Wolfgang Rasp

Effects of surface-topography directionality and lubrication condition on frictional behaviour during plastic deformation

Abstract Surface-topography, friction and plasticity form a complex system at the interface of a plastic deformation operation. Surface-topography before deformation affects the frictional behaviour at the interface, which in turn affects the level and distribution of plastic deformation. The surface-topography after deformation operations is determined by a combination of the initial surface-topography, the frictional behaviour at the interface and the level and distribution of the plastic deformation. Friction testing with the asymmetric friction upsetting (AFU) test machine and subsequent surface-topography analysis help to further clarify the relationship between surface-topography, interface friction and plasticity. The frictional conditions during testing are controlled via lubricant viscosity, film thickness, surface roughness, and deformation velocity. High and low viscosity lubricants are used in conjunction with a range of test speeds to produce frictional conditions in the boundary, mixed and hydrodynamic lubrication regimes. The effect of initial surface-topography was examined by preparing five different initial specimen surfaces and recording the surface-topographies before testing. Five surface conditions were used: as received, etched, coarse ground perpendicular to test direction, coarse ground parallel to test direction and polished. A correlation between surface-topography directionality and frictional resistance has previously been observed by testing specimens with grooves machined into the surface at a range of angles [A newly developed test method for characterization of frictional conditions in metal forming, in: Proceedings of the Eighth International Conference on Metal Forming, Krakow, 2000, pp. 91–97; Steel Res. 69 (1998) (4–5) 154–160; Beurteilung des Schmierungsverhaltens unterschiedlich texturierter Oberflachen mit Hilfe des Streifenziehversuches, Diplomarbeit Universitat, Gesamthochschule Duisburg, 1996]. In the current work coarse grinding is used in place of machined grooves. The scale of the effect from the surface-topography directionality is compared to the scale of the effect of lubricants, arithmetic roughness value and friction regime. Results indicate that arithmetic roughness value and lubrication regime have greater influence than directionality. These results can be explained via the application of lubrication regime theory and the importance of each component in determining the lubrication condition.

Development of deterministic-stochastic surface structures to improve the tribological conditions of sheet forming processes

Abstract In sheet-forming processes with mixed frictional state the tribological system is characterized to a great extent by the sheet-surface structure. This structure has the functions of storage, transport, and distribution of the lubricant, and take-up and transport of surface-abrasion particles. These functional characteristics are achieved by different of surface structure, the so-called stochastic and deterministic structures. The presence of micro channels connecting the surface pockets in stochastic structures allows the distribution of the lubricant in all directions but it is not possible to detain this lubricant in areas under high pressure, it simply flows aside. This ability is given by the isolated surface pockets (hydrostatic lubrication pockets) in deterministic structures. From this micro reservoirs the lubricant can be transported directly into the deformation zone by means of building up a hydrostatic pressure. However, because of the absence of micro channels it is not possible to transport the lubricant to all areas of micro contact between tool and sheet, the risk of cold-welding effects increases. Therefore, a new type of surface structure is developed by the combination of a deterministic and a stochastic sheet-surface structure. The results of strip-drawing experiments point out that the combination between isolated lubrication pockets and a network of micro channels to transport the lubricant in the space between these surface pockets leads to a improvement of the forming behaviour.

Development of a FEM-model for the simulation of the transfer of surface structure in cold-rolling processes

Abstract In the temper rolling process the effect of transferring the roll-surface structure to the steel sheet is purposively used to adjust a defined sheet-surface structure required for further processing. The objective of the investigation presented in this paper is to analyze the transfer behaviour specific to the electron-beam texturing technique (EBT) and, in addition to that, to develop a model for the simulation of these transfer characteristics. For this purpose in the first part the results of a study on the basis of rolling tests on an industrial temper mill are presented. These results do not only point out the basic transfer mechanisms - penetration processes and reverse extrusion phenomena - but beyond that also lead to an explanation of the transfer behaviour specific to the rolling conditions by the application of similarity numbers (substitute profile model). On the basis of these results in the second part a model is developed to simulate the transfer characteristics by the application of the finite element method (FEM).

Analysis of the asymmetric upsetting test with extremely high strain rate as tool for friction measurement

Abstract The upsetting of flat plates offers a way to analyse friction conditions in the interface area between tool and workpiece with regard to surface microstructure, lubrication, and material properties. If a plate is compressed between two punches and the friction conditions at both interfaces are different, the billet bends over at both sides of the punches. The final angle is a measure for the friction difference. In traditional friction tests the forming speed is too low or the specimen is deformed only at the surface. In most metal forming processes, e.g. rolling, friction conditions cannot be described precisely because of the unknown behaviour of the lubricant at high pressure or high deformation speed. The advantages of the test proposed here are simplicity, full deformation, and feasibility with high speed. The process is cost effective and does not require large scale equipment.

Experimental Verification of Dieless-Drawing Theories

The dieless-drawing method is described briefly. Because of the strong thermo-mechanical coupling it is difficult to solve the underlying differential equations. Therefore several assumptions have been made to obtain simplified but nevertheless realistic models of the process. For an axi-symmetric cylindrical model the heat-conduction equation can be solved analytically and the radial dependency can be studied. For thin specimens a one-dimensional model is capable of predicting the most important parameters like axial temperature distribution and the final shape of the deformation zone. In contrast to conventional drawing the dieless-drawing method provides the possibility of producing variable cross-sections. The necessary control function is given for an example of a linearly varying final shape.

Friction Measurement by Upsetting with Asymmetric Interface Friction

The upsetting of flat plates offers several ways to analyse the influences of surface microstructure, lubrication and material on friction. If the friction conditions at the two interface areas are different, the inflection of the billet gives a measure for the friction difference. The advantage of this test is that friction measurements with high speeds and full deformation are possible, e.g. drop forging. In traditional friction tests the forming speed is too low or the specimen is deformed only at the surface. In several metal forming processes, e.g. rolling, friction conditions cannot be described precisely because of the unknown behaviour of the lubricant at high pressure and at a high deformation speed. In addition, asymmetric friction conditions can be transferred to asymmetric conditions in rolling. Friction measurement with upsetting of flat specimens is cost effective and does not require large-scale equipment.

Kantenanschärfung beim Kaltwalzen von Band

Zur Untersuchung der Profilausbildung beim Kaltwalzen unter besonderer Berucksichtigung des kantennahen Bereichs wurde ein mathematisches Modell entwickelt. Durch die Kombination eines analytischen Ansatzes in Walzrichtung mit einem numerischen Ansatz in Breitenrichtung konnen bei kurzer Rechenzeit alle relevanten Geometrie- und Werkstoffparameter in das Modell einbezogen werden. Der Ansatz berucksichtigt die Wechselwirkung von elastischer Verformung des Walzensystems und plastischer Verformung des Bandes. Das aus dem Modell entwickelte Computerprogramm ist in der Lage, Stichfolgen auf Duo- oder Quartogerusten zu simulieren. Zielgrosen der Rechnung sind das Dickenprofil des auslaufenden Bandes und der ortliche Umformgrad, der Ruckschlusse auf die Planlage erlaubt.

Entwicklung eines mathematischen Modells für die Druckverteilungen und Deformationen in einem Sechs-Walzen-Walzwerk

Fur das mechanische Verhalten von Sechs-Walzen-Walzwerken wurde ein mathematisches Modell entwickelt, das samtliche elastischen und plastischen Formanderungen in ihrem Zusammenwirken beschreibt. Der Einflus der Zwischenwalzenverschiebung und der Walzenbiegung auf die Walzdruckverteilung und das Bandprofil wurde berechnet. Angestrebt wird ein konstanter Umformgrad uber der Bandbreite. Andernfalls ergeben sich unterschiedlich grose Langen der einzelnen Bandfasern. Diese oL/L-Verteilungen beschreiben die Auswirkungen der einzelnen Stellmechanismen auf die Planheit des auslaufenden Bandes. Zur Veranschaulichung der Auswirkungen der Walzparameter auf die Mas- und Formgenauigkeit des gewalzten Bandes wurde ein Planheits-Kennfeld vorgeschlagen. Es konnte gezeigt werden, das in Verbindung mit der CVC-Technik im Vier-Walzen-Walzwerk qualitativ vergleichbare Stellmechanismen zur Verfugung stehen.

Einfluß des indirekten Drucks auf die Breitung beim Warmwalzen

Beim Walzen in Kalibern sind Teile der Walzbahn zur Walzenachse geneigt. In diesen Bereichen wird der Druck in eine vertikale (direkte) und eine horizontale (indirekte) Komponente zerlegt. Ziel der Untersuchung war der Einflus des Verhaltnisses von indirektem zu direktem Druck auf die Breitung. Dazu wurden Versuche an einem Laborwalzwerk und Berechnungen nach der Methode der oberen Schranke fur die Umformleistung durchgefuhrt. Neben der Probengeometrie und der Hohenabnahme wurde der Walzbahnneigungswinkel als wesentliche Einflusgrose auf das Breitungsverhaltnis bestatigt. Die Walztemperatur und die Walzgeschwindigkeit haben dagegen nur untergeordnete Bedeutung fur den Stoffflus. Basierend auf den Versuchsdaten wird eine Breitungsformel angegeben, die fur Walzbahnneigungswinkel bis 60° anwendbar ist und als Sonderfall auch das Flachwalzen beinhaltet.

Einfluß der Reibung auf den Werkstofffluß in Breitenrichtung beim Warmwalzen von Stahl

Bei nahezu allen Umformverfahren spielt die Reibung zwischen Werkzeug und Werkstuck eine entscheidende Rolle. Sie beein-flust den Werkstoffflus, den Kraft- und Arbeitsbedarf, den Werkzeugverschleis und schlieslich die Qualitat des Fertigerzeugnisses. Mit wachsender Verfugbarkeit uber numerische Rechenmethoden, mit denen heute Umformprozesse mathematisch umfassend simuliert werden konnen, sind vertiefte Kenntnisse uber die Reibung beim Umformen dringlicher geworden. Es wurde der Zusammenhang zwischen der Breitung beim Warmwalzen und der Reibung untersucht. Zur Bestimmung von Reibungsfaktoren wurde der Warm-Ringstauchversuch herangezogen, bei dem die Veranderung des Innendurchmessers der Ringprobe ein empfindliches Mas fur die Reibung darstellt. Zur Kalibrierung dieses Versuches wurde die Methode der finiten Elemente (FEM) herangezogen. Naher untersucht wurden die Einflusse von Werkstoff, Umformgrad, Umformgeschwindigkeit, Temperatur und Schmierstoff. Die Ergebnisse wurden herangezogen, um die Breitungsmessungen an Flachproben an einem Versuchswalzwerk zu interpretieren. Wahrend sich unterschiedliche Stahle kaum auf die Breitung auswirkten, wurde sie durch Schmierung deutlich herabgesetzt. Die Zunahme der Breitung mit der Reibung wachst mit der Hohenabnahme des Walzguts. Dieser Effekt macht sich allerdings erst bei mehr als 20% Abnahme bemerkbar. Auch die Walzversuche wurden durch die Methode der oberen Schranke fur die Umformleistung theoretisch untermauert.