FEM Analysis of Friction for Pressing Dies Controlled by Shot Treatment Translated title: FEM-Analyse der Reibung von kugelgestrahlten Schmiedegesenken

Abstract

The finite element method (FEM) analysis of elastic-plastic deformation was applied to examine the effect of surface texture controlling of dies by means of hybrid-shot (double shot by two different kinds of particles) treatment on the galling property applied to high tensile strength steel sheets. The FEM analysis results showed that the apparent friction coefficient, which was calculated from pressing load and the drawing force, increased with each increase in the pressing load. The experimental results from the drawing tests with lubricant oil showed that the friction coefficient of the die after hybrid-shot treatment decreased slightly with the increase of the pressing load. On the other hand, the friction coefficient of the die without shot treatment, (i.e. nearly flat surface), slightly increased with the increase of the pressing load due to the digging effect. These findings reveal that the effect of surface texture of dies was caused not only by the elastic-plastic deformation but also by the oil lubrication condition. The FEM analysis was therefore performed by taking into account the digging effect as well as the micro-oil pool effect. The experimental result in the case of hybrid-shot dies corresponds well to the FEM result by adopting the virtual oil model where the oil segment was defined as an elastic solid body.

Kurzfassung

Die Finite-Elemente-Methode (FEM)-Analyse von elastisch-plastischen Deformationen wurde angewandt, um den Effekt der Beeinflussung der Oberflächenstruktur (gestrahlt mit zwei unterschiedlichen Partikelarten) von Schmiedegesenken durch hybride Kugelstrahlbehandlung auf die Kaltverschweißungen bei der Bearbeitung von höherfesten Stahlblechen zu untersuchen. Die Resultate der FEM-Analyse zeigen, dass der auftretende Reibungskoeffizient, berechnet aus der Anpress- und Zugkraft, mit dem Anstieg der Anpresskraft zunimmt. Die experimentell gewonnenen Ergebnisse der Zugversuche mit Öl als Kühlschmierstoff zeigen, dass der Reibungskoeffizient der Schmiedegesenke nach der Kugelstrahlbehandlung mit steigender Anpresskraft leicht sinkt. Andererseits steigt der Reibungskoeffizient bei Schmiedegesenken ohne Kugelstrahlbehandlung (also nahezu glatter Oberfläche) mit steigender Anpresskraft aufgrund der zusätzlichen Spannungen durch elastisch-plastische Deformation (Aushubeffekt). Die Ergebnisse zeigen, dass der Effekt der Oberflächenstruktur von Schmiedegesenken nicht ausschließlich auf der elastisch-plastischen Verformung beruht, sondern ebenso auf den Kühlschmierstoffbedingungen. In der FEM-Analyse wurden daher sowohl der Aushubeffekt als auch der Effekt von Mikro-Ansammlungen des Öls berücksichtigt. Die experimentellen Ergebnisse bezüglich hybrid kugelstrahlbehandelter Schmiedegesenke korrelieren gut mit den Ergebnissen der FEM-Analyse unter Annahme eines virtuellen Öl-Modells, in dem dieses als elastischer, fester Körper definiert ist.