Experimentelle und numerische tribologische Untersuchungen in der Blechumformung unter Berücksichtigung realer und rauer Kontaktflächen hinsichtlich einer Verbesserung der Genauigkeit der Prozesssimulation

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Mathias Liewald
• Subject Area: Primary Shaping and Reshaping Technology, Additive Manufacturing
• Term: from 2008 to 2011
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 97010740

Reale raue Oberflächen von Blechformwerkzeugen und Blechwerkstoffen selbst bestehen aus einer Vielzahl von Asperiten, die die Rauheit der Oberfläche definieren. Die Reibungseigenschaften beider Kontaktpartner werden durch deren reale Kontaktfläche wesentlich beeinflusst. Die Beschreibung der Kontaktverhältnisse spielt bei der Reibungsmodellierung eine entscheidende Rolle. In der Vergangenheit wurden mehrere Kontaktmodelle entwickelt, bei denen stochastische Oberflächen durch analytische sowie geometrische Ansätze generiert wurden. Der Vorteil dieser Methoden liegt in der Möglichkeit der Untersuchung beliebiger Oberflächengeometrien. Ein Nachteil der mit diesen Modellen generierten Oberflächen ist die Tatsache, dass die realen Oberflächen nur idealisiert abgebildet werden. Reibungsmodelle wurden für die elastische und plastische Verformung von zwei Flächen entwickelt. Diese Reibungsmodelle berücksichtigen aber teilweise nur den Einfluss der Asperiten und nicht den Einfluss des Schmierstoffs auf das Umformverhalten. Die Verwendung eines Schmierstoffs hat jedoch einen starken Einfluss auf die Reibung, da die reale metallische Kontaktfläche bei Verwendung eines Schmierstoffs im Vergleich zum trockenen Kontakt kleiner ist. Reibungsmodelle, die den Schmierstoffeinfluss berücksichtigen, verwenden dagegen den Kontakt zwischen zwei idealen Flächen. Zielsetzung des hier beantragten Forschungsvorhabens stellt die Entwicklung eines modifizierten Reibungsmodells für die Blechumformung dar, welches sowohl den Einfluss des Schmierstoffes als auch die Einglättung der Oberfläche während des Umformvorgangs berücksichtigt. Dieses modifizierte Reibungsmodell soll in Abhängigkeit von der Flächenpressung (Knotendruck) eine Reibungszahl für die FE-Prozesssimulation liefern, wodurch die Knotenverschiebung der Oberfläche unter Last und bei Relativgeschwindigkeit genauer berechnet werden kann. Das neue Reibungsmodell soll für die Reibungszustände zwischen Grenzreibung und hydrodynamischer Reibung gültig sein. Bei der Modellierung von Oberflächen in FE-Codes werden glatte Flächen und ggf. Schalenelemente verwendet. Der Vorteil dabei ist die geringere Knotenzahl und somit eine schnellere Berechnung. In der Realität dagegen werden raue stochastische oder deterministische Blechoberflächen eingesetzt. Die Rauheit sowohl der Blech- als auch Werkzeugoberfläche wiederum beeinflusst den Schmierstofffluss und die Schmierstoffverteilung unter Last. Bei der Modellierung soll daher eine raue Blechoberfläche verwendet werden. Da die Rauheit der Werkzeugoberfläche viel kleiner als die der Blechoberfläche ist, kann die Werkzeugoberfläche als glatt angenommen werden. Damit soll es möglich sein, bereits in der Prozesssimulation die Oberflächeneinglättung und die Veränderung des Reibungszustandes aufgrund der Relativbewegung des Blechwerkstoffes unter Last zu berücksichtigen. Die Berücksichtigung der realen Blechoberfläche soll letztlich zu einer besseren Abbildung der Realität in der Simulation führen.

• DFG Programme: Research Grants