Optimierung von Verbindungselementen

COLDFORM fastener simulation

Schrauben, Bolzen, Muttern, Unterlegscheiben, Nieten, Stehbolzen… Befestigungselemente aus Metall sind manchmal kritische Teile, da ihr Qualitätsniveau die Sicherheit und hohe Schlagfestigkeit der Endteile gewährleistet, insbesondere in der Automobilindustrie.

Die Entwicklung der richtigen Befestigungslösung ist mit technischen Herausforderungen verbunden: Definition der Abfolge der Formgebung, Senkung der Produktionskosten, Einhaltung der gewünschten Geometrie und des Gewichts, Verbesserung der Produktleistung, Schonung der Werkzeuge usw.

Daher ist es wichtig, die digitale Simulation im Vorfeld einzusetzen, um den Prozess und das Endprodukt zu analysieren und zu optimieren. Außerdem lassen sich dadurch die Entwicklungszeit sowie die Test- und Produktionskosten verringern.

 

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Simulation für die Herstellung von Befestigungselementen

Die Simulation trägt dazu bei, sämtliche Schritte des Herstellungsprozesses für Verbindungselemente zu beherrschen, vom Drahtziehen bis zum Scheren, Kaltsumformen und dann Gewindewalzen bis zur Wärmebehandlung.

Berücksichtigung der phosphatierten Oberfläche

Die Verwendung von phosphatiertem Stahl verringert den Verschleiß von Werkzeugen und Matrizen. Es ist möglich, die phosphatierte Oberfläche des Drahtes bei der Dateneingabe zu berücksichtigen.

COLDFORM_phosphate

Phosphatierfunktionalität in COLDFORM® verfügbar

 

Berücksichtigung der anfänglichen plastischen Verformung, die durch das Drahtziehen verursacht wird

Vor dem Kaltumformen wird der Draht zu Spulen mit dem gewünschten Durchmesser gezogen. In der Regel wird der gezogene Draht anschließend einer Wärmebehandlung unterzogen, dem sogenannten Sphäroidisierungsglühen. Wird diese Wärmebehandlung nicht durchgeführt, muss die durch das Drahtziehen verursachte plastische Verformung bei der Simulation berücksichtigt werden. COLDFORM® ermöglicht die Initialisierung der Felder entlang einer Achse oder eines Radius. Diese Funktion ermöglicht die Definition der anfänglichen plastischen Verformung entlang des Radius des Rohlings.

Anwendung für ungeglühten Draht vor der Formgebung:

COLDFORM_wire_drawing

Links: Initialisierung der plastischen Verformung
Rechts: Vergleich der Tonnage, die bei der Umformung eines vorgezogenen und eines geglühten Drahtes erzielt wird

 

Scheren

Der zweite Verfahrensschritt, der simuliert werden kann, ist das Scheren des Metalldrahts, der zur Herstellung kleiner Rohlinge erforderlich ist.

Mit unserer Software kann die erforderliche Scherkraft je nach Drahtstärke, Material, Maschinenparametern usw. gemessen werden.

Die gescherte Oberfläche wird mithilfe der adaptiven Neuvernetzungstechnik genau vorhergesagt.

 

HubSpot Video

Simulation des Scherens eines Rohlings. Mit freundlicher Genehmigung von Hatebur.

 

Stauchprozess

Der Stauchprozess wird anschließend so entwickelt, dass eine gute Materialverteilung, die Abwesenheit von Defekten und ein ausgewogenes Verhältnis der Schlagkräfte auf jeder Stufe gewährleistet sind. Die Schritte sind in COLDFORM® definiert und es können verschiedene Arten von Ergebnissen analysiert werden:

  • Auf dem Teil: die endgültige Geometrie unter Berücksichtigung der Rückfederung, des Materialflusses im Hohlraum, des Auftretens und der Entwicklung von Fehlern (Falten, Risse, Unterfüllung, Saugfehler, schlechte Fasern usw.), der internen Spannungen, der Temperatur, der Härte usw.
  • Auf den Matrizen: abrasiver Verschleiß, interne Spannungen, Ermüdung usw.
  • Auf der Presse: die Tonnage

COLDFORM_forging_sequence

Fallstudie: Stauchprozess einer Sechskantschraube

Dieses Beispiel zeigt eine Schmiedesequenz für die Herstellung einer Schraube, die vom Institut Miguel Altuna (Spanien) durchgeführt wurde. Das Verfahren wurde auf COLDFORM® in 5 Schritte aufgeteilt:

  • Vorwärtsstrangpressen
  • Formgebung des Kopfes
  • Verringerung des Sechskantkopfes
  • Formgebung des Kopfes + Rückwärtsextrusion
  • Vorwärtsstrangpressen

Die ersten drei Schritte wurden in 2D (achsensymmetrischer Teil der Umwälzung) und die letzten beiden Schritte in 3D simuliert.

