impacts. In addition, material parameters must be available for each material to be examined. If this requirement is met, the modeling oft he forming process can be expanded to get a holistic view of the MHP treatment.