Modelling of contact conditions in lubricated hot rolling of aluminium

Abstract

Die Vorhersage der Kontaktbedingungen in Metallumformungsprozessen ist für die Berechnung der Reibung und folglich für die Optimierung des Energieverbrauchs und der Qualität der gewalzten Produkte unerlässlich. Wenn man die zahlreichen Aspekte aufschlüsselt, die die Bildung und Entwicklung der realen Kontaktfläche in solchen Prozessen beeinflussen, kann man sagen, dass das Materialverformungsverhalten in Anwesenheit anderer Elemente des Tribosystems, wie Rauheit und Schmiermittel, die Kontaktbedingungen in der Metallumformung in hohem Maße bestimmt. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Modells zur Schätzung der tatsächlichen Kontaktfläche beim Warmwalzen von Aluminiumlegierungen. Erstens wurden zur genauen Darstellung des Werkstoffverhaltens thermo-viskoplastische konstitutive Modelle erstellt, die auf den Ergebnissen isothermer Warmpressversuche für eine 6061er Aluminiumlegierung bei Temperaturen von 400, 450, 500 und 550°C und Dehnungsraten von 0,1,1 und 10 s−1 basieren, die die Bedingungen des Warmwalzprozesses für diese Legierung reproduzieren. Zweitens wurde die Härte untersucht. Abgesehen von möglichen Unterschieden in den Materialeigenschaften zwischen der Masse und der Oberfläche des zu walzenden Werkstücks gibt es keine etablierte Beziehung zwischen der Härte und der thermo-viskoplastischen Fließspannung von Werkstoffen, die im Rahmen von Metallumformungsprozessen verwendet werden. In diesem Sinne wird eine solche Beziehung anhand von 6061 und 6016 Aluminiumlegierungen, die durch Warmwalzen hergestellt werden, mit Hilfe von optischer Mikroskopie, Vickers-Härteprüfungen bei verschiedenen Belastungen und Temperaturen sowie Finite-Elemente-Modellen untersucht. Nachdem festgestellt wurde, dass die Materialmodelle zur Beschreibung der Verformung auf der Oberflächenebene geeignet sind, können sie auf ein Kontaktmodell angewandt werden. Als dritte Aufgabe dieser Arbeit wird ein deterministischer Ansatz verwendet, um Unebenheiten einer rauen verformbaren Oberfläche darzustellen. Solche Geometrien werden in Finite-Elemente-Simulationen für Eindrücke implementiert, bei denen das eingedrückte Material thermo-viskoplastische Eigenschaften aufweist. Durch die Erstellung einer Datenbank mit Simulationsdaten ermöglichen Untersuchungen in Bezug auf die Kontaktlast und -fläche für die spezifisch geformten Unebenheiten eine Analyse des Einflusses der Materialeigenschaften auf das Last-Flächen-Verhältnis des Kontakts. Schließlich wird die Methodik der vorangegangenen Aufgaben angepasst, um ein Modell zur Abschätzung der tatsächlichen Kontaktfläche in einem Warmwalzstich von Aluminium zu entwickeln. Das Modell basiert nicht nur auf den thermoviskoplastischen Materialeigenschaften des warmgewalzten Werkstücks, sondern auch auf der gemessenen Walzentopographie einer realen Walze in der Industrie sowie auf zwei Fluideffekten: einer hydrodynamischen Rolle im Hinblick auf die Einlaufmechanik und die Bildung von Fluidkanälen und einer hydrostatischen Rolle im Hinblick auf die Bildung von Fluidtaschen

Predictions of the contact conditions in metal forming processes are essential for the calculation of friction and, consequently, the optimisation of energy consumption and quality of rolled products. When breaking down the numerous aspects affecting the formation and evolution of the real contact area in such processes, it can be said that, the material deformation behaviour in the presence of other elements of the tribosystem such as roughness and lubricant, greatly defines the contact conditions in metalforming. In this thesis, the main goal is to develop a model for estimating the real contact areain hot rolling of aluminium alloys. Firstly, in order to accurately represent the material behaviour, thermo-viscoplastic constitutive models were built based on the results ofisothermal hot compression tests for a 6061 aluminium alloy at temperatures of 400, 450,500, and 550°C and strain rates of 0.1, 1, and 10 s−1, which reproduced conditions of the hot rolling forming process for this alloy. Secondly, hardness was investigated. Besides possible differences in the material properties between bulk and surface of the workpiece being rolled, there is no established relation between hardness and the thermo-viscoplastic flow stress of materials used in the context of metal forming processes. In this sense, such relationship is investigated using 6061 and 6016 aluminium alloys manufactured by hot rolling, by using optical microscopy, Vickers hardness tests at different loads and temperatures, and Finite Element models. After establishing the material models are applicable to describe deformation at the surface level, their use can be applied to a contact model. As third task of this work,a deterministic approach is used to represent asperities of a rough deformable surface.Such geometries are implemented in indentation finite element simulations, in which theindented material has thermo-viscoplastic properties. By creating a database of simulation data, investigations in terms of contact load and area for the specifically shaped asperities allow for an analysis on the influence of the material properties on the load–area relation of the contact. Finally, the methodology of the previous tasks is adapted to develop a model for estimating the real contact area in a hot rolling pass of aluminium. The model is based not only on the thermo-viscoplastic material properties of the workpiece being hot rolled, but also on measured roll topography of an actual roll in the industry, and two fluid effects: a hydrodynamic role, in terms of inlet mechanics and formation of fluid channels, and a hydrostatic role, in terms of the formation of fluid pockets.