Bestimmung der Kontaktspannung zwischen metallischen Kontaktpartnern mittels Ultraschall
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das abgeschlossene Projekt hatte zum Ziel, die Grundlagen für ein Messverfahren auf Basis der Ultraschalltechnik zu entwickeln, mit dem zerstörungsfrei die lokale Kontaktspannung in Schrumpfverbänden mit hoher Genauigkeit und Ortsauflösung bestimmt werden kann. Die Umsetzung dieser grundlegenden Erkenntnisse auf einen wichtigen Anwendungsfall, die armierte Matrize wie sie als Werkzeug in der Massivumformung eingesetzt wird, stellte Motivation des Projekts dar. Primäre Messgröße des Messverfahrens ist dabei die Charakteristik von in der Kontaktfuge reflektierten Ultraschallwellen, die ein Maß für den nicht im Festkörperkontakt stehenden Flächenanteil der nominellen Kontaktfläche darstellt. Dieser Anteil resultiert aus der von der Flächenpressung abhängigen, in der Regel nicht vollständigen, plastischen Einebnung der Mikrotopografie beider Kontaktpartner. Das Komplement dieses Anteils ist der Festkörperkontaktanteil selbst, die so genannte wahre Kontaktfläche (WKF), die wiederum von der Topografie, von den plastischen Eigenschaften der Kontaktpartner und von der lokalen Flächenpressung abhängt. Die Kontaktspannung steht somit für gegebene Kontaktwerkstoffe und -topografien in unmittelbarem Zusammenhang mit der WKF und stellt die eigentliche Zielgröße des Messverfahrens dar. Entsprechend wurde das Projekt in zwei Bereiche gegliedert. In einem ersten Schritt wurde der Zusammenhang zwischen dem Ultraschallmesssignal, das die Reflexion aus der Kontaktfuge beschreibt, und der WKF aufgestellt. Dabei wurden die nötigen Grundlagen der Ultraschalltechnik erarbeitet und für die Auslegung des entwickelten Messverfahrens genutzt. Mit Hilfe der Schallfeldsimulation ist es gelungen, eine Methodik für die realitätsnahe Abbildung der Schallausbreitung im rotationssymmetrischen Verbund zu entwickeln, auf deren Grundlage eine Optimierung der Messanordnung hinsichtlich der kleinstmöglichen empfindlichen Fokuszone möglich ist. Anhand von Grundlagenversuchen mit Hilfe einer entwickelten Experimentiertechnik (Stauchapparatur mit integrierter Ultraschallmessung) konnte der Zusammenhang zwischen Ultraschallmesssignal und WKF quantifiziert werden. Die Bestimmung der WKF erfolgte dabei durch eine auf Oberflächenmessungen basierende Topografieanalyse, einer vom Ultraschallverfahren unabhängigen Methode. Für eine theoretische Beschreibung des Zusammenhangs zwischen Messsignal und WKF wurde ein Ultraschallreflexionsmodell entwickelt, das eine neue Definition von Reflexionskoeffizienten für den in Kontakt stehenden und den berührungslosen Bereich der Kontaktfuge erforderte. Mit Hilfe dieses Modells ist es möglich, die Messergebnisse hinsichtlich der Verteilung der WKF in der Kontaktfuge von vorgespannten Schrumpfverbänden auszuwerten. In einem zweiten Schritt wurde aufbauend auf der mittels Ultraschall gemessenen WKF eine Methodik für die Bestimmung der lokalen Kontaktspannungsverteilung in Schrumpfverbänden entwickelt. Dies wurde mit Hilfe der Methode der Finiten Elemente realisiert, indem die Einglättung von Rauheitsspitzen zwischen zwei rauen Kontakt- Partnern simuliert wurde. Ein wesentliches Ergebnis dieser Untersuchungen ist, dass sich das Fließverhalten von Rauheitsspitzen bei deren Einglättung von dem eines Kontinuums maßgeblich unterscheidet. Hierfür wurden auf Basis realer