Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Voraussage und Optimierung dissipativ bedingter Werkzeugerwärmung

Die Kaltumformung ist eine Ressourcen schonende Produktionsweise. Die zur wirtschaftlichen Produktion notwendige Prozesssicherheit und Qualität der Produkte kann durch die Erwärmung der Werkzeuge negativ beeinflusst werden. Der Elastizitätsmodul und andere Materialeigenschaften ändern sich steigender Temperatur. Allgemein nimmt der Widerstand ab, den das Werkzeug der eigenen Verformung (Verschleiß) entgegen setzt. Die Anforderungen an die Werkzeugbeschichtung und Schmiermittel werden größer. Derartige Effekte rücken verstärkt mit den häufig eingesetzten hoch- und höchstfesten Stählen sowie bei der Umformung von Aluminium in den Mittelpunkt des Interesses.

Die Temperaturerhöhung in der Kaltumformung entsteht zum einen durch die Dissipation der Umformenergie in Wärme und durch den Reibvorgang. Die geleistete plastische Arbeit wird in den Werkstoffen zum Großteil in Wärme umgewandelt. Das Gleiche gilt für den Energieanteil zur Überwindung der Reibung.

Forschungsziel ist die Voraussage und Optimierung der bei der Kaltumformung von hoch- und höchstfesten Werkstoffen auftretenden dissipativ bedingten Werkzeugerwärmung bis zum Erreichen des thermischen Gleichgewichts.

Mit der Kenntnis der Temperaturfelder im Werkstück und Werkzeug bis zum Erreichen und im stationären Zustand werden Vorschläge bzw. Strategien zur gezielten Nutzung und Handhabung der Temperaturfelder erarbeitet um stabile Umformprozesse zu gewährleisten, die (Wieder-) Anlaufphase zu überbrücken und die Rückfederung zu verbessern. Strategien umfassen eine Vortemperierung von Werkzeugen, Konzepte zur aktiven örtlichen Kühlung von Werkzeugbereichen und beinhalten Informationen über die Höhe der ab- oder zuzuführenden Wärmemenge, sowie über die Zykluszahl bis zum Erreichen eines thermisch eingeschwungenen Zustandes.

Ein wirtschaftlicher Nutzen der Untersuchungsergebnisse wird sich sowohl in der Entwicklung als auch in der Serienfertigung einstellen.

Ergebniszusammenfassung:

Im Projekt wurde eine breite Datenbasis temperaturabhängiger und dehnratenabhängiger mechanischer Werkstoffkennwerte geschaffen, welche nicht Stand der Technik sind. Sie dienen in erster Linie zum Steigern des Verständnisses thermischer Belastungen, von Dehnrateneffekten und der Wechselwirkung zwischen ihnen in der Kaltumformung. Die mechanischen Kennwerte, die Spannungs- Dehnungs-Kurven, sowie die daraus ermittelten Fließkurven bilden auch die Grundlage für Simulationen unter Berücksichtigung der Dehnrate und der Temperatur.

Es wurde ein Weg aufgezeigt analytisch anhand der Fließkurven die dissipative Wärme und die Übertragung dieser ins Werkzeug zu berechnen. Unter Berücksichtigung von Umform- und Transferzeiten lassen sich die Anzahl der Hübe bis zum Erreichen eines thermischen Gleichgewichts einfach und schnell abschätzen. Ein wirtschaftlicher Nutzen der Untersuchungsergebnisse wird sich sowohl in der Entwicklung (Planung, Werkzeugkonstruktion) als auch in der Serienfertigung in den Pressshops (Erhöhung der Verfügbarkeit der Pressen; Reduzierung Ausschuss und Nacharbeit) einstellen. Durch die höhere Sicherheit in der Auslegung der Werkzeuge und die bessere Reproduzierbarkeit der Abformgenauigkeit werden sich die Kosten für die Einarbeitung der Werkzeuge verringern.