Numerische Modellierung von Schneidvorgängen mittels FE-Methode

Abstract

Die Simulation des Schneidvorganges setzt die Modellierung des Werkstoffes in seinen fuer den Schneidvorgang wesentlichen Eigenschaften voraus. Es sind dies dessen Fliesseigenschaften und Schaedigungsverhalten. Zur Bestimmung der Fliesskurven werden sowohl Flach-, (Mikro)-Rund- als auch kombinierte Walz/Flachzugversuche verwendet. Dabei hat sich gezeigt, dass der Walz/Flachzugversuch generell die besten Ergebnisse liefert. Zur Bestimmung des Schaedigungsverhaltens bzw. der fuer die Simulation benoetigten Schaedigungsparameter wird neben dem (Mikro)-Rundzugversuch auch auf mikroskopische Untersuchungen und Ergebnisse verfuegbarer Arbeiten zurueckgegriffen. Um die Qualitaet der Schneidsimulation beurteilen zu koennen, werden beim experimentellen Schneiden Kraft/Stempelweg Kurven aufgezeichnet, welche anschliessend mit den numerischen Ergebnissen verglichen werden koennen. Die erzielte UEbereinstimmung kann im Wesentlichen als zufriedenstellend bezeichnet werden. Zusaetzlich werden von den realen Schnittkanten sogenannte Querschliffe angefertigt und mit Feld-Plots, welche die Geometrie der numerisch gewonnenen Schnittkante zeigen, verglichen. Dieser Vergleich wird derart gefuehrt, dass die Geometrie der Schnittkanten, sowohl der experimentell, als auch der numerisch gewonnenen, gemaess einer Definition vermessen und diese Ergebnisse einander gegenuebergestellt werden. Auch diese UEbereinstimmung kann als zufriedenstellend bezeichnet werden. Da die vorliegende Arbeit Teil eines EGKS-Projektes zum Thema Kantenkorrosion an organisch beschichteten, geschnittenen Blechen ist, sind auch Korrosionstests bzw. deren Auswertung ein wesentlicher Bestandteil der vorliegenden Arbeit. Es wird untersucht, ob sich ein Zusammenhang, zwischen Ergebnissen aus der Simulation des Schneidvorganges und in Korrosionstests gefundener Kantenkorrosion, finden laesst,. Der Zusammenhang wird ueber die Geometrie der Schnittkante gesucht. Deshalb ist es zum einen wichtig, dass die experimentell gefundene Schnittkantengeometrie in guter Naeherung auch numerisch bestimmt werden kann (siehe oben) und weiter, dass in den Korrosionsuntersuchungen eine Abhaengigkeit der Kantenkorrosion (oder auch Kantenunterwanderung) von der Schnittkantengeometrie gefunden wird. Ein Teil der Experimente laesst zwar darauf schliessen, dass ein Zusammenhang zwischen Geometrie der Schnittkante und Kantenkorrosion besteht, aufgrund experimenteller Einschraenkung war eine Bestaetigung dieser Ergebnisse in weiteren Experimenten jedoch nicht moeglich. Als weitere Anwendungsfaelle der FE-Methode in der Simulation des Schneidvorganges werden unterstuetzende Berechnungen zur Auslegung einer Schere durchgefuehrt und der Frage nachgegangen, in welcher Form die FE-Simulation zur Optimierung des Besaeumvorganges beitragen kann. Die gegenstaendliche Arbeit war ausserdem Anlass zur Entwicklung sowohl computerunterstuetzter als auch vollautomatischer Bildverarbeitungsprogramme: Zur quantitativen Erfassung der Schnittkantenform wird diese - wie bereits erwaehnt - entsprechend einer Definition in spezielle Abschnitte unterteilt, welche dann zu vermessen sind. Um dabei die Schwankungen in der Ausbildung der Schnittkantengeometrie, beim Schneiden unter gleichbleibenden Bedingungen, erfassen zu koennen, muss mit ausreichend vielen Parallelproben gearbeitet werden. Um diesbezueglich den zeitlichen Aufwand in Grenzen zu halten, wird ein Programm zur computerunterstuetzten Vermessung der Schnittkantengeometrie geschrieben. Zur Beurteilung der Korrosion an der Schnittkante bzw. Lackunterwanderung im Bereich der Schnittkante wird urspruenglich ein manuelles Verfahren verwendet. Dieses ist aber nicht nur aeusserst zeitaufwendig, sondern auch etwas problematisch, was die Ergebnisse anbelangt. Um dem abzuhelfen, wird eine vollautomatische Bilderkennungssoftware geschrieben. Von den Schnittkanten, welche zum Beispiel im Salzspruehtest (SST) der Einwirkung eines Korrosionsmittels ausgesetzt waren, werden nun mittels gewoehnlicher Digitalkamera Aufnahmen gemacht, welche das Programm anschliessend, in einem sogenannten "Batch-Vorgang", vollautomatisch abarbeiten kann und als Ergebnis bereits statistisch ausgewertete Daten liefert. Dieses Programm wird auf die Moeglichkeit hin erweitert, auch Steinschlagproben auswerten zu koennen und gemeinsam mit einem Informatiker zu einem kommerziellen Produkt weiterentwickelt.

To be able to simulate the cutting process one first has to characterise the mechanical properties of the materials of interest. At least those properties have to be characterised, which are important for the cutting process: the materials plasticity and damage behaviour. To determine the flow curves that describe the plastic properties of the materials considered in this work, mainly tensile tests on flat samples and combined rolling- and tensile test experiments are done. For the determination of the damage behaviour besides mikro-tensile tests on cylindrical specimens also microscopic investigations are carried out. To be able to check for correspondence between experimental and numerical results the punching force as it evolves during the cutting process is recorded which can afterwards be compared to the numerical results. Also the geometry of the cutting edge, from the experiments and the simulation are compared. To be able to do this in a more quantitative way, the cut edges from micro photographs, showing the experimental result and the field plots showing the cut edge out of the simulation are described through so called cut edge parameters. To define these parameters, the cut edge is subdivided into certain regions which can be characterised through measuring their vertical or horizontal length and their vertical or horizontal angle (with respect to the undeformed top of the cut sheet). The correspondence between experimental and numerical results is found to be acceptable. As this work is part of an ECSC-project dealing with the corrosion of cut edges of organic coated sheets, also corrosion tests and the measurement of the degree of delamination at the cut edges are of interest. The investigations shall show whether there is a connection between the geometry of the cut edge and the degree of delamination as is found after the corrosion test in the region of the cut edge. This question couldn't be clarified satisfying because of experimental limitations. As further examples of application of the FE-Methode in the fields of the cutting process, three dimensional calculations, one assisting the design of an inline cutting tool and the other concerning investigations on the trimming of coils, are carried out. Also tools for computer assisted measurement and image processing are developed. One tool assists the measurement of the cut edge namely the determination of the cut edge parameters and the other one is a fully automatic image processing tool for measuring the degree of delamination in the region of the cut edge. The latter has been developed further into a commercial product called SMART which stands for Surface Multianalyses and Reporting Tool.