Weiterentwicklung eines Berechnungsansatzes zur FE-Simulation des Werkzeugverschleißes bei Schmiedeprozessen unter Verwendung von Rigid-Body-Elementen (T10*)

• Subject Area: Primary Shaping and Reshaping Technology, Additive Manufacturing
• Term: from 2011 to 2012
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5483994

In Zeiten sich verknappender Energie- und Rohstoffressourcen werden große Anforderungen an die Herstellung von Gütern gestellt. Der werkstoffseitige Leichtbau und die belastungsop-timierte Auslegung von Bauteilen stellen große Herausforderungen an die produzierenden Unternehmen. Für die Herstellung hoch belasteter Bauteile, beispielsweise im Automobilbe-reich, bietet die umformtechnische Fertigung großes Potenzial. Die Verfahren der Blech- und Massivumformung zeichnen sich u. a. durch eine gute Materialausnutzung und der Möglich-keit einer belastungsangepassten Bauteilgestaltung bei komplexer Bauteilgeometrie aus.Während eines Warmumformprozesses sind die Schmiedewerkzeuge hohen thermischen, tribologischen, chemischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt. Diese Belastungen haben einen Verschleiß der Werkzeugfunktionsflächen und somit eine verringerte Maßhal-tigkeit und Qualität der geschmiedeten Bauteile zur Folge. Schließlich kommt es dadurch zu einem Ausfall der Werkzeuge. Neben einer Erhöhung der Werkzeugstandzeiten ist daher das Ziel einer angepassten Fertigungsplanung die Vermeidung von vorzeitigem verschleiß-bedingtem Werkzeugausfall. Um kostenintensive Ausfallzeiten aufgrund von Produktionsstill-stand zu vermeiden, werden große Anstrengungen unternommen, eine realitätsnahe Prog-nose der Werkzeugstandzeit schon in der Konzeptionsphase geben zu können. Dazu wer-den die während der Umformung auftretenden Werkzeugbelastungen durch den Einsatz der Finite-Element-Methode (FEM) ermittelt. Mit Hilfe der FEM ist eine realitätsnahe Vorhersage des Materialflusses, der Formfüllung, der Umformkraft, der thermisch bedingten Bauteil-schrumpfung sowie der Temperatur- und Spannungsfelder während des Umformprozesses möglich. Die Berechnung der Werkzeugstandzeit ist heutzutage jedoch noch nicht Stand der Technik. Die gezielte Programmerweiterung durch Implementierung von Unterroutinen in kommerzielle FE-Systeme ermöglicht die Berechnung der verschleißrelevanten Prozessgrö-ßen an Schmiedewerkzeugen.Die FE-gestützte Bestimmung der Werkzeugbelastungen für die Verschleißberechnung ist bislang nur mit elastischer Werkzeugmodellierung möglich. Dies geht jedoch mit einer gro-ßen Elementanzahl und einem hohen Rechenaufwand einher. Ein neuer Ansatz zur opti-mierten Verschleißvorhersage an Schmiedewerkzeugen ist die Weiterentwicklung der Ver-schleißberechnung unter Einsatz von Rigid-Body-Elementen (RB-Elementen). Diese basie-ren auf einer starren Elementformulierung, besitzen jedoch ein erweitertes Analysepotenzial in Bezug auf die Berechnung der auftretenden Werkzeugbelastungen. Eine weitere Verbes-serung der Prozessauslegung soll durch die Implementierung und Anwendung des am IFUM neu entwickelten Reibmodells in das FE-Programmsystem simufact.formingGP 9.0 der Firma Simufact Engineering GmbH erreicht werden.Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Reduzierung des Modellierungs- und Berech-nungsaufwandes sowie eine Verbesserung der Ergebnisgenauigkeit. Die numerischen Ver-schleißberechnungen erfolgen an den beiden Schmiedeprozessen „Napf“ und „Ritzelwelle“ aus dem Sonderforschungsbereich 489 (SFB 489). Die Validierung des neu entwickelten Berechnungsansatzes erfolgt durch die Gegenüberstellung und den Vergleich der experi-mentellen Daten mit den generierten numerischen Berechnungsergebnissen.

• DFG Programme: Collaborative Research Centres (Transfer Project)
• Subproject of: SFB 489: Process Chain for the Production of Precision Forged High Performance Components
• Applicant Institution: Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover
• Business and Industry: Simufact Engineering GmbH
• Project Head: Professor Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens