Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Ansatz zur numerischen Bestimmung der Härteevolution in der Werkzeugrandschicht aufgrund von thermischen Belastungen beim Formhärten

Ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen mit maßgeschneiderten Eigenschaften (Tailored Properties) ist, angelehnt an das Formhärten das sogenannte Tailored Tempering mit stark erwärmten Werkzeugen (ca. 500°C). Dabei wird die kritische Abkühlrate gezielt unterschritten und die Martensitbildung im Bauteil unterdrückt. Die erhöhte Werkzeugtemperatur und die auftretenden Pressenkräfte führen zu einer höheren thermischen Belastung der Werkzeuggravur und letztlich zu Verschleißerscheinungen, die abhängig von der Härteevolution und auftretenden Anlasseffekten sind. Dies beeinflusst die Maßhaltigkeit der Bauteile und die Werkzeuge müssen kosten- und zeitintensiv überarbeitet oder sogar erneuert werden. Genauere Kenntnisse der Vorgänge in der Werkzeugoberfläche und deren Berücksichtigung in der numerischen Prozessauslegung tragen zu einer deutlichen Erhöhung des Prozessverständnisses bei. Der Wärmeübergang zwischen Werkstück und -zeug ist ein weiterer wichtiger Aspekt. Durch die Kenntnis der Einflüsse auf die Lebensdauer der Werkzeugwerkstoffe können Maßnahmen getroffen werden, wodurch sich signifikante Kosteneinsparungen für KMU realisieren lassen. Aufwendige Werkzeuginstandsetzungen können vermieden und Standzeiten verbessert werden. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Härteevolution des Werkzeugwerkstoffs in Abhängigkeit der Anzahl thermischer Zyklen bei der Verschleißberechnung zu betrachten und damit die Ergebnisgüte der simulativen Vorauslegung zu steigern. Hierzu soll unter Verwendung der ermittelten Temperaturverläufe in der Werkzeugoberfläche während eines Modellversuchs des Formhärteprozesses die Härteentwicklung metallographisch bestimmt werden. Auf Basis dieser Daten soll ein analytischer Ansatz entwickelt und in ein kommerzielles FE-Programm implementiert werden, der eine Berechnung der lokalen Werkzeughärte in Abhängigkeit der Umformzyklen und der vorliegenden Werkzeugtemperatur ermöglicht. Anschließend erfolgt eine Validierung mit industriellen Daten.

Ergebniszusammenfassung:

Im ersten Projektabschnitt wurde ein Modellversuch aufgebaut, um den Wärmeübergang von der Platine in das Werkzeug im Rahmen eines Presshärteprozesses messtechnisch zu erfassen. Dafür wurden in einem teilbaren Stempel randschichtnahe Thermoelemente platziert, um unter Variation der Flächenpressung Temperaturverläufe im Prozess aufzeichnen zu können. Diese Temperaturverläufe wurden genutzt, um Wärmeübergangskoeffizienten zu bestimmen, mit denen im Projektverlauf oder auch in künftigen Anwendungen die Berechnungsgenauigkeit der Randschichttemperaturen im Rahmen einer FE-Simulation gesteigert wurde.

Im nächsten Abschnitt wurden auf Basis der experimentell aufgezeichneten Temperaturverläufe thermische Profile definiert, mit denen vier Werkzeugstähle (1.2367, 1.3343, CP2M und CR7V-L) zyklisch in einem Dilatometer belastet wurden. Die Profile wurden so definiert, dass nicht nur das konventionelle Presshärten, sondern mittels einer Variation der Zyklusstarttemperatur auf bis zu 600 °C auch das Tailored Tempering betrachtet werden konnte. Vor allem für das Tailored Tempering konnte so eine deutliche Härteabnahme beobachtet werden, womit der in der industriellen Realanwendung bereits beobachtete, verstärkt auftretende Verschleiß erklärt werden kann. Nach metallographischer Auswertung wurden die aufgenommen Härtewerte genutzt, um einen analytischer Ansatz zu entwickeln und diesen in eine kommerzielle FE-Anwendung zu implementieren. Dieser erlaubt die lokale Berechnung der Werkzeughärte in Abhängigkeit der Umformzyklen und der vorliegenden Werkzeugtemperatur im Rahmen von Umformsimulationen.

Im letzten Abschnitt erfolgte eine experimentelle Validierung mittels eines selbst konzipierten und aufgebauten Modellversuches zur Herstellung von Bauteilen mit lokal gesteuerter Härteverteilung. Mit der im Vorhaben entwickelten Software-Implementierung konnte dabei die Härteabnahme im Werkzeug realitätsnah vorhergesagt werden, wodurch das Ziel des Forschungsvorhabens erreicht wurde.