Fachbeiträge Die Werkzeugsimulation mit Hilfe der FEM bietet jedoch die Möglichkeit, den Spannungs- /Dehnungs-Verlauf im ausfallkritischen Werk - zeugbereich zu bestimmen und die Werk zeug - auslegung zu optimieren. Basis hierfür ist die FE-Simulation des Werkstücks bzw. Umform - vorgangs, wie sie in vielen Betrieben bereits durchgeführt wird. Dabei wird das Werk zeug jedoch zumeist als starrer Körper modelliert, so - dass die auftretenden Span nun gen und Deh nun - gen nicht bestimmt werden können. Deshalb müssen für eine simulationsbasierte Werk zeug - analyse alle Werk zeug kom ponenten, die einen signifikanten Einfluss auf den Spannungs- Dehnungs-Verlauf im ausfallkritischen Werk - zeug bereich haben, ebenfalls durch Finite Elemente diskretisiert, also als deformierbarer Körper modelliert werden. Die Berechnung von Werkstück und Werkzeug kann dabei zum einen kombiniert in einem Modell erfolgen, was in der Regel bei rotationssymmetrischen Modellen, die sich 2D modellieren lassen, angewendet wird, so auch bei der Berechnung des Kugelrohlings in Bild 1. Zum anderen können die Berech nun gen auch getrennt erfolgen, indem die Kontakt span - nungen des Umform vorgangs (mit starren Werkzeugen) auf das deformierbare Werk - zeugmodell übertragen wer den. Diese Vorge - hensweise wurde bei der Ana lyse des Ku gel - naben-Werkzeugs in Bild 2 gewählt. Optimierungsstrategie, Konstruktions para - me ter und Werkstoffe Das Ziel in Hinblick auf die Reduktion des Werk zeugausfalls durch Ermüdung ist es, im ausfallkritischen Bereich zum einen die Deh - nungs amplitude, also den halben Abstand zwischen minimalem und maximalem Deh nungs - wert, zu reduzieren und zum anderen das Auf - treten kritischer Zugspannungen bzw. Deh nun - gen im positiven Bereich, gänzlich zu vermeiden. Hierzu stehen für die Werk zeug auslegung folgende Konstruktionsparameter zur Ver fü - gung, die auf beide Größen unterschiedliche Einflüsse ausüben: 1. Werkstoff des Formeinsatzes: Der E-Modul des Formeinsatzes beeinflusst die Steifig keit des Werkzeugsystems und da mit die Höhe der Dehnungen und die Deh nungs am pli tu de. Generell gilt: Je höher der E-Mo dul, desto höher die Steifigkeit des Werk zeug systems und desto geringer die Deh nungs amplitude. Hartmetall und Ke ramik weisen einen deutlich höheren E-Modul als Werk zeug stahl auf. Bei diesen beiden Werk stof fen ist je doch die Zug span nungs empfind lichkeit be sonders stark ausgeprägt und positiven Deh nungen sollten nach Mög lichkeit vollständig vermieden werden. Die Druck festigkeit des Werk - stoffs stellt zudem die obere Grenze für die aufbringbare Vor spannung dar. Ge för dert durch die German Cold Forging Group wur - den am LFT Druckversuche mit Werk zeug - stählen durchgeführt und deren wesentliche Kenngrößen bestimmt, wie Bild 3 am Bei - spiel des Schnell ar beits stahls S 6-5-2 (1.3343) zeigt. Ebenso wur de in den vergangenen 32 Schmiede-Journal September 2009 Bild 4: Verlauf der Tangentialdehnung im ausfallkritischen Bereich des Kugelwerkzeugs wäh rend des Umformprozesses für verschiedene Vorspannungen. Jahren auch der Einsatz von Keramik (Sili zi um ni trid) als Werk zeugwerkstoff un - tersucht. Bei optimal aus gelegter Armie rung mit zusätzlicher axialer Vorspannung gelang es in einem Projekt der Bayerischen For - schungs stiftung, Brüche der Kera mik ma trize