P 772 – Untersuchung und Erweiterung bestehender Ansätze zur verbesserten Beschreibung von Reibung und Wärmeübergang in der FEM-Simulation von Warmmassivumform Prozessen

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P772

ISBN: 3-937567-87-9 Artikelnummer: P772 Kategorien: ,

Beschreibung

P 772 – Untersuchung und Erweiterung bestehender Ansätze zur verbesserten Beschreibung von Reibung und Wärmeübergang in der FEM-Simulation von Warmmassivumform Prozessen

Die Finite-Element-Methode (FEM) ist ein leistungsfähiges Werkzeug zur Auslegung und Optimierung von Warmmassivumformprozessen. Die genaue Kenntnis der Prozessrandbedingungen ist dabei Voraussetzung für eine hohe Genauigkeit der Simulationsergebnisse. Da die Reibung in der Kontaktfläche und der Wärmeübergang vom Werkstück ins Werkzeug einen wesentlichen Einfluss auf den gesamten Umformprozess haben, ist die Beschreibung dieser beiden  Randbedingungen in der FE-Simulation entscheidend für die Verwertbarkeit der Simulationsergebnisse in der Praxis. Dabei sind u. a. der Kontaktdruck, die Temperatur an der Randschicht, die Rauheiten der Kontaktoberflächen, die  Gleitgeschwindigkeit und das Fließverhalten des Werkstoffs die wesentlichen Einflussgrößen. In den meisten zur Verfügung stehenden FEProgrammen basiert die Abbildung des Reib- und Wärmeübergangsphänomens auf der Annahme konstanter Koeffizienten für die Modellgleichungen. Hierdurch werden lokale Einflussgrößen nicht mit der erforderlichen Genauigkeit erfasst und in der FE-Simulation berücksichtigt. Eine Verbesserung der Simulationsgenauigkeit ist für die Umformindustrie von grundlegender Bedeutung, wobei die als Industriestandard geltende starre Modellierung der Werkzeuge nicht außer Acht bleiben sollte.
Das Forschungsziel des Projektes war die Entwicklung jeweils eines Gesetzes zur numerischen Abbildung der Reibung und des Wärmeübergangs für schmiedeähnliche Bedingungen, um die Genauigkeit der Prozesssimulation von  Warmmassivumformvorgängen mithilfe von kommerziellen FE-Programmen zu erhöhen. In einem weiterentwickelten Rohrkegelstauchversuch als Grundlagenversuch, in dem Relativverschiebung, Relativgeschwindigkeit, Temperatur, Schmierstoffe und Rauheit gezielt variiert werden können, wurden zunächst die Einflüsse verschiedener Prozessbedingungen auf die Reibung untersucht. Diese Einflüsse muss das Reibmodell zur verbesserten Beschreibung berücksichtigen. Die Einflüsse von Schmierung, Werkstück- und Werkzeugmaterial, Temperatur und Umformgeschwindigkeit wurden mit einer Effektanalyse untersucht. Hierbei ergaben sich als größte Einflussfaktoren auf die Reibung die Umformgeschwindigkeit und die Schmierung. Bei der Entwicklung des Reibmodells werden diese Einflüsse des Reibzustands in der Wirkfuge zwischen Werkzeug und Werkstück berücksichtigt.
Zudem wurden im Forschungsvorhaben bestehende mehrstufige Warmumformprozesse herangezogen. Die Prozesse wurden mittels Thermografiekamera aufgenommen, die Bauteile optisch vermessen und z. T. die Umformkräfte  messtechnisch ermittelt. Umfangreiche numerische Berechnungen der Prozesse erfolgten mit den kommerziellen FE-Programmen Forge (Transvalor S.A.) und simufact.forming (Simufact Engineering GmbH) unter Nutzung unterschiedlicher Reibmodelle. Ein vorgestelltes neu entwickeltes Reibmodell ist in der Lage, die Reibung bei unterschiedlichen Bedingungen während der Umformung zu berücksichtigen. Darüber hinaus wird die wahre Kontaktfläche nach Neumaier beim Schmieden einbezogen. Zudem wurden über eine geeignete Funktion das Haften und das Gleiten über den Einfluss der Gleitgeschwindigkeit realitätsnah berücksichtigt. Somit werden die Haupteinflussgrößen, wie sie mit dem Grundlagenversuch ermittelt wurden, in der Formulierung berücksichtigt. Die Validierung erfolgte an Modellprozessen. FE-Berechnungen wurden von den Industrieprozessen mit verschiedenen Reibmodellen durchgeführt. Die Prozesssimulation, basierend auf dem neu entwickelten Reibmodell, liefert bessere Ergebnisse. Durch den Einsatz der verbesserten Modelle für Reibung und Wärmeübergang können Schmiedeprozesse genauer abgebildet und ausgelegt werden. Die damit verbesserte Stoffflussbeschreibung bei der Umformung ermöglicht eine genauere Berechnung der Bauteilgeometrie. Darüber hinaus ist eine präzisere Vorhersage der benötigten Umformkraft sowie der thermischen Schrumpfung des Bauteils nach der Umformung möglich. Die genaue Beschreibung der Reibung und des Wärmeübergangs ermöglicht zudem die verbesserte Vorhersage der mechanischen und thermischen Beanspruchung der Schmiedegesenke. Die Verbesserung der FE-Systeme durch Implementierung des neu entwickelten Reibmodells dieses Projekts kommt gerade den kleinen Unternehmen der Schmiedeindustrie zu gute und sorgt damit für die erweiterte Nutzung dieser etablierten Werkzeuge bei der Prozesssimulation.

Autoren:
B. A. Behrens, A. Bouguecha, J. Mielke, G. Hirt, M. Bambach, A. Demant

Veröffentlichung:
2010