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Modellierung aller Phasen der Schmiedesequenz

Die Analyse der Verformung, Spannungen, Temperatur usw. kann für jeden Schritt der Sequenz durchgeführt werden.

Cold_forging_sequence_Miguel_Altune

Schmiedesequenz einer Torx-Sechskantschraube. Reales Werkstück vs. Simulation
Mit freundlicher Genehmigung des Miguel Altuna Instituts Spanien

 

Gewindewalzen

COLDFORM® simuliert zudem den Prozess der Gewindeerzeugung rund um die Schraube. Der Kontaktalgorithmus und das Zeitintegrationsschema machen die Gewindesimulation vollständig vorhersehbar: Die Software modelliert die tatsächliche Kinematik, die auf das Werkzeug einwirkt, und zeigt die internen und externen Spannungen auf.

HubSpot Video

Modellierung des Anstiegs der äquivalenten Spannungen beim Gewindeschneiden
Mit freundlicher Genehmigung des Miguel Altuna Instituts

Mit Hilfe einer Schnittebene kann man die Unterfüllungsbereiche auf dem Schraubengewinde vorhersehen.

COLDFORM_thread_rolling_underfilling

Hervorhebung von unterfüllten Bereichen auf dem Gewinde

 

Wärmebehandlung

Die Befestigungselemente müssen einen hervorragenden Widerstandsgrad gewährleisten, da sie häufig in Bereichen mit hoher Zugbelastung eingesetzt werden. Um die gewünschten metallurgischen und mechanischen Eigenschaften zu erreichen, führen die Hersteller Wärmebehandlungen wie Erwärmung, Härtung und Anlassen durch.

Nach der Simulation der Kaltumformung auf COLDFORM® kann dieser Vorgang mit unserer SIMHEAT®-Software simuliert werden.

SIMHEAT_fastenerEntwicklung der Härte einer Schraube nach dem Anlassen

 

Wettbewerbsvorteile von COLDFORM® für Befestigungselemente

  • Materialdatenbank mit mehr als 250 Referenzen für die Kaltumformung. Kompatibilität mit den JMatPro-Materialdatenbanken.
  • Werkzeug zur Erzeugung von Kaltrheologie, um Ihre eigene Materialdatei zu erstellen.
  • Vorhersage der elastischen Rückfederung mit dem neuesten COLDFORM®-Inkrement, das die durch die elastische Rückfederung verursachte Verschiebung misst.

COLDFORM_forward_extrusion_meshing

Die blaue Vernetzung entspricht dem Inkrement des letzten Schritts der Formgebung. Der graue Teil entspricht dem Inkrement der elastischen Rückfederung. Die Verschiebung aufgrund der elastischen Rückfederung ist daher leicht zu erkennen.

  • Markierungsfunktion zur Visualisierung von Faserdefekten. Die Entwicklung der Fasern kann in jeder Phase des Schmiedeprozesses modelliert und im Modus „Dateneingabe“ oder „Analyse“ definiert werden.

COLDFORM_fiberingEntwicklung der Fasern in jedem Stadium des Kaltschlagens

  • Integrierte Beschädigungs- und Bruchkriterien (Latham & Cockroft, Oyane, Ryce & Tracey, Chaboche-Lemaitre…).
  • Multi-View-Fenster, um verschiedene Ergebnisse und verschiedene Blickwinkel gleichzeitig anzuzeigen und zu vergleichen. Es können bis zu neun Fenster gleichzeitig angezeigt werden.

COLDFORM_fasteners_multi-view

Anzeige von Multi-Views desselben Falls

  • Vordefinierte Kurven, um einen spezifischen Verlauf zu erstellen. Zum Beispiel: Kraft in Abhängigkeit von der Zeit.
  • Analyse der Spannungen auf dem Werkzeug, um das Bruchrisiko zu vermeiden und die Lebensdauer der Matrizen zu verlängern. Mehr erfahren
  • Metallurgische Analyse, um die mechanischen und metallurgischen Eigenschaften (Kornstruktur) zu gewährleisten.
  • Interoperabilität mit der Software SIMHEAT® zur Modellierung des Wärmebehandlungsschritts nach der Formgebung

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