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Entwicklung einer innovativen Auslegungsmethodik und computergestützten Analyse-Tools zur thermisch-tribologisch gekoppelten Analyse und Optimierung von temperaturabhängigen Umformprozessen der Kaltmassivumformung (Thermo-Tribologie)

Status abgeschlossen
Ziele

1. Methodik zur thermisch-tribologisch gekoppelten Prozessauslegung
Wie bei vielen Schritten im Rahmen der Prozessauslegung von Massivumformprozessen ist auch die Berücksichtigung der tribologischen Beanspruchung in Kombination mit thermischen Zustandsänderungen ein erfahrungsgetriebener Vorgang, der wenn überhaupt nur basierend auf rein empirischen Werten in die Auslegung mit eingeht. Daher soll unter Nutzung von zwei Softwaretools (siehe unten) und einer Laborprüfanlage eine neue Methodik zur thermisch-tribologischen Prozessauslegung entwickelt und etabliert werden.

So gilt es im Rahmen dieses Projektes, tribologie- und temperatursensitive Prozesse zu identifizieren und diese zu analysieren. Hierüber kann eine Übereinstimmung zu den Prüfungen im Labormaßstab beurteilt und erarbeitet werden, um eine Übertragbarkeit auf den industriellen Maßstab zu sichern.

Auf Basis von im Projektverlauf entwickelten Softwaretools fließen erstmals thermisch-tribologisch gekoppelte Kenngrößen in die Prozessauslegung der Kaltmassivumformung mit ein. Diese Vorgehensweise trägt zu erheblichen Einsparungen teurer Praxisversuche und den damit zusätzlich verbunden Risiken der Werkzeug- und Maschinenschädigung bei, da die durch Temperaturänderungen zwischen Prozessanlauf und statischer Prozesstemperatur verursachten Veränderungen der Werkzeuggeometrie (vornehmlich bei mehrfach geteilten Werkzeugen) und der Tribologie aktuell in Anpassungsschleifen über mehrere Serienproduktionen abgestimmt werden müssen.

2. Entwicklung eines temperaturgeregelten Reibversuchs
Ein Teilprojekt des PtU, TU Darmstadt beinhaltet die Entwicklung der temperierten Laborprüftechnik an einem etablierten Laborprüfstand (Gleitstauchanlage) zur tribologischen Analyse bei erhöhten Temperaturen mit praxisgenauer Erwärmungseinheit und notwendiger Messtechnik. Hierzu sind die Temperierung der Proben und der Werkzeuge sowie die Messtechnik zu überarbeiten. Ebenso setzt ein zuverlässiges Einstellen der Temperatur Kenntnisse über die bei der Umformung eingebrachte Wärme voraus. Diese soll mit Simulationen, analytischen Abschätzungen und Experimenten ermittelt und in den Versuchsablauf  integriert werden. Die vielen Einflüsse auf die Tribologie der Kaltmassivumformung führen zu einer sehr großen Anzahl an notwendigen Versuchen zur Abdeckung des gesamten Lastbereiches. Aus diesem Grund soll überprüft werden, ob mit sich in einem Versuch ändernden Lasten ein ganzes Spektrum an Reibwerten aufgenommen werden kann. Ziel soll es sein, hieraus eine optimierte Versuchsplanung zu gewinnen.

3. Software-Analysetool zur Temperaturentwicklung in Kaltmassivumformwerkzeugen
Es soll eine Analyse-Software entwickelt werden, die mit thermischen FEM-Analysen die instationäre Temperaturentwicklung ermittelt und die tribologisch relevanten Belastungsparameter an eine Prozessauslegungs-Software (siehe unten) weitergibt. Dieses Software-Tool ist als eigenständige, vom Umformsimulationssystem unabhängige Software konzipiert und soll die Aufgabe erfüllen, die für eine die Temperatur berücksichtigende tribologische Prozessbewertung und –optimierung notwendigen Informationen zur Werkzeug-erwärmung während eines Produktionslaufes zu liefern.

Die davon unabhängige Umformsimulation liefert dazu auf der Basis von Einzelsimulationen für angenommene stationäre Zustände neben der Erwärmung des Werkstückes die Temperaturbelastung (thermisches Beanspruchungskollektiv) der im Eingriff befindlichen Umformwerkzeuge. Der TOOLTEMP-analyser ermittelt dann daraus die Temperaturentwicklung in den Umformwerkzeugen, wobei sowohl die instationäre Anlaufphase als auch der sich einstellende stationäre Zustand zu erfassen sind. Diese Temperaturentwicklung bildet in globaler und eventuell auch lokaler Beschreibung eine der notwendigen und maßgeblichen Eingangsgrößen in die zu entwickelnde Methodik zur temperaturabhängigen tribologischen Prozessauslegung (siehe unten).

4. Entwicklung eines tribologischen Qualifizierungssystems - Triboselector
Hier werden auf Basis einer Laborprüfung (PtU, siehe oben) eine Methodik zur temperaturabhängigen Tribologieprüfung und eine Software aufgebaut, die mittels thermischer Prozessanalyse den Verlauf des Reibverhaltens und der Adhäsionsneigung über der Prozessdauer prognostiziert.

Hierzu soll zum einen eine standardisierte Prüfmethodik entwickelt werden, um den Einfluss der Temperatur auf die Tribologie reproduzierbar und praxisnah unter Laborbedingungen analysieren zu können. Zunächst muss eine Methodik entwickelt werden, die die experimentelle Labormessdaten in genauen Zusammenhang zu den mittels FE-Simulation ermittelten lokalen Belastungsgrößen wie Kontaktnormalspannung oder Oberflächenvergrößerung stellt. Ebenso soll eine computergestützte Auswertesystematik entwickelt werden, die es ermöglicht die Abhängigkeiten der tribologischen und thermischen Zustandsgrößen in Form multivariater Kennfelder darzustellen.

In einem experimentellen Schwerpunkt sind mit dieser Prüf- und Auswertemethodik sodann die thermischen Einflüsse auf Reibung und Adhäsionsverschleiß im Laborversuch zu ermitteln. Hierzu sind verschiedene tribologische Systeme aus der Umformpraxis zu testen und deren Kennfelder zu ermitteln.

Darauf aufbauend soll eine Software zur temperaturabhängigen tribologischen Prozessauslegung entwickelt werden. Diese soll die temperaturabhängige Entwicklung der Reibung über den Prozessverlauf prognostizieren und Aussagen über die Prozessfähigkeit treffen. Grundlegend hierfür sind das FE-Tool zur Temperaturanalyse (siehe oben) und die temperierte Prüfsystematik zur Analyse der temperaturabhängigen Reibung und Verschleißneigung.


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