Topografiedatensätze FE-Simulationen durchgeführt und die Abhängigkeit des Fließverhaltens vom Werkstoff und der Rauheit beschrieben. Das Modell wurde anhand von weiteren Simulationsrechnungen, die in Übereinstimmung zu realen Einglättungsversuchen standen, erfolgreich verifiziert. Im Rahmen des abgeschlossenen Projekts wurden die Grundlagen für ein Messverfahren entwickelt, mit dem die quantitative Bestimmung der lokalen Kontaktspannung in einfach armierten Schrumpfverbänden möglich ist. Das entwickelte Messverfahren gibt somit erstmals Aufschluss über die tatsächliche Vorspannungsverteilung zwischen Armierungsring und Matrize nach dem Einpressvorgang sowie über die Montagequalität des vorgespannten Werkzeugs.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- GEIGER, M.; PUTZ, A.; ENGEL, U.:: Ultrasonic Inspection of Cold Forging Tools. Production Engineering 13(2006)2, 161-164
- PUTZ, A.: Grundlegende Untersuchungen zur Erfassung der realen Vorspannung von armierten Kaltfließpresswerkzeugen mittels Ultraschall. Dissertation, Universität Erlangen-Nürnberg. Bamberg: Meisenbach 2006 [Geiger, M.; Feldmann, K. (Hrsg.): Reihe Fertigungstechnik, Band 170], ISBN 3-87525-237-3
- PUTZ, A.: Ultrasonic Inspection of Prestressed Cold Forging Tools - Development of a Theoretical Model and Relevance for Industry. ICFG International Prize Paper 2005. WIRE 56(2006)1, 23-27
- PUTZ, A.: Ultrasonic Inspection of Prestressed Cold Forging Tools - Development of a Theoretical Model and Relevance for Industry. In: Proceedings of the Plenary Meeting of the International Cold Forging Group (ICFG), ICFG International Prize Paper 2005, Chester, England, 2005
- PUTZ, A.; ENGEL, U.: Ermittlung des Vorspannungszustandes von Matrizenverbänden mittels Ultraschall. In: Siegert, K.; Liewald, M. (Hrsg.): Neuere Entwicklungen in der Massivumformung. Frankfurt: MAT INFO Werkstoff-Informations-GmbH 2005, S. 265- 276
- PUTZ, A.; ENGEL, U.: Examination of the Real Prestressing Conditions of Tooling Systems. In: Bergström, J.; Freriksson, G.; Johansson, M.; Kotik, O.; Thuvander, F. (Edtrs.): Proceedings of the 6th International Tooling Conference (ITC), Karlstad, Schweden, 2002, Vol II, 1047-56
- PUTZ, A.; ENGEL, U.: Fertigungsplanung in der Umformtechnik - Montagequalität von Werkzeugen, uni.kurier.magazin 106, 31. Jahrgang, Juni (2005), Erlangen-Nürnberg, Universität, S. 73
- PUTZ, A.; ENGEL, U.; GEIGER, M.: Quality Assessment of Cold Forging Tools : Measurement of the Real Prestressing by Ultrasonics. In: Bariani, P. F. (Ed.): Seite 13 von 17 Proceedings of the 8th International Conference on Technology of Plasticity, 9.- 13.10.2005, Verona, Italy. Padova, Italy: Edizioni Progretto 2005, pp. 195-96
- PUTZ, A.; ENGEL, U.; GEIGER, M.: Ultrasonic Measurement of the Real Contact Area between Die and Ring in Prestressed Cold Forging Tools. In: Proceedings of the 3rd JSTP International Seminar on Precision Forging (ISPF). Aichi Koseinenkin Kaikan, Nagoya, Japan, 2004, pp. 105-108
- PUTZ, A.; KÜHNICKE, E.: Simulationsbasierte Optimierung eines Ultraschallmessverfahrens zur Bewertung der Montagequalität armierter Werkzeuge für die Kaltmassivumformung. In: DGZFP (Hrsg.): Tagungsband der DACH-Jahrestagung 2004. Salzburg, Österreich, Berichtsband BB89-CD 2004
- PUTZ, A.; POPP, U.; ENGEL, U.: Qualitätssicherung im Werkzeugbau : Messung der Werkzeugvorspannung mittels Ultraschall, wt - Werkstattstechnik online 94 (2004)11/12, 659-662
