Modellierung von Reibung und Wärmeübergang in der FEM-Simulation von Warmmassivumformprozessen

Die im Stand der Technik beschriebenen Modelle zur mathematischen Beschreibung
der Reibung und des Wärmeübergangs in der Wirkfuge von Schmiedeprozessen
basieren zumeist auf einem veralteten Stand an Möglichkeiten zur Untersuchung
dieser Größen. Die zugrunde liegenden FEM-Programmversionen sowie die verfügbare
Rechnerleistung zur Bewältigung des Berechnungsaufwandes ließen in der
Regel nur zweidimensionale numerische Modelle zu, die zudem lediglich eine starre
Betrachtung der formgebenden Werkzeuge enthielten. Dies führte jedoch stets zu
einer stark fehlerbehafteten Modellbildung der Reibung und des Wärmeübergangs.
Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Reib- und eines Wärmeübergangsmodells
zur Erhöhung der FEM-Simulationsgenauigkeit von Schmiedeprozessen. Damit soll
ein Beitrag geleistet werden, die Grenzen der Schmiedetechnologie mit modernen
Methoden zu erweitern und somit die Zukunftsfähigkeit dieser Technologie zu
sichern.
Ein wesentlicher Aspekt dieser Arbeit ist u. a. die genaue Beschreibung des Kontaktdrucks
in der Wirkfuge, das die Grundlage für die optimierte Beschreibung der
Reibung und des Wärmeübergangs und somit auch der Materialeigenschaften bildet.
Dies erfolgt auf Basis elastisch modellierter Werkzeuge, die zudem eine lokal und
zeitlich variable Berechnung der Werkzeugoberflächentemperaturen erlauben. Mit
Hilfe dieser optimierten Beschreibung des Kontaktdrucks und der Oberflächentemperaturen
wird es ermöglicht, eine präzisere Modellierung des Wärmeübergangs in
Abhängigkeit des Kontaktdrucks und der Fließspannung des Werkstücks an der
Oberfläche zu erreichen. Die genaue Bestimmung des Wärmeübergangs verhilft
wiederum zur genaueren Berechnung der lokalen Fließspannung und der Werkstückschrumpfung,
die wiederum maßgeblich den Kontaktdruck in der Wirkfuge
bestimmt. Die beschriebenen Eingangsdaten bilden die Grundlage für eine kontaktdruck-
und fließspannungsabhängige Beschreibung der lokal vorliegenden Reibung.
Dazu erfolgt die dreidimensionale FEM-Modellierung von Schmiedeprozessen auf
Basis der heute verfügbaren FEM-Software und leistungsfähigen Mehrprozessor-
Rechner. Zur Untersuchung des Wärmeübergangs wird ein Schmiedeprozess zur
Herstellung eines geradverzahnten Zahnrades betrachtet. Die messtechnische
Erfassung der Temperaturverhältnisse erfolgt mit Hilfe einer modernen Thermografiekamera
mit hohem Auflösungsvermögen. Zur Untersuchung der Reibverhältnisse
beim Schmieden wird ein Versuchsstand auf Basis des Napf-Rückwärts-
Fließpressprozesses entwickelt, der aufgrund der hohen Kontaktdrücke und der
hohen Relativgeschwindigkeiten zwischen Werkstück und Werkzeug sowie der
Oberflächenvergrößerung des Werkstücks in idealer Form die Zustände in der
Wirkfuge beim Schmieden repräsentiert. Die Ergebnisse bilden anschließend die
Grundlage zur Modellbildung für die Wärmeübergangs- und Reibungsbeschreibung.