The goals of metal forming process design have long exceeded the mere shaping of
components. Changes of the component properties which are caused by forming, including
residual stresses, damage and work-hardening have received increasing attention
in the last years. If done right, the incorporation and control of property changes of
cold forged components in terms of numerical process simulations could significantly
improve the energy- and resource-efficiency of metal forming processes as well as the
components’ service life and performance. To predict and exploit the property changes
by means of numerical simulations, the exact incorporation of the workpiece material
behavior is of utmost importance. Up to now, anisotropic hardening is rarely considered
in the field of cold bulk metal forming making impossible a flawless prediction of a
component’s properties and its performance.
In the scope of this thesis, typical cold forging materials are characterized with regard
to their anisotropic work-hardening behavior exhibited at large strains. Tension, torsion
and upsetting of material specimens pre-strained by forward rod extrusion reveal the
material’s work-hardening behavior under a variety of different strain paths. It was
shown that all investigated materials exhibit an extensive Bauschinger effect, workhardening
stagnation and permanent softening which, up to now, are rarely considered
in cold forging simulations. All anisotropic hardening phenomena intensify drastically,
with the pre-strain.
The experimental data is utilized to select, modify, and fit constitutive models of increasing
complexity with the goal to capture all relevant work-hardening phenomena
exhibited in the course of strain path changes. A modified version of the Yoshida-
Uemori multi-surface model is successfully implemented and applied to improve the
prediction accuracy of cold forging simulations. Various hardening models were applied
to the simulation of basic single-stage cold forging processes, revealing, that the flow
stress and residual stresses as well as the ejector forces are strongly affected by strain
path changes, which cannot be captured with the common assumption of isotropic workhardening.
While the forming forces of single-stage cold forging processes are hardly affected by
anisotropic hardening, despite the occurrence of intrinsic strain path changes, the forming
forces in multi-stage forming operations are reduced significantly, if large regions
of the workpiece experience a strain path reversal. Lastly, it was shown that heat-treatments
subsequent to cold forging at temperatures between 300 °C and 600 °C lead to a
decrease of the Bauschinger effect, whereas work-hardening stagnation and permanent
softening decrease only at larger temperatures.Die Ziele bei der Gestaltung von Umformprozessen gehen längst über die reine Formgebung
hinaus. Die Vorhersage von Produkteigenschaften wie Eigenspannungen, Schädigung
und Kaltverfestigung, welche durch die Umformung verändert werden, hat in
den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Eine aktive Beeinflussung und
Ausnutzung der veränderten Bauteileigenschaften würde die Ressourcen- und Energie-
Effizienz von Kaltumformprozessen sowie die Leistungsfähigkeit der erzeugten Produkte
deutlich steigern. Um diese Änderungen der Eigenschaften mittels Simulationen
vorherzusagen und auszunutzen ist die exakte Einbeziehung des Werkstoffverhaltens
der Werkstücke während der Umformung von größter Bedeutung. Das anisotrope Verfestigungsverhalten
wird im Bereich der Kaltmassivumformung aktuell nur selten berücksichtigt,
wodurch eine Vorhersage der Bauteilleistungsfähigkeit nicht möglich ist.
Im Rahmen dieser Arbeit werden typische Werkstoffe der Kaltmassivumformung hinsichtlich
ihres anisotropen Verfestigungsverhaltens bei großen Umformgraden charakterisiert.
Durch Zug-, Torsions- und Stauchversuchen an Werkstoffproben, die durch
Voll-Vorwärts-Fließpressen umgeformt wurden, konnte das anisotrope Verfestigungsverhalten
unter einer Vielzahl unterschiedlicher Dehnpfade charakterisiert werden. Alle
untersuchten Werkstoffe zeigen dabei einen ausgeprägten Bauschingereffekt, Verfestigungsstagnierung
und eine bleibende Entfestigung, welche in der Kaltmassivumformung
bisher nicht berücksichtigt wurden. Sämtliche Effekte intensivieren sich drastisch
mit der Vordehnung.
Die experimentellen Daten werden verwendet, um konstitutive Modelle mit zunehmender
Komplexität auszuwählen, zu modifizieren und anzupassen, mit dem Ziel, alle relevanten
Verfestigungsphänomene zu erfassen. Das Mehrflächenmodell von Yoshida-
Uemori wird genutzt, um die Vorhersagegenauigkeit von Kaltumformsimulationen zu
steigern. Bei Verwendung des Verfestigungsmodells in Simulationen einstufiger Kaltumformprozesse
wurde gezeigt, dass die Fließspannung, Eigenspannungen und Auswerferkräfte
stark von einer Dehnpfadumkehr beeinflusst werden, welche durch konventionelle
isotrope Verfestigungsmodelle nicht abgebildet werden können.
Während die Prozesskräfte bei einstufigen Kaltumformverfahren, trotz intrinsischer
Dehnpfadwechsel, kaum von anisotroper Verfestigung beeinflusst werden, führt eine
Dehnpfadumkehr bei mehrstufigen Umformvorgängen zu einer deutlichen Verringerung
der Umformkräfte. Weiterhin wurde gezeigt, dass eine Wärmebehandlung in Temperaturbereichen
zwischen 300 °C und 600 °C zu einer Verringerung des Bauschingereffektes
führt, während die Verfestigungsstagnation und bleibende Entfestigung erst bei
höheren Temperaturen abnehmen
