Bestimmung des Wärmeübergangskoeffizienten für die numerische Auslegung von Verbundschmiedeprozessen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 496068488

Im Rahmen der numerischen Prozessauslegung wird zur Modellierung des Wärmeübergangs der Wärmeübergangskoeffizient (WÜK) verwendet. In den meisten FE-Berechnungen der Massivumformung wird derzeit ein konstanter WÜK angenommen, da kein vollständiges Verständnis über die Zusammenhänge zwischen dem WÜK und seinen Einflussgrößen (bspw. Kontaktdruck, Temperatur und Schmierungszustand) bekannt ist, was zu Ungenauigkeiten im Simulationsergebnis führt. Insbesondere beim Verbundschmieden bspw. von Aluminium und Stahl sind jedoch gezielt eingestellte Temperaturprofile notwendig, um die Umformeigenschaften der artfremden Halbzeuge anzugleichen. Die Einstellung falscher Randbedingungen im Verbundschmiedeprozess kann zu Temperaturprofilen führen, die zu einem Aufschmelzen der Aluminium-Halbzeuge beim Erreichen der Solidustemperatur führen, was in einer Spaltbildung oder unzureichenden Verbundfestigkeit resultieren kann. Die Kenntnis des WÜK in Abhängigkeit der Prozessrandbedingungen ist somit eine wesentliche Voraussetzung für die numerische Prozessauslegung insbesondere von Verbundschmiedeprozessen. Allerdings stellt die Untersuchung des WÜK in Schmiedeprozessen aufgrund der sehr geringen Druckberührzeiten und sich einstellender hoher Aufheizraten aus experimenteller Sicht eine große Herausforderung dar. Bisherige Ansätze weisen einen hohen Versuchsaufwand und eine geringe Reproduzierbarkeit auf. Es existiert nach dem aktuellen Stand der Technik bisher keine Methodik, um mit angemessenem Aufwand den vorherrschenden WÜK innerhalb eines Verbundschmiedeprozesses in Abhängigkeit relevanter Wirkgrößen ermitteln zu können.Übergeordnetes Ziel des Forschungsvorhabens ist die grundlegende und methodische Untersuchung von Wirkgrößen auf den sich einstellenden WÜK in einem Verbundschmiedeprozess. Als relevante Wirkgrößen werden die Kontaktnormalspannung, die Werkstück- und Werkzeugtemperatur, und der Schmierstoffzustand betrachtet. Zu diesem Zweck wird eine experimentell-numerische Methodik entwickelt. Diese soll im Gegensatz zu aktuellen Lösungsansätzen neben einer hohen Genauigkeit, ein schnelles Ansprechverhalten bei der Temperaturerfassung sowie eine reproduzierbare Versuchsdurchführung aufweisen. Mit Hilfe dieser Methodik soll einerseits der Wärmeübergang in der Kontaktzone zwischen den beiden Umformwerkstoffen selber und andererseits in der Wirkfuge zwischen den Umformwerkstoffen und dem Werkzeug unter Variation der Wirkgrößen gezielt untersucht werden. Auf Basis dieser Untersuchungen soll erstmalig ein grundlegendes WÜK-Modell zur numerischen Auslegung von Verbundschmiedeprozessen mit nicht vorgefügten Halbzeugen entwickelt werden. Die Erkenntnisse können darüber hinaus für konventionelle Massivumformprozesse verwendet werden, um bspw. eine genauere numerische Bestimmung der Werkzeugoberflächentemperaturen zu ermöglichen. Mit den Erkenntnisse kann somit ein Beitrag hinsichtlich der Standardisierung einer Versuchsmethodik zur WÜK-Aufnahme geleistet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen