Chapter 17. Ermittlung von Werkstoffkenndaten für die numerische Simulation des Hochgeschwindigkeitsspanens

  1. em. Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. h.c. mult. H. K. Tönshoff and
  2. Dr.-Ing. C. Hollmann
  1. L. W. Meyer and
  2. T. Halle

Published Online: 30 SEP 2005

DOI: 10.1002/3527605142.ch17

Hochgeschwindigkeitsspanen metallischer Werkstoffe

Hochgeschwindigkeitsspanen metallischer Werkstoffe

How to Cite

Meyer, L. W. and Halle, T. (2004) Ermittlung von Werkstoffkenndaten für die numerische Simulation des Hochgeschwindigkeitsspanens, in Hochgeschwindigkeitsspanen metallischer Werkstoffe (eds H. K. Tönshoff and C. Hollmann), Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, FRG. doi: 10.1002/3527605142.ch17

Editor Information

  1. Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen, Universität Hannover, Schönebecker Allee 2, 30823 Garbsen, Germany

Publication History

  1. Published Online: 30 SEP 2005
  2. Published Print: 14 DEC 2004

ISBN Information

Print ISBN: 9783527312566

Online ISBN: 9783527605149

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Keywords:

  • Hochgeschwindigkeitsspanen;
  • numerische Simulation;
  • Ermittlung von Werkstoffkenndaten

Summary

Beim Hochgeschwindigkeitsspanen von metallischen Werkstoffen treten teilweise extreme Belastungen auf. Es werden Temperaturen bis zu 1000 °C, Dehngeschwindigkeiten bis equation image = 105 s−1 und Gesamtdehnungen von 2 erreicht. Für eine realitätsnahe Simulation werden Werkstoffkenndaten benötigt, die im oben genannten Beanspruchungsfeld ermittelt werden. Im Rahmen des DFG SPP Hochgeschwindigkeitsspanen wurden spezielle Hochgeschwindigkeitsprüfmethoden entwickelt und verifiziert. Erst damit wurde es möglich, an zwei Werkstoffen C45E und 40CrMnMo7 umfassende Untersuchungen des Hochgeschwindigkeits-Werkstoffverhaltens unter ein- und mehrachsigen Belastungen vorzunehmen und in parametrisierte Werkstoffmodelle zu überführen. Die Werkstoffmodelle werden in mehreren anderen Teilprojekten genutzt. Die neu entwickelten Prüfaufbauten werden kurz vorgestellt und die Qualität der Hochgeschwindigkeitsmessungen an Hand von Beispielen aufgezeigt. Neben den Untersuchungen zur Werkstofffestigkeit als Funktion von Temperatur, Dehnung und Dehngeschwindigkeit wurden an beiden Werkstoffen gestoppte Spanversuche in Kooperation mit der TU Magdeburg durchgeführt. Dabei zeigen beide Werkstoffe stark unterschiedliches Verhalten bei der sich einstellenden Spanform. Der Stahl 40CrMnMo7 segmentiert stark, während der Stahl C45E Fließspäne bildet. Mittels der Methode der Visioplastizität wurde C45E untersucht, der im Span vorliegende Verformungszustand analysiert und über eine Kopplung mit dem zuvor ermittelten Werkstoffmodell in Spannungen und Temperaturen überführt. Mittels Hochgeschwindigkeitsaufnahmen konnten auch die lokal auftretenden Dehnungen und Dehngeschwindigkeiten bestimmt werden. Da die Verformungen ohne ein Werkstoffmodell ermittelt werden können, ist dieses Verfahren sehr gut zur Validierung von FEM Simulationen verwendbar.

During the high speed cutting of metallic materials partially extreme conditions may occur. Temperatures up to 1000 °C, strain rates up to 105 s−1 and deformations above 2 are common. In order to perform realistic simulations of the cutting process, material data derived from tests at extreme conditions are necessary.

In the frame of the DFG-Priority Program “High Speed Cutting” special high-velocity test methods were developed and verified. Herewith, extended investigations on steel C45E and 40CrMnMo7 were performed to measure the material behaviour at high strain rates under uniaxial and multiaxial loading. The derived constitutive equations are used in other projects. After a short explanation of the developed test set-ups the quality of the high rate measurements are presented. Besides the investigations of stress as a function of temperature, strain and strain rate, stopped cutting tests on both materials were performed in cooperation with the TU Magdeburg. These tests revealed a different behaviour of the materials investigated during the formation of the chip shape. Steel 40CrMnMo7 showed a strong segmentation whereas steel C45E formed a continuous chip.

Steel C45E was investigated by means of visioplasticity. The strain conditions in the chip were analysed and used to calculate stresses and temperatures using the derived constitutive equations. High speed photography was applied to determine local strains and strain rates. Because those deformation patterns can be identified without a constitutive model, this method is very suitable to validate the finite element simulations.