Warmumformen / Gesenkschmieden simulieren

Management Summary

Warmumformung mit Simufact Forming – Simulation und Realteil

Die numerische Simulation des Warm-Gesenkschmiedens gehört heute zum festen Bestandteil einer CAE-geprägten Entwicklungsumgebung.

Simufact Forming Warmumformung vereint eine leichte und intuitive Bedienbarkeit mit der verlässlichen Vorhersage von Schmiedeprozessen. Die Ergebnisse der Simulation finden dabei nicht nur in der Produkt- und Prozessentwicklung Anwendung, sondern auch in kontinuierlichen Verbesserungsprozessen. Nicht zuletzt hilft Ihnen die Simulation bereits in der Angebotsphase mit schnell verfügbaren Machbarkeitsstudien.

Als Simufact-Anwender erzielen Sie nachhaltige Einsparungen und Wettbewerbsvorteile, wie z. B.:

  • reduzierte Entwicklungskosten durch kürzere Entwicklungszeiten mit weniger Entwicklungsschleifen
  • reduzierte Erprobungskosten (Production Part Approval Process [PPAP] bzw. Prototyping, Nullserie)
  • mehr Neuteilgeschäft durch schnelleren „Start of Production“ (SOP)
  • sinkende Fixkosten durch höhere Maschinennutzungsgrade
  • geringere Qualitätssicherungskosten durch höhere Prozessstabilität und -qualität
  • geringere Herstellkosten durch bessere Materialausnutzung (Reduzierung Gratanteil  bzw. Überschussmaterial)
  • reduzierte Herstellkosten durch weniger Prozessstufen
  • weniger Ausschuss- und Nacharbeitskosten
  • geringe Werkzeugkostenumlage durch eine erhöhte Werkzeuglebensdauer
  • reduzierte Energiekosten durch optimale Abstimmung der einzelnen Prozessschritte
  • Vorhersage der Bauteileigenschaften

 

Modellierung kompletter Prozessketten

Mit Simufact Forming modellieren Sie die gesamte Prozessfolge in der Warmmassivumformung, beginnend mit der Vormaterialbereitstellung (Zuschnitte), einer ersten Wärmebehandlung bzw. Erwärmung, dem Stauchen und  Vor- und Fertigformen, dem Abgraten, Abscheren, Lochen oder Beschneiden, dem Kalibrieren, Abkühlen und einer abschließenden Wärmebehandlung

Was Experten sagen

„Im Wesentlichen konnten wir mit Hilfe der Simulation den Gesamtprozess hinsichtlich Prozessstabilität, Qualität, Steigerung der Produktivität und Materialersparnis verbessern. Umformsimulation bedeutet für uns Fortschritt, Weiterentwicklung und Kostenersparnis.”

Gerald Oppelt, Manager Production Technology, Uponor

Einsatz des Anwendungsmoduls Simufact Forming Warumumformung

Simulation einer Zange mit Simufact.forming

Das Anwendungsmodul Simufact Forming Warmumformung dient vornehmlich der Simulation von Massivumformprozessen mit Starttemperaturen oberhalb der Rekristallisationstemperatur.

Neben dem wohl typischsten und bekanntesten Prozessvertreter, dem Warm-Gesenkschmieden, werden auch alle erforderlichen und wichtigen Nebenprozesse wie Erwärmung und Abkühlung, Trennprozesse und Vorformoperationen (Stauchen, Biegen) abgebildet. Ergänzend können auch andere Verfahren der Warmmassivumformung, wie zum Beispiel Extrusionsprozesse (Strangpressen) mit diesem Modul modelliert werden. In Verbindung mit dem Anwendungsmodul Walzen lassen sich auch Reck- und Querwalzoperationen berechnen. Neben der frühen Kenntnis über den Werkstofffluss und potenzielle Fehler sowie typische Größen des Kraft- und Arbeitsbedarfes steht dem Anwender natürlich auch unsere bewährte und leistungsfähige Werkzeugbelastungsanalyse zur Verfügung.

Die realitäts- und fertigungsnahe sowie vor allem zeitsparende virtuelle Erprobung und Optimierung wird durch intuitiv zu bedienende Templates für alle gängigen Prozesstypen ermöglicht. Die Kinematik-Datenbank umfasst bedienungsfreundliche Eingabemasken für alle am Markt verbreiteten Umformmaschinen. Alle am Markt verbreiteten Umformmaschinen können über bedienungsfreundliche Eingabemasken abgebildet werden und für die spätere Wiederverwendung in die Kinematik-Datenbank integriert werden.

