Transfer of a friction model for cold bulk metal forming in industrial practice
Final Report Abstract
Durch Prozesse der Kaltmassivumformung gefertigte Bauteile zeichnen sich durch eine hohe Oberflächenqualität sowie gute Festigkeitseigenschaften aus. Gleichzeitig weisen diese Verfahren geringe Stückkosten bei Massenproduktion als auch eine hohe Werkstoffausnutzung auf. Bedingt durch die hohen Fließspannungen bei Raumtemperatur bei der Umformung von Stahlwerkstoffen ist die Werkzeug- und Pressenbelastung hoch. Gleichzeitig hat die Reibung einen erheblichen Einfluss auf das Prozessergebnis. Konventionelle Ansätze zur Modellierung der Reibung, zum Beispiel nach Amontons-Coulomb, erlauben nur eine ungenügend genaue Abbildung der tatsächlichen Reibverhältnisse, da lokal variierende Einflussgrößen im tribologischen System vernachlässigt werden. Mit dem Ziel, diese Lücke zu schließen, wurde in dem diesem Vorhaben vorangegangenen Forschungsprojekt ein Reib- und Oberflächenwandlungsmodell für Prozesse der Kaltmassivumformung in Laborumgebung entwickelt. Hierbei war es möglich, die Wandlung der Oberfläche, beschrieben mittels der quadratischen Mittenrauigkeit Sq, sowie den Kraft-Weg-Verlauf des untersuchten Vollvorwärts-Fließpress(VVFP)-Prozesses mit hoher Genauigkeit in einer numerischen Simulation abzubilden. Mit Hilfe des Reib- und Oberflächenwandlungsmodelles wird zunächst die aufgrund der vorherrschenden Kontaktspannungen und Oberflächenvergrößerungen sich einstellende quadratische Mittenrauigkeit der Probenoberfläche Sq berechnet. In Abhängigkeit der quadratischen Mittenrauigkeit sowie der Kontaktnormalspannungen und Oberflächenver-größerungen wird der Reibkoeffizient bt bestimmt. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde die übertragbarkeit dieses Modelles auf industrielle Prozesse der Kaltmassivumformung untersucht. Zur Verifizierung der Ergebnisse des ursprünglichen Forschungsvorhabens wurden insgesamt vier Referenzprozesse (je einer der teilnehmenden Projektpartner und ein am Institut vorhandener Prozess) ausgewählt. Hierzu wurde das bestehende Modell zunächst in einer kommerziell erhältlichen Simulationssoftware mittels Subroutinen implementiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Vorhersagegüte der Oberflächenwandlung in enger Verbindung mit dem jeweilig untersuchten tribologischen System steht. So kann die Änderung der Rauigkeit für VVFP-Prozesse mit initial rauen, d.h. gestrahlten Oberflächen unter Verwendung eines Schmierstoffsystems bestehend aus Zinkphosphat und einem Festschmierstoff (zum Beispiel Salz-Wachs oder MoS2) nach der Umformzone mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Es ist zudem möglich, die sich einstellende Rauigkeit bei Verwendung unterschiedlicher Festsclunierstoffe quantitativ zu berechnen. Die Untersuchung von komplexeren Fließpressverfahren wie dem kombinierten Napfrückwärts-Vollvorwärts-Fließpressen (NRVVFP) ergibt jedoch eine Überschätzung der numerisch bestimmten Einebnung. Hier überwiegt der Einfluss der gewählten Werkzeugrauigkeit, die eine zusätzliche Eingangsgröße in das Modell ist. Bei Verwendung eines tribologischen Systems bestehend aus drahtgezogenen Oberflächen und einem Fließpressöl ist zu beobachten, dass es zu einer Aufrauhung der Oberfläche in der Umformzone über die ursprüngliche Rauigkeit der Probe kommt. Diese Aufrauhung ist entsprechend des Stands der Technik nicht zu erwarten. Zudem konnte diese Aufrauhung in den durchgeführten Gleitstauchversuchen zur Parametrisierung des Reibmodells nicht beobachtet werden. Numerische und experimentelle Untersuchungen in einem großen Parameterraum des betrachteten Prozesses konnten weiterhin die Aufrauhung nicht abbilden. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass in der Fließpressschulter aufgrund des sich ansammelnden Fließpressöls ein hydrodynamischer beziehungsweise hydrostatischer Schmierungszustand vorherrscht, der eine Trennung von Werkstück und Werkzeug hervorruft. Somit kommt es zu einer kontaktungebundenen Umformung, die eine Erhöhung der Rauigkeit zur Folge haben kann [Lan84, Sch08]. Basierend auf dieser Annahme wurde das Modell um einen Tesm zur Abbildung der Aufrauhung erweitert. Anhand des freien Stauchens wurde dieser zusätzliche Modellparameter durch Bestimmung der Rauigkeitsänderung der Probenmantelfläche ermittelt. Die numerische Simulation ergab, dass eine qualitative Verbesserung der Oberflächenvorhersage möglich ist.