zu verhindern. Die Kera mik zeigte zwar in Reib tests niedrigere Reib wer te als Stahl und Hartmetall, jedoch kam es bei ihr ebenfalls zu Oberflächenzerrüttung und Ver schleiß, so dass die erzielte Le bensdauer die der Hart - me tallwerkzeuge erreichte, je doch nicht übertraf. Bei einem von der AiF geförderten Projekt zur Halb warm um for mung mit Ke ra - mik werk zeugen zeigte sich ein gleichmäßiger Ver schleiß ohne Riefen bil dung, jedoch kam es mehrmals zum un vermittelten und vollständigen Bruch des Keramik ein satzes. 2. Durchmesser des Formeinsatzes: Er be ein - flusst die Verteilung der Vorspannung im Formeinsatz. Prinzipiell werden niedrige Durch messer angestrebt, um die Vor span - nung nahe am kritischen Werkzeugbereich einzuleiten. Zu geringe Durchmesser des Formein satz es können jedoch zu starken Deformationen bis hin zum Bruch des Formeinsatzes führen. 3. Vorspannung: Anzahl und Übermaß der einzelnen Ringe sowie deren Steifigkeit bestimmen die Höhe der Vorspannung, die in radiale Richtung auf den Formeinsatz wirkt. Da sich die Tangentialspannung bei jedem Über - gang von einem zum anderen Ring abbaut, können durch mehrere Ringe insgesamt höhere Vorspannungen als durch einen einzelnen Ring erzeugt werden. 4. Steifigkeit der Armierung: Mit der Größe des Armierungsverbandes insgesamt steigt sei ne Steifigkeit und erniedrigt sich die Deh nungs - amplitude. Eine höhere Steifig keit der Ar - mie rung kann auch durch die Verwendung von Hartmetall als Armie rungswerkstoff er - zielt werden. 5. Schließkraft des Werkzeugs: Werden die Form einsätze mit Federn oder hydraulischen Sys temen geschlossen, beeinflusst auch die resultierende Schließkraft den Span nungs-Dehnungs-Zustand im Form - einsatz. Die Werkzeuganalyse mit der FE-Simu lation ermöglicht es, durch Varianten rechnun gen den Einfluss dieser Konstruktions para meter auf den Spannungs-Dehnungs-Zustand im ausfallkritischen Werkzeug zu berechnen, wie die FE-Si - mulationen in Bild 1 und Bild 2 zeigen. Optimierung der Werkzeugvorspannung Am Beispiel des in Bild 1 dargestellten Ku - gel pressens soll die Optimierung der Werk zeug - auslegung verdeutlicht werden. Die FE-Si mu la - tion der bestehenden Werkzeug aus legung mit den relativen Übermaßen 5,0 und 3,0 ‰ ergab, dass die Tangential deh nun gen im ausfallkritischen Werkzeug bereich wäh rend der Um for - mung deutlich in den positiven (Zug-) Bereich ansteigen, wie die rote Linie in Bild 4 zeigt. Aufgrund der hohen Ver schließ belastung beim Auftreffen der Scherkante des Rohlings auf das Werkzeug, das zu frühzeitiger Ober flä chen zer - rüt tung führte, sollte Hart metall als Werk zeug - werk stoff eingesetzt werden. Selbst bei einer mit einem zusätzlichen Ar mierungsring stark er höh - ten Vorspannung (5,5 / 4,5 / 3,0 ‰) füh ren je - 0,004 0,003 0,002 0,001 0 -0,001 -0,002 -0,003 -0,004 -0,005 -0,006 1,185 1,190 1,195 1,200 1,205 1,210 s 1,220 Prozesszeit Dehnung in Umfangsrichtung Kritischer Dehnungsbereich Unkritischer Dehnungsbereich Niedrige Vorspannung (5,0/3,0 ‰) Hohe Vorspannung (7,0/6,0/4,0 ‰) Mittlere Vorspannung (5,5/4,5/3,0 ‰) Bild 5: Abreißen des Matrizenrandes aufgrund zu ge - ringer Wandstärke bzw. zu hoher Vor spannung (links) und FE-Analyse der Ausfallursache (rechts). Bilder: Autor
2009-09-Schmiede-Journal
To see the actual publication please follow the link above