Development of a multi-scale friction model in consideration of contact pressure, sliding velocity and lubrication

Abstract

Sheet metal forming of advanced high strength steels (AHSS) has drawn significant attentions in automotive industry for their improved fuel efficiency by lightweightness and passenger safety by higher strength. However, the manufacturing of automotive parts with the AHSS accompanies inferior springback and formability compared to the conventional lower strength steels, which results in more time consuming trial and error in the tool design stage. To overcome this challenges in applying the AHSS to the automotive parts, finite element simulations have been commonly used as a numerical tool for predicting springback and formability of sheet metal parts prior to real try-out. Accurate modeling of finite element simulation in sheet metal forming process requires reliable numerical techniques, constitutive models, realistic boundary conditions, etc. Among these, the friction is one of important factors to determine the accuracy of the simulation, but it has been overlooked in most simulations. The frictional behavior in sheet metal forming is known to be very complex and depend on various parameters such as surface roughness, contact pressure, sliding velocity, lubrication condition, etc. However, it is a common practice to use the simplest Coulomb friction law in the finite element modeling. In the present study, a microscale asperity based friction model is further modified by imposing new model parameters for satisfying force equilibrium between contact surfaces. In addition, a geometrical shape model of the tool surface is newly proposed to determine the plowing effect of the friction. The tool geometry is modeled based on primary summits in tool height distribution determined by the measured wavelength, rather than the summits dependent on the resolution of surface measurement instrument. The friction models are required not only in the preceding boundary lubrication condition, but also in the mixed-boundary lubrication condition where sufficient lubrication exists in non-contacting surface valleys. The hydrodynamic friction model uses a load-sharing concept that considers the lubrication area and metal-to-metal contact separately. In this study, the hydrodynamic friction model is combined with the boundary lubrication friction model to account for the friction in the mixed lubrication domain. The lubricant film thickness, calculated as the volume of non-contacting surface valleys, is used to realize the coupling. The film lubrication behavior is implemented by the finite element coding of the Reynolds equation, which enables the calculation of the hydrodynamic pressure. To validate the boundary lubrication friction model, the calculated friction coefficient and the measured friction coefficient are compared according to the contact pressure under boundary lubrication conditions. Also, the boundary lubrication friction model is verified by the finite element simulation that is applied to the U-draw/bending process. Finally, the boundary lubrication friction model and the mixed boundary lubrication friction model are applied to the finite element simulation of the newly developed press-forming process, which represents the influence of various variables such as contact pressure, sliding speed and lubrication. The results of the validations show that the developed multi-scale friction models and their implementation can be efficiently used to the sheet metal forming simulations where the frictional behavior is critical for the quality of the automotive parts.

AHSS(고장력강판)의 판금 성형은 경량화에 의한 연비 향상과 고강도화에 의한 승객 안전으로 자동차 산업에서 큰 주목을 받고 있습니다. 그러나 AHSS를 이용한 자동차 부품 제조는 기존의 저강도 강재에 비해 스프링백 및 성형성이 좋지않기에 툴 설계 단계에서 시행착오가 더 많이 발생하게 됩니다. 자동차 부품에 AHSS를 적용할 때 이러한 문제를 극복하기 위해 유한 요소 시뮬레이션은 실제 시험 전에 판재 성형 부품의 스프링백 및 성형성을 예측하기 위한 수치해석적 도구로 일반적으로 사용되었습니다. 판재 성형 공정에서 유한 요소 시뮬레이션의 정확한 모델링은 신뢰할 수 있는 수치해석적 기술, 구성 방정식, 정확한 경계 조건 등이 필요합니다. 이 중 마찰은 시뮬레이션의 정확도를 결정하는 중요한 요소 중 하나이지만 대부분의 시뮬레이션에서 간과되어 왔습니다. 판재 성형에서 마찰 거동은 매우 복잡하고 표면 거칠기, 접촉 압력, 미끄럼 속도, 윤활 조건 등과 같은 다양한 매개변수에 따라 달라지는 것으로 알려져 있습니다. 그러나, 대부분의 유한 요소 해석에서 가장 간단한 쿨롱 마찰 법칙을 사용하는 것이 일반적입니다. 본 연구에서는 접촉면 사이의 힘 평형을 만족시키기 위해 새로운 모델 매개변수를 부과하여 마이크로 스케일 돌기 기반 마찰 모델을 추가로 수정했습니다. 또한 마찰의 쟁기질 효과를 결정하기 위해 툴 표면의 기하학적 형상 모델이 새로 제안되었습니다. 툴 형상은 표면 측정 장비의 분해능에 의존하는 정점이 아니라 측정된 파장에 의해 결정되는 툴표면 높이 조도의 서밋을 기반으로 모델링됩니다. 마찰모델은 경계윤활조건뿐만 아니라 충분한 윤활이 존재하는 혼합경계윤활조건에서도 필요하다. 유체역학적 마찰 모델은 윤활 영역과 금속 대 금속 접촉을 별도로 고려하는 하중 공유 개념을 사용합니다. 본 연구에서는 유체역학적 마찰 모델을 경계 윤활 마찰 모델과 결합하여 혼합 윤활 영역의 마찰을 설명합니다. 비접촉 표면 밸리의 부피로 계산된 윤활유 필름 두께는 커플링을 구현하는 데 사용됩니다. 필름 윤활 거동은 유체역학적 압력의 계산을 가능하게 하는 Reynolds 방정식의 유한 요소 방법을 사용해 구현됩니다. 경계 윤활 마찰 모델을 검증하기 위해 경계 윤활 조건에서 접촉 압력에 따라 계산된 마찰 계수와 측정된 마찰 계수를 비교합니다. 또한 경계 윤활 마찰 모델은 U-draw/bending 과정에 적용된 유한 요소 시뮬레이션을 통해 검증되었습니다. 마지막으로 경계 윤활 마찰 모델과 혼합 경계 윤활 마찰 모델을 새로 개발된 프레스 성형 공정의 유한 요소 시뮬레이션에 적용했는데, 이는 접촉 압력, 미끄럼 속도 및 윤활과 같은 다양한 변수의 영향을 나타냅니다. 검증 결과는 개발된 다중 스케일 마찰 모델과 그 구현이 마찰 거동이 자동차 부품 품질에 중요한 판재 성형 시뮬레이션에 효율적으로 사용될 수 있음을 보여줍니다.