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2013-03-Schmiede-Journal

Fachbeiträge Bild 1: Rundbacken-Querkeilwalzen (Simufact.forming). Bild 2: Querwalzsimulation, links Erstauslegung, rechts Variation Keilwinkel, Radien (Forge). SchmiedeJOURNAL März 2013 29 form. Das Halbzeug wird in den Walzspalt zwischen die Werkzeuge positioniert. Ein Stützlineal dient als Auflage und Positionierhilfe während des Prozesses. Die Berechnung erfolgt mit Schwerkraftdefinition, um die Werkstückposition während der Simulation des Prozesses möglichst realitätsnah abzubilden. Die Vernetzung des Halbzeuges erfolgt mit Hexaedern. Im dargestellten Beispiel weist das Halbzeug aus dem Werkstoff 1.0601 (C60) einen Ausgangsdurchmesser von 38 mm auf. Der dargestellte Querwalzprozess wird in Simufact.forming numerisch stabil simuliert. Um die rotatorische Mitnahme des Halbzeugs zu gewährleisten und den Effekt von Mitnahmeriefen abzubilden, sind die Reibkoeffizienten mit Werten von 0,4 bis 0,7 relativ hoch angesetzt. Eine exaktere Modellierung erfordert eine richtungsabhängige Reibungsdefinition. In Bild 2 sind die Ergebnisse der Simulation eines durch Flachquerkeilwalzen herzustellenden Bauteils als Kaltumformprozess dargestellt. Dabei wurde die Symmetrie der Umformung ausgenutzt, das heißt nur eine Hälfte des Teils wurde berechnet. Das Halbzeug aus dem Werkstoff AlMgSi1 hat einen Anfangsdurchmesser von 15  mm. Die Prozesssimulationen wurden mit Forge durchgeführt. Die gegenübergestellten Prozessergebnisse zeigen den Einfluss unterschiedlich ausgelegter Werkzeuge. In der oberen Darstellung sind für eine gegebene Werkzeugauslegung spiralförmige Walzfehler sichtbar. Durch Veränderung des Keilwinkels und der Radien wird ein qualitativ verbessertes Umformergebnis erzielt (untere Darstellung). Durch Simulationsstudien können neben den Parametern des Umformprozesses auch Einflussfaktoren wie die Werkstückpositionierung oder maschinentechnische Effekte analysiert werden. Beispielhaft dafür ist in Bild  3 die Rückwirkung eines unsymmetrischen Werkzeugeingriffs in Folge des Voreilens eines Werkzeugträgers beziehungsweise einer unzureichend definierten Lage des Halbzeugs während des Prozesses dargestellt. Links im Bild sind die Werkzeugkonturen in der Symmetrieebene durch die Linien dargestellt und rechts im Bild zeigt die Prozesssimulation, dass eine verstärkte Werkstoffaufstauung erzeugt wird. Diese entsteht am voreilenden Werkzeug. Mit der FE-Simulation lassen sich damit weitere, nicht-unmittelbar umformprozessbezogene Faktoren erfassen. Im Beispiel aus Bild 3 können kritische Grenzen in Bezug auf die Synchronität der Maschinenschlitten erkannt werden, Toleranzen für Prozessbedingungen wie zum Beispiel Einlegegenauigkeit abgeleitet werden oder Ursachen für Walzfehler, in diesem Fall der einer Überwalzung, erklärt werden. Die Ergebnisse aus den Simulationsrechnungen bilden die in der Praxis auftretenden Effekte sehr gut ab. Das Axialvorschubquerwalzen ist eine Querwalztechnologie, bei der die Umformung über die Relativbewegung der Walzen und des zylindrischen Werkstücks realisiert wird. Während der Axialbewegung des Werkstücks dringen die sich gleichsinnig drehenden Walzen in radialer Richtung gesteuert in das Werkstück ein und formen im Prozessverlauf die gewünschte Endkontur  4. Im Hinblick auf die Anwendbarkeit des Verfahrens für kleine und mittlere Stückzahlen ist die Prozessauslegung mittels numerischer Simulation ein wichtiger Baustein für die breite Anwendung des Verfahrens. Das Modell zur numerischen Simulation des Axialvorschubquerwalzens besteht aus den zwei formgebenden Walzen, dem Halbzeug und einem Manipulator. Der Manipulator, der fest mit dem Halbzeug verbunden ist, hat einen rotatorischen Freiheitsgrad um die Mittelachse des Halbzeugs und wird mittels einer Linearbewegung positioniert. Durch die Bewegung des Manipulators in axialer Richtung wird eine definierte Länge des Halbzeugs umgeformt. Bild  4 zeigt das Simulationsergebnis eines Axialvorschubquerwalzprozesses. Zur besseren Veranschaulichung ist nur eine im Eingriff befindliche Walze dargestellt. Das Werkstück wird rotatorisch mitgenommen und durch den Manipulator (graue Platte) axial bewegt. Gut erkennbar ist die auch in der Praxis auftretende Staubildung vor der Walze, das heißt entgegengesetzt zur mittels des Manipulators realisierten Vorschubbewegung. Bild 3: Querwalzsimulation, unsymmetrischer Werkzeugeingriff (Forge). Bild 4: Simulation Axialvorschubquerwalzen (Simufact.forming).


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