Die exklusive Dual-Solvertechnologie von Simufact Forming (Finite Elemente- und Finite Volumen-Solver) gibt dem Anwender eine problemorientierte und auf die jeweiligen Aufgaben perfekt zugeschnittene Simulationslösung an die Hand. Die Auswahl der jeweils optimalen Solvertechnologie erfolgt Template-gesteuert.

Der Detaillierungsgrad des Simulationsmodels ist mit den einfach zu bedienenden Standardfeatures ebenso beliebig erweiterbar - und reicht von der einfachen Stoffflussbetrachtung über die Analyse von eigenschaftsbestimmenden Gefügeentwicklungen unter Zuhilfenahme des Moduls Analysis bis hin zur Betrachtung komplexer Werkzeugsysteme und der Berücksichtigung der Maschinenelastizitäten.

Simulationsvideos Warmumformen

Mehrdirektionales:
Temperaturentwicklung beim mehrdirektionalen Schmieden von Messing. Simuliert mit Simufact Forming Modul Warumformung.

Helical Gear Forming:
Verwendung von zyklischer Symmetrie bei der Simulation des Schmiedens von schrägverzahnten Zahnrädern. Beispiel aus unseren Demos & Examples Simufact Forming

Pleuel
Temperaturentwicklung beim mehrstufigen Schmieden eines Pleuels. Simuliert mit Simufact Forming Modul Warumformung

Anwendungsfelder

Für die virtuelle Entwicklung und Optimierung kompletter Fertigungsprozesse und Prozessketten empfehlen wir die Kombination mit den Modulen Walzen, Werkzeugbelastungsanalyse und Wärmebehandlung.

Prozesse

  • alle Gesenkschmiede-Operationen (Vor- und Fertigschmieden)
  • Scheroperationen (Cutting)
  • Erwärmen und Abkühlen
  • Stauchen / Vordrücken
  • Biegen
  • Abgraten
  • Lochen
  • Fließpressen
  • Extrudieren

Werkstoffe und Sorten

Die Materialdatenbank enthält etwa 750 Werkstoffdatensätze mit allen relevanten Eisen-, Nichteisen- und Buntmetall-Werkstoffen und -Werkstofffamilien.

  • alle typischen und warmumformbare Stahlwerkstoffe und -legierungen
  • Superlegierungen auf Nickel- oder Titanbasis
  • Aluminiumknetlegierungen
  • Buntmetalle wie z. B. Kupfer und zugehörige Legierungssysteme wie Messing und Bronze

Darüber hinaus kann der Anwender über entsprechende Standardschnittstellen externe Werkstoffdaten z. B. aus JMatPro (Sentesoft) einlesen bzw. selbst definieren.

Umformmaschinen

Für alle gängigen und typischen Warmumformmaschinen stehen vordefinierte Maschinen-Templates zur Auswahl:

  • Weggebundene Maschinen: Keilpressen, Exzenterpressen, Scotch-Yoke-Pressen
  • Energiegebundene Maschinen: Gesenkschmiedehämmer (Fallhämmer, Oberdruckhämmer), Gegenschlaghämmer, Spindelpressen
  • Kraftgebundene Aggregate: Hydraulikpressen
  • Taumelpressen

Darüber hinaus können beliebige Bewegungsabläufe auch mehrerer bewegter Werkzeuge tabellarisch vorgegeben werden. Diese sind Zeit-, Geschwindigkeits-, Hub- oder Kraft-gesteuert möglich. Natürlich lassen sich über eine Standard-Schnittstelle (csv) auch reale Maschinendaten importieren.

Randbedingungen für die Warmumformung

Für die realistische Abbildung ihres Warmumformprozesses kann Simufact Forming je nach gewünschtem Detailierungsgrad zahlreiche Randbedingungen der zu untersuchenden Fertigungsstufen berücksichtigen:

  • Homogene und inhomogene Erwärmungszustände inklusive der damit verbundenen heterogenen thermischen Expansion des Umformgutes durch Simulation der Vorerwärmung als auch Abkühlphasen bei Transportvorgängen
  • Berücksichtigung von Schmierungszustand und Oberflächenbeschaffenheit der Umformwerkzeuge durch skalierbare Reibmodelle
  • Temperaturabhängigkeit zahlreicher physikalischer Randbedingungen für genaue Berechnungen
  • Berücksichtigung elastischer Auffederungs- bzw. Kippungseffekte der Umformmaschine
  • Voll gekoppelte Simulation mit elastisch-deformierbaren Werkzeugen

