Qualification of a fatigue test for the investigation of the behavior of high-strength tool materials under realistic conditions by elastomer compression
Third party funded individual grant
Start date : 01.01.2022
End date : 31.12.2023
Project details
Short description
Tools and tool failure have major influence on the economic efficiency of cold forging processes. In order to minimize losses due to machine downtimes, it is necessary to accurately predict the service life. A challenge in the prediction of tool life is that there is little data on the fatigue behaviour of the used high strength steel materials. In addition, the quality of the available data is limited, as it does not reflect the multi-axial stress conditions of cold forging. The objective of the research project is therefore to investigate a new fatigue test, which can realistically model the stress state occurring in cold forming tools considering both the multi-axiality and the application of compressive prestresses. For this purpose, an elastomer made of polyurethane is used as a pressure medium in a tool for fatigue testing. A cyclic hydrostatic pressure is applied by the repeated compression of the elastomer. The comparability of the tool stresses to the forming of steel is ensured by analyzing the stresses both numerically and experimentally. A challenge in the experimental concept is wear on the elastomer specimen, which is to be minimized by adapting the test parameters. In order to illustrate realistic load cases, the transferability of the test results to systems under preload is demonstrated. In a combined numerical-experimental approach, both conventional reinforcements and new concepts for local prestressing will be investigated. This enables the identification of cause effect relationships between the stresses and strains caused by the reinforcement and the service life of the tools under realistic loads. Finally, the obtained results will be used to evaluate the potential of the test and the benefit compared to conventional fatigue tests.
Scientific Abstract
Werkzeuge und Werkzeugausfall haben einen großen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit von Kaltmassivumformprozessen. Eine Herausforderung bei der Vorhersage der Werkzeuglebensdauer ist, dass es wenige Daten zum Ermüdungsverhalten der eingesetzten hochfesten Werkstoffe gibt. Zudem ist die Aussagekraft der verfügbaren Daten begrenzt, da diese den mehrachsigen Beanspruchungszustand der Kaltmassivumformung nicht abbilden. Das übergeordnete Ziel des Forschungsvorhabens ist daher die Untersuchung eines neuen Ermüdungsversuchs, welcher realitätsnah den Beanspruchungszustand der Massivumformung abbilden kann. Es soll sowohl die Mehrachsigkeit als auch die Vorspannung der Werkzeuge und deren Wechselwirkungen mit den entstehenden Beanspruchungen berücksichtigt werden. Hierzu wird über die wiederholte Kompression eines Elastomers ein zyklischer hydrostatischer Druck auf hohle Ermüdungsproben aufgebracht. Herausforderungen beim Versuchskonzept betreffen die Gewährleistung konstanter Versuchsbedingungen insbesondere hinsichtlich der Berücksichtigung von Verschleiß am Elastomer. Durch eine geeignete Einstellung von Parametern soll dieser minimiert werden. Weiterhin werden die durch die Elastomerkompression entstehenden Belastungen numerisch sowie experimentell untersucht und damit sichergestellt, dass diese vergleichbar zu Beanspruchungen der Massivumformung sind. Das somit bestehende Versuchskonzept wird zur Analyse der Werkzeuglebensdauer mit unterschiedlichen Vorspannungskonzepten eingesetzt. Dies ermöglicht die Identifikation von Ursache-Wirkzusammenhängen zwischen den durch die Armierung wirkenden Spannungen und Dehnungen sowie der Lebensdauer der Werkzeuge unter realistischen Beanspruchungen. Abschließend soll mithilfe der erzielten Ergebnisse eine Bewertung des Potentials des Versuchs und des Mehrwerts gegenüber konventionellen Ermüdungsversuchen erfolgen.
