Spektrum SchmiedeJOURNAL September 2013 63 alisiert, komplex und zeitintensiv 1, 2. Vordergründiges Interesse des Produzenten ist es hingegen, die Fertigungsabläufe möglichst einfach und schnell mit hinreichender Genauigkeit gestalten zu können. Um diese Diskrepanz zu beseitigen, wurde in Zusammenarbeit der Autoren ein Konzept für die Verknüpfung von bewährten analytischen Ansätzen zur Prozesskettenauslegung, die Generierung und Bereitstellung von Daten für die Fertigungssysteme sowie eine durchgängige numerische Simulation der Umformprozesskette im Rahmen einer modernen Engineering-Umgebung entwickelt und am Beispiel einer Fertigungslinie für Eisenbahnräder realisiert. Prozesskette Der Herstellung von Eisenbahnrädern mittels Massivumformung liegt in der Regel die Prozesskette Trennen Rohteil, Erwärmung Rohteil, Vorformen, Zwischenformen, Fertigformen und Abkühlen beziehungsweise Wärmebehandlung zu Grunde. Durch die Form der Eisenbahnräder mit stark profiliertem Querschnitt ist es notwendig, die Vorform schrittweise der zu erzielenden Fertigform anzupassen. Eine Ausbildung der Querschnittsformen ausschließlich durch Schmieden findet nur bei kleineren Rädern statt. Üblicherweise wird die geschmiedete Querschnittsvorform durch mehrachsiges Walzen bei gleichzeitiger Durchmesservergrößerung reduziert und profiliert. Die abschließende Ausbildung der Fertigform erfolgt dann durch Kümpeln und Lochen. Während die Prozesskette in ihrem Aufbau kaum veränderlich ist, erfordert die Gestaltung der jeweiligen Zwischenformen, ihr Abgleich mit den realen Fertigungsergebnissen und ihre Optimierung eine iterative Vorgehensweise 3, 4. Eine erste Auslegung von Zwischenformen und Werkzeuggeometrien findet auf der Grundlage von analytischen Ansätzen, die auf empirischem und experimentell-theoretischem Wissen basieren, statt. Im Rahmen der analytischen Ansätze erfolgt die Berücksichtigung grundlegender Aspekte des Umformverhaltens der Werkstoffe wie zum Beispiel Stauchverhältnis, Umformvermögen, Umformgrad und der Einfluss der Fließspannung. Diese vereinfachenden Ansätze lassen keine genaue Berechnung der Umformvorgänge zu, wie sie zum Beispiel für die Präzisierung der analytischen Ansätze oder die komplexe Optimierung der Prozesskette notwendig sind. Dazu bedarf es der numerischen Lösung der Verfahren der elementaren und allgemeinen Plastizitätstheorie. So können dann auch Fragestellungen zum Einfluss von Temperaturverlauf, Werkstoffzusammensetzung, Gefüge und Wärmeübergang sowie den Vorgängen im Kontaktbereich Werkstück/ Werkzeug beantwortet werden. Umformsimulation Um die Vorgänge und Wechselwirkungen von Umformprozessen zu analysieren, werden Bild 1: Prozesskettenmodellierung am Beispiel der Herstellung von Eisenbahnrädern. vorzugsweise die Mittel und Möglichkeiten der Finite-Elemente-Methoden (FEM) angewandt. Die Ermittlung und Darstellung der verfahrensrelevanten Kennwerte erfolgt dabei auf der Grundlage einer möglichst exakten Beschreibung als thermisch-mechanisch gekoppelter Prozess sowie unter Berücksichtigung charakteristischer nichtlinearer Effekte. Von besonderer Bedeutung sind hierbei die Beschreibung der prozessbestimmenden Maschinenparameter und die Integration der zu Grunde liegenden Steuerungs und Regelalgorithmen in die Simulationssoftware. Ebenso spielen die zur Verfügung stehenden Materialmodelle (voll elastischplastisch, isotrop, anisotrop, kinematische Verfestigung, Bauschinger Effekt, et cetera), die Leistungsfähigkeit der Kontaktalgorithmen und die Beschreibung von Reibung, Wärmeleitung, dynamischer Effekte, komplexer Werkzeugbewegungen (lastgesteuert oder frei drehbar, federnd gelagert) eine wichtige Rolle für die erzielbare Ergebnisqualität. Das Ziel, eine möglichst hohe Vorhersagegenauigkeit und Qualität der Ergebnisse in möglichst kurzer Zeit zu erreichen, setzt zudem leistungsfähige Solver voraus. Entsprechend den Spezifika der Umformverfahren (zum Beispiel Schmieden, Walzen) stehen verschiedene optimierte Coretechnologien (zum Beispiel FEM = Finite- Elemente-Methode, FVM = Finite-Volumen- Methode), auch in Verbindung mit selbststeuernden Optimierungsstrategien, für die Umformprozesssimulation zur Verfügung 5, 6.
2013-09-Schmiede-Journal
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