Fachbeiträge Simulation-based Optimization of Cold Forging Tools The design of highly stressed cold forging tools often presents companies with big problems due to the short life span of the tool and frequently quite significant deviations. The efficiency and the required quality of the components therefore significantly depend on the tool design. The combined finite element simulation of the forging process and tool stress as well as Simulationsbasierte Werkzeugoptimierung für die Kaltmassivumformung 30 Schmiede-Journal September 2009 the optimized utilization of the available tool materials, which include modern powder metallurgical steels and hard alloys in addition to the traditional tool steel often make it possible to increase the life span of the tool. The work described here was carried out by the chair of the Department of Manufacturing Technology (LFT) at the University of Nuremberg. Werkzeuge der Kaltmassivumformung sind aufgrund der hohen Fließspannung des verarbeiteten Werkstoffs bei Raumtemperatur so wie der zusätzlichen Kaltverfestigung einer hohen Be - anspruchung ausgesetzt. Sie fallen aufgrund von Rissbildung durch Ermüdung und Ver schleiß aus, wie Bild 1 anhand eines Form ein satzes (Matrize) zur Herstellung von Wälz la ger - kugelrohlingen zeigt. Verschleiß ist zumeist ein kontinuierlicher Abtrag an der Werk zeug ober - fläche. Hartstoff beschichtun gen, die durch PVD oder CVD-Verfahren aufgetragen werden, können dabei zu einer deutlichen Verbesserung der Werkzeuglebens dauer führen und werden in der Industrie in zu nehmendem Maße eingesetzt. Rissbildung und Ermüdung Liegen sehr hohe Beanspruchungen vor, versagen die Werkzeuge durch die Bildung von Er müdungsrissen, welche durch die zyklischen Span nungs-Dehnungs-Verläufe wäh - rend der ein zelnen Umformvorgänge hervor - ge rufen wer den und bereits nach wenigen Tau - send Hü ben auftreten können. Die Werk zeug - er mü dung gliedert sich in die Pha sen An riss - bil dung, Riss wachstum und, falls das Werk - zeug nicht vorher ausgetauscht wur de, ab - Bild 1: Ausfall eines Werkzeugs zum Kaltfließ pressen von Kugelrohlingen durch Ober flächen zerrüttung und Ermüdung (links). FE-Simulation des Werkzeugs mit Detektion des ausfallkritischen Werkzeugbereichs (rechts). schließendem Rest bruch. Da die Anriss bildung oftmals einen großen Teil der Werk zeug le bens - dauer ausmacht und das ei gentliche Riss - wachstum plötzlich und innerhalb weniger Belastungszyklen auftritt, führt Er mü dung in der Fertigung zu einem hohen Kon troll auf wand bzw. umgekehrt zu Qua li täts pro ble men und hohen Aus schuss kosten. Werkzeuge, die auf- Die Aus le gung hoch beanspruchter Kalt - mas siv um form werkzeuge stellt die Betriebe auf grund niedriger Werk zeug le bens dauer mit in vielen Fällen hohen Streu ungen oftmals vor große Probleme. So wohl die Wirtschaft lich keit als auch die Si cher stel lung der ge for derten Bauteil qualität hängt damit in großem Maß von der Werk zeug aus legung ab. Die kombinierte finite Elemente Simu la - tion von Um form vor gang und Werk zeug be - an spruchung sowie der optimierte Einsatz der zur Ver fügung stehenden Werk zeug - werk stof fe, bei denen die klassischen Werk - zeug stähle durch mo der ne pulvermetallurgische Stähle sowie Hart metall ergänzt werden, er möglichen in vielen Fällen eine Steigerung der Werkzeug lebensdauer. Die hier vorgestellten Arbeiten wur den am Lehr - stuhl für Fertigungs techno logie (LFT) der Universität Erlangen-Nürn berg durchgeführt. Dr.-Ing. Ralf Völkl, Schweinfurt
2009-09-Schmiede-Journal
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