Analysis of stress pins for the local prestressing of cold forging tools

Abstract The trend towards lightweight design leads to an increasing demand for sophisticated part geometries with high functional integration. In order to use the advantages of cold forging regarding the time- and resource-efficient production of high-quality parts, high local stresses causing fatigue failure in geometrically complex tools have to be controlled. The objective of this manuscript is to analyse the use of stress pins for a local influence on the stress state within forging, especially in non-circular symmetrical cold forging dies. For this purpose, a closed-die forging process for elliptical parts is designed and analysed regarding the die stresses. Distinct areas with local compressive and tensile stresses occur in the process. To counteract the tensile stresses critical for fatigue failure, the effect of stress pins pressed into the die creating a local prestress is analysed. Around the pins, compressive radial and tensile tangential stresses occur. While large pin diameters, interferences and close positioning to the tensile area lead to an increasing prestressing effect, too high values of these parameters cause a detrimental superposition of tensile process and pin stresses. If used correctly, there is high potential to improve the stress state and tool life especially for locally stressed complex tools

Prestressing and fatigue failure of cold forging tools for non-circular symmetrical part geometries

Parallel erschienen als Druckausgabe bei FAU University Press, ISBN: 978-3-96147-741-8Die Kaltmassivumformung ermöglicht eine energieeffiziente Produktion hochbelastbarer metallischer Bauteile. Werkzeugermüdung infolge hoher Belastungen beeinträchtigt jedoch die Anwendbarkeit für anspruchsvolle Bauteilgeometrien, welche zu-nehmend an Bedeutung gewinnen. Daher wurden Werkzeugbelastung und Ermüdungsversagen von Matrizen mit unrunder Innenkontur in Abhängigkeit ihres Vorspannsystems untersucht. Hierzu wurden Belastungssimulationen sowie ein neu aufgebauter Ermüdungsversuch verwendet, in dem der Umformdruck durch die zyklische Kompression von Elastomeren nachgebildet wird. Kritische Zugbeanspruchungen entstehen in den Werkzeugbereichen, die am weitesten vom Inkreis der Innenkontur entfernt sind. Obwohl konventionelle Vorspannsysteme zu einem verbesserten Spannungszustand führen, trat im Modellversuch Ermüdungsversagen nach etwa 100.000 Zyklen auf. Daher wurden angepasste lokale Vorspannsysteme untersucht. Einerseits wird durch Aussparungen im Armierungsverband der Kontakt zwischen Matrize und Armierung lokal unterbrochen und damit eine vorteilhafte Biegespannung induziert. Andererseits erzeugen in die Matrizen gepresste Spannstifte in ihrem Umfeld Spannungen, die bei geeigneter Positionierung den Beanspruchungszustand verbessern. Im Modellversuch wurde eine erhöhte Lebensdauer um 150% für Aussparungen und um 16% für Spannstifte erreicht. Die lokalen Vorspannsysteme haben daher Potential für eine Erweiterung der Prozessgrenzen der Kaltmassivumformung zur Herstellung anspruchsvollerer Bauteilgeometrien.Cold forging enables the energy efficient production of high-strength metal parts. However, tool fatigue due to high forming forces impedes the applicability of forging processes for intricate part geometries, which are increasingly in demand. Therefore, tool stresses and fatigue failure in cold forging dies for parts with non-circular symmetrical cross-sections were analyzed depending on their prestressing system. The investigations were carried out using die load simulations and a newly developed fatigue test, in which the forging pressure is applied by cyclic compression of an elastomer specimen. Critical tensile tool loads leading to fatigue failure occur where the inner die contour deviates the most from a circular geometry. While conventional reinforcement systems are able to improve the stress state, fatigue failure still occurred after about 100,000 load cycles. Therefore, adapted prestressing systems using a local reinforcement effect were researched. On the one hand, gaps interrupting the contact between reinforcement and die induce a bending stress and locally increase the prestress in critical areas. On the other hand, stress pins pressed into the die create a local stress field around them and improve the stress state when positioned appropriately. Experimental analyses showed an increased die life of 150% for gaps and 16% for stress pins. These local prestressing systems therefore provide potential for enhancing process limits in cold forging to produce more complex part geometries

High speed optical quantum random number generation

10.1364/OE.18.013029Optics Express181213029-1303