Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Teilautomatisierte, numerische Auslegung und Erweiterung der Prozessgrenzen hinsichtlich Ausbringung und Formgebung beim Profilwalzen

Das Walzen von Gewinden und Profilen ist zentraler Bestandteil in der Herstellung von Befestigungselementen. Derzeit erfolgt die Auslegung dieser Walzprozesse basierend auf Erfahrungswissen. Zur Erlangung einer Fertigungsfreigabe ist die empirische Überprüfung in realen Walzversuchen erforderlich, welche üblicherweise weitere Werkzeuganpassungen zur Folge hat. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist, die Werkzeugauslegung von Walzprozessen mit Hilfe der Finiten Elemente (FE) Simulation durchzuführen und eine Methodik zu entwickeln, die eine Vorhersage der Prozessgrenzen erlaubt. Zusätzlich wird diese Methodik die Grundlage für eine zukünftige Erweiterung der Prozessgrenzen des Walzens bilden und das Walzen komplexer Bauteile ermöglichen.

Da bis dato keine Erkenntnisse zur systematischen Auslegung von Walzprozessen vorliegen werden zunächst drei unterschiedliche Walzstrategien numerisch untersucht. Aufbauend auf Erkenntnissen des Vorgängerprojektes werden zwei geeignete Strategien empirisch unter industriellen Bedingungen untersucht. Neben prozessseitigen Einflussfaktoren (z. B. Ausbringungsrate) wird auch der Einfluss der Werkstückbeschichtung auf Prozessstabilität und -grenzen betrachtet.

Die Untersuchungen münden in eine Richtlinie, welche es Anwendern erlaubt, Walzprozesse mittels der FE-Methode auslegen zu können. Zudem werden Erkenntnisse zur optimalen Gestaltung des tribologischen Systems generiert, welche eine sichere und verschleißarme Walzprozessauslegung ermöglicht und mittelfristig die umformende Herstellung von derzeitig ausschließlich spanend gefertigten Teilen erlauben wird.

Durch eine effizientere Prozessgestaltung sowie durch die mittelfristige Erweiterung des Produktspektrums profitieren insbesondere KMUs. So können Endanwender (Hersteller) und Zulieferer (Werkzeughersteller, Schmierstofflieferanten, Simulationshersteller) ihre Wettbewerbsfähigkeit langfristig sichern und neue Märkte durch ein breiteres Produktspektrum erschließen.

Ergebniszusammenfassung:

Untersuchung verschiedener Werkzeug-Walzstrategien für das Walzen einer Rundnut durch Flachbacken Profilwalzen. Es konnte sowohl simulativ, als auch experimentell gezeigt werden, dass der Werkstofffluss durch die Gestaltung der Werkzeuggeometrie gezielt beeinflusst werden kann. Die Walzstrategien zeigen deutliche Unterschiede bezüglich der möglichen maximalen Hubzahl. Das erlangte Wissen kann für die Steigerung der Ausbringungsrate in Prozessen des Flachbacken-Profilwalzens genutzt werden.

Es konnte gezeigt werden, dass mittels eines optischen Messsystems das Abrollverhalten des Werkstücks während des Prozesses erfasst werden kann. Das System erlaubt die Analyse des Abrollvorgangs und somit die genaue Erfassung der Prozessgrenze durch Schlupf. Es konnte gezeigt werden, dass der Bereich der ersten 1-2 Werkstückumdrehungen für den Walzerfolg entscheidend ist. Prozessversagen durch Schlupf tritt in dieser Phase des Abrollvorgangs auf. Diese Information kann dafür genutzt werden, die Werkzeugoberflächen gezielt in diesen Bereichen des Werkzeugs zu strukturieren und die auftretende Reibung zu erhöhen.

Durch die FEM Simulation des Walzvorgangs konnten die tribologischen Lasten entlang des Prozesses ermittelt werden. Da die tribologischen Lasten einen erheblichen Einfluss auf die im Prozess auftretende Reibung haben, wurden insgesamt ca. 200 Reibversuche durchgeführt, um Reibwerte µ zu ermitteln. Es konnte gezeigt werden, das der Reibwert µ von der Relativgeschwindigkeit (vrel) und der Temperatur (T) abhängt. Dieser Zusammenhang wurde mathematisch über eine multiple lineare Regression sowie einen expotentialen Zusammenhang der Einflussgrößen vrel und T auf µ beschrieben. Durch die Integration der Reibgesetze mittels FORTRAN Subroutine in die FEM vermag die FEM die Vorhersage der Prozessgrenze durch Schlupf. Dies kann dafür genutzt werden, im Auslegungsprozess die maximal mögliche Hubzahl zu ermitteln.