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November 2011
Jörg Stahlmann
Untersuchungen und Methoden zur Beschreibung und Nutzung tribologischer Systeme mit strukturierten Halbzeugoberflächen in der Kaltmassivumformung
In der vorliegenden Arbeit wird der Stand der Technik hinsichtlich der Simulation als Hilfsmittel für die Auslegung von Prozessen in der Kaltmassivumformung zusammengestellt. Wesentliche Aspekte tribologischer Systeme werden zusammengetragen und deren Abbildung in Reibmodellen diskutiert.
Ausgehend von dem Ziel, die Wirkungsweise strukturierter Halbzeugoberflächen in Kaltmassivumformprozessen besser beschreiben zu können, werden Methoden zu Oberflächenstrukturierung, Oberflächenbeschreibung, Reibwertermittlung und Abbildung von Oberflächenwandlung sowie Reibung in der Simulation entwickelt. Im Detail erfolgt mit dem Ziel, eine industrielle Umsetzung der gezielten tribologischen Einstellung von Oberflächenstrukturen zu erreichen, die Entwicklung eines Werkzeugsystems zum Rundkneten, das es erlaubt, deterministische Oberflächenstrukturen in einem durchlaufenden Prozess auf Stangenmaterial zur Verwendung in der Umformtechnik aufzuprägen. Die Möglichkeit, Halbzeuge für die Kaltmassivumformung durch neue Prozesse oder Prozesserweiterungen in der bestehenden Prozesskette zu strukturieren, wird prinzipiell dargestellt.
Tribologische Kenngrößen werden in Simulationen zugänglich gemacht und geeignete Darstellungsformen entwickelt, die die Lasthistorie von Oberflächen beschreiben. Die Oberflächenrauheit kann in Form des quadratischen Mittenrauwertes Sq für Fließpressoperationen in Abhängigkeit der Ausgangsrauheit und der tribologischen Belastungen berechnet werden. Die Beschreibung der Oberflächenwandlung strukturierter Oberflächen wurde implementiert und in verschiedenen Simulationen erprobt. Die entwickelten Subroutinen und Postprozessoren machen erstmals Oberflächeneigenschaften einer systematischen Bewertung zugänglich.
Anhand der Oberflächenwandlung konnte ein Reibmodell entwickelt werden, dass druck- und halbzeugoberflächenspezifische Reibkoeffizienten berechnet, die über standardisierte Schnittstellen zurück in Simulationsumgebungen gegeben werden können.
Das Oberflächenwandlungsmodell sowie die Berechnung der lokalen Reibkoeffizienten µ in Abhängigkeit der Kontaktnormalspannung und der lokal berechneten Rauheit werden erfolgreich an verschiedenen Fließpressoperationen getestet. Die berechneten Oberflächenrauheiten korrelieren gut mit den gemessenen. Das entwickelte Reibmodell verhält sich stabil und prognostiziert strukturierungsabhängige Umformkräfte, deren Strukturabhängigkeit mit denen aus Messungen gut übereinstimmen.
Eine Beschreibung der Reibung ausschließlich auf Basis von Topografieänderung scheint nicht zielführend. Beanspruchungen der Schmierstoffe sind in Abhängigkeit der Lasten zu betrachten.
Die verbesserte Modellierung der Fluid-Struktur-Interaktion auf strukturierten Oberflächen kann zu weiterführenden Ergebnissen leiten. Die Modellierung des Verhaltens von viskosen Schmierstoffen zwischen Werkzeug und Werkstück kann helfen, die Fragestellung der Kontaktpropagation zu klären.
Ausgehend von dem Ziel, die Wirkungsweise strukturierter Halbzeugoberflächen in Kaltmassivumformprozessen besser beschreiben zu können, werden Methoden zu Oberflächenstrukturierung, Oberflächenbeschreibung, Reibwertermittlung und Abbildung von Oberflächenwandlung sowie Reibung in der Simulation entwickelt. Im Detail erfolgt mit dem Ziel, eine industrielle Umsetzung der gezielten tribologischen Einstellung von Oberflächenstrukturen zu erreichen, die Entwicklung eines Werkzeugsystems zum Rundkneten, das es erlaubt, deterministische Oberflächenstrukturen in einem durchlaufenden Prozess auf Stangenmaterial zur Verwendung in der Umformtechnik aufzuprägen. Die Möglichkeit, Halbzeuge für die Kaltmassivumformung durch neue Prozesse oder Prozesserweiterungen in der bestehenden Prozesskette zu strukturieren, wird prinzipiell dargestellt.
Tribologische Kenngrößen werden in Simulationen zugänglich gemacht und geeignete Darstellungsformen entwickelt, die die Lasthistorie von Oberflächen beschreiben. Die Oberflächenrauheit kann in Form des quadratischen Mittenrauwertes Sq für Fließpressoperationen in Abhängigkeit der Ausgangsrauheit und der tribologischen Belastungen berechnet werden. Die Beschreibung der Oberflächenwandlung strukturierter Oberflächen wurde implementiert und in verschiedenen Simulationen erprobt. Die entwickelten Subroutinen und Postprozessoren machen erstmals Oberflächeneigenschaften einer systematischen Bewertung zugänglich.
Anhand der Oberflächenwandlung konnte ein Reibmodell entwickelt werden, dass druck- und halbzeugoberflächenspezifische Reibkoeffizienten berechnet, die über standardisierte Schnittstellen zurück in Simulationsumgebungen gegeben werden können.
Das Oberflächenwandlungsmodell sowie die Berechnung der lokalen Reibkoeffizienten µ in Abhängigkeit der Kontaktnormalspannung und der lokal berechneten Rauheit werden erfolgreich an verschiedenen Fließpressoperationen getestet. Die berechneten Oberflächenrauheiten korrelieren gut mit den gemessenen. Das entwickelte Reibmodell verhält sich stabil und prognostiziert strukturierungsabhängige Umformkräfte, deren Strukturabhängigkeit mit denen aus Messungen gut übereinstimmen.
Eine Beschreibung der Reibung ausschließlich auf Basis von Topografieänderung scheint nicht zielführend. Beanspruchungen der Schmierstoffe sind in Abhängigkeit der Lasten zu betrachten.
Die verbesserte Modellierung der Fluid-Struktur-Interaktion auf strukturierten Oberflächen kann zu weiterführenden Ergebnissen leiten. Die Modellierung des Verhaltens von viskosen Schmierstoffen zwischen Werkzeug und Werkstück kann helfen, die Fragestellung der Kontaktpropagation zu klären.
Schlagwörter: Tribologie; Reibung; Schmierung; Verschleiß; Reibmodell; Oberflächenwandlung; Umformtechnik; Massivumformung; Kaltmassivumformung
Berichte aus Produktion und Umformtechnik
Herausgegeben von Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Peter Groche, Darmstadt
Band 84
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