Erreichen Sie Ihre Optimierungsziele mit Simufact Forming Warmumformung

Optimierungsziele

  • Korrekte Vorhersage des Kraft-, Arbeits- und Energiebedarfes
  • Ermittlung der für ihre Bedingungen optimierten Stadienfolgen
  • automatisierbare Sensitivitätsstudien über alle Prozessstufen
  • Ermittlung des optimalen Arbeitspunktes für minimalen Materialeinsatz bei Sicherstellung robuster Fertigungsprozesse
  • Früherkennung potentieller Fertigungsfehler
  • Maximierung von Werkzeugstandzeiten
  • Definition geeigneter Prozessfenster
  • virtuelle Überprüfung von Spezifikationsmerkmalen, welche inline im Realprozess nicht messbar sind
  • Einstellung der geforderten Gefügestruktur (Zusatzoption - siehe Modul Microstructure Matilda)

 

Werkzeugbelastungsanalyse

Korrekte Vorhersage eines Werkzeugrisses – mit Abgleich zum realen Werkzeug (rechts)

Was Experten sagen

„Bei ca. 50-60 neuen Projekten pro Jahr sparen wir pro Projekt ein bis zwei Iterationen ein. Ohne konkrete Zahlen zu nennen kann man davon ausgehen, dass pro Variante bis zu fünfstellige Beträge entstehen können.“

Volker Berghold, Leiter der Konstruktionsabteilung, Schmiedag

Funktionale Highlights Simufact Forming Warmumformung

Die wichtigsten Funktionen von Simufact Forming Warmumformung auf einen Blick:

  • hohe Flexibilität durch Dual-Solver-Strategie (anwendungsoptimierte Berechnungsmethoden)
  • sichere und präzise Faltenerkennung mit Finite Volumen Solver bei gleichzeitig hoher Rechengeschwindigkeit (robuste, schnelle und einzigartige Definition von Maschinenelastizitäten (z. B. Pressensteifigkeit)
  • durchgängige Anwendung von elastisch-plastischer und thermomechanischer Kopplung im Materialmodell
  • Modellierung von Gefüge- und Phasenumwandlungen (Zusatzoption - siehe Modul Microstructure Matilda)
  • einfache Bedienung durch Vorlagen und Datenbanken, die fertigungsnahe Parameterdefinitionen bieten
  • präzise Modellierung der Tribologie durch innovative Reibmodelle
  • „Automatikmodus“ für physikalische Phänomene wie Reibung, Wärmeübergang und -strahlung
  • die Verfahrensmodellierung kann im Hinblick auf die Anzahl der Werkzeuge und die Zahl der Bewegungsfreiheitsgrade und Randbedingungen beliebig komplex ausgelegt werden, ohne dabei seine Nutzerfreundlichkeit zu verlieren
  • höchste Genauigkeit und Effizienz durch die Berücksichtigung schnell zu berechnender axial-symmetrischer 2D-Vorformen für die anschließende 3D-Berechnung
  • Automatische Verkettung aller Prozessschritte inklusive Übergang von 2D- zu 3D-Darstellung
  • schnelle 3D-Simulationen dank Parallelberechnung mit Mehrprozessor-Workstations und Clustersystemen in Verbindung mit intelligenten und adaptiven Vernetzungsstrategien
  • Abbildung der gesamten Prozesskette und damit Berücksichtigung der Fertigungshistorie
  • „Akademischer Modus“: GUI-unterstütztes Interface für die Einbindung eigener Subroutinen inklusive Definition neuer Knoten und Elementvariablen
  • Hochflexible Tabellensteuerung zur freien Definition von Kinematiken mit sechs translatorischen und rotatorischen Freiheitsgraden sowie hub-, geschwindigkeits- oder kraftgesteuerte Bewegungsabläufen
  • Einfache Definition und Einbindung von Maschinenelastizitäten

Maxipresse: 1.600 t, Schmiedung Ausgleichswelle, Sollgratdicke: 2,2 mm (gemessen: 2,05 … 2,25 mm), gemessene Presskraft ca. 1.550 bis 1.700 t

Grün: mit Berücksichtigung der Pressenelastizität, Gratdicke ist ein Ergebnis der Simulation: 2,16 mm

Rot: „starre“ Presse, Presskraft = 2.370 t, Gratdicke = 2,2 mm (entspricht eingestelltem Hub)

Referenzen

Eine große Zahl an Anwendern, darunter auch führende Maschinenhersteller, vertrauen auf die Simulationstechnologie von Simufact. Zu den Anwendern von Simufact Forming für die Warmumformung zählen unter anderem:

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SMS Meer

Informieren Sie sich hier über unsere Case Study mit der Firma Schmiedag:

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Uponor

Informieren Sie sich hier über unsere Case Study mit der Firma Uponor:

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Uponor

Informieren Sie sich hier über unsere Case Study mit der Firma Demshe Forge Inc. (englisch):

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