Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5459
Main Title: Friction in long bearing channels during multi-hole extrusion of aluminum alloy
Subtitle: experimental and numerical investigations
Translated Title: Reibung von Aluminumlegierungen in langen Presskanälen unter Strangpressbedingungen bei Verwendung von Mehrlochmatrizen
Translated Subtitle: experimentelle und numerische Untersuchungen
Author(s): Sanabria Rosas, Vidal R.
Advisor(s): Reimers, Walter
Referee(s): Reimers, Walter
Valberg, Henry
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: The friction behavior between the aluminum alloy EN AW-6060 and the hot working steel AISI H13 was investigated under extrusion conditions. The visco-plastic response of the EN AW-6060 was determined by means of hot compression tests at high different temperatures and strain rates. The Garofalo or Zener-Hollomon relationship was applied to model the flow stress. Furthermore, tribo-torsion-tests (IVP ETH Zurich) were carried out at low pressures to study the slipping friction behavior. In addition, a new friction device was developed to reproduce full sticking conditions. Thus, the sticking friction as well as the microstructural changes of the friction boundary layer could be analyzed. Full sticking conditions could be reproduced by the new friction device applying a normalized normal stress of 3.5. Simulations validated applying intern grid pattern technique showed high strains values (8 mm/mm) in the friction boundary layer. The experimental and numerical results suggest that the EN AW-6060 experiments a softening effect (>10%) during large deformation at high temperature (400 °C – 500 °C) and low strain rate. Based on the slipping and sticking friction results as well as the thermo-mechanical response of the EN AW-6060 a new friction model was developed. The new empirical formulation models not only the friction as a function of the pressure and temperature, but also introduces a physical boundary (maximal friction) related to the material model. Multi hole extrusion trials were carried out applying 0.5° relief, 0° parallel and +0.5° and +1° choked bearing channels. Moreover, evaluations of the bearing appearance and the microstructure of the friction boundary layers allowed the identification of the friction mechanisms and their interaction length inside the bearing channels. Thus, sticking friction at the inlet of the channels generated a grain refinement in the subsurface, resulting from the strong shearing. Slipping zones were also detected at the end of the bearing channels due to the reduction of the normal pressure. Multi-hole extrusion simulations applying the FEM-based software DEFORMTM were performed. A similar experimental product speed distribution could be numerically predicted applying the new friction model.
Das Reibungsverhalten zwischen der Aluminiumlegierung EN AW-6060 und dem Warmarbeitsstahl AISI H13 wurde unter Strangpressbedingungen untersucht. Das viskoplastische Verhalten der EN AW-6060 wurde mittels Warmdruckversuchen bei hohen Temperaturen und unterschiedlichen Verformungsgeschwindigkeiten bestimmt. Darüber hinaus wurde die Garofalo oder Zener-Hollomon Beziehung verwendet, um die Fließspannung zu modellieren. Außerdem wurden Versuche mit dem Tribo-Torsion-Test (IVP ETH Zürich) bei niedrigen Drücken durchgeführt, um das Gleitreibungsverhalten zu untersuchen. Zusätzlich wurde ein neuer Reibprüfstand entwickelt, um eine vollständige Haftreibung reproduzieren zu können. Somit konnten Haftreibungswerte bestimmt sowie mikrostrukturelle Veränderungen in der Reibungsgrenzschicht analysiert werden. Vollständige Haftreibung konnte durch den neuen Reibprüfstand mit einer normalisierten Normalspannung von 3,5 reproduziert werden. Numerische Simulationen der Haftreibungsversuche, die mit visioplastischen Experimente validiert wurden, zeigten hohe Dehnungswerte in der Scherzone (8 mm/mm). Die experimentellen und numerischen Ergebnisse der Haftreibung lassen vermuten, dass die EN AW-6060 in der Reibungsgrenzschicht bei hohen Temperaturen (400 °C - 500 °C) und niedrigen Verformungsgeschwindigkeiten signifikant entfestigen (>10%). Basierend auf den Gleit- und Haftreibungsergebnissen sowie dem thermomechanischen Verhalten der EN AW-6060 wurde ein neues Reibmodell für die Modellierung der Pressreibung beim Strangpressen entwickelt. Die neue empirische Formulierung modelliert nicht nur die Reibung als Funktion des Drucks und der Temperatur, sondern führt auch eine physikalische Grenze (maximaler Reibungswert) in Abhängigkeit von dem Materialmodell ein. Strangpressversuche mit EN AW-6060 unter der Verwendung einer Mehrlochmatrize mit erweiternden (-0,5°), parallelen (0°) und verengenden (+0,5°, +1°) Presskanälen wurden durchgeführt. Hieraus konnten durch die Analyse der Presskanaloberfläche und der Mikrostruktur in den Reibungsgrenzschichten die Reibungsmechanismen und ihre Wechselwirkungslänge identifiziert werden. Die Haftreibung am Presskanaleingang führte zu einer Kornfeinung in der Reibungsgrenzschicht infolge der starken Verformung. Am Ende der Presskanäle wurden Gleitreibungszonen beobachtet, die durch den abnehmenden Normaldruck erzeugt wurden. Das Strangpressen über die Mehrlochmatrize wurde mittels der FEM Software DEFORMTM simuliert. Durch das Implementieren des neu entwickelten Reibmodells in der Simulation konnten Strangaustrittsgeschwindigkeiten, die den realen Ergebnissen entsprechen, vorhergesagt werden.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5860
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5459
Exam Date: 27-Jun-2016
Issue Date: 2016
Date Available: 30-Aug-2016
DDC Class: DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::629 Andere Fachrichtungen der Ingenieurwissenschaften
Subject(s): friction
extrusion
simulation
sticking friction
aluminum alloy
Reibmodell
Strangpressen
Presskanal
Reibung
Aluminiumlegierung
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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