Lehrstuhl für Fertigungstechnologie, Universität Erlangen-Nürnberg

Beitrag zur Oberflächenermüdung von Umformerkzeugen



Datum: 19.03.1993


Autor


Berichterstatter

  • Prof. Dr.-Ing. M. Geiger
  • Prof. Dr.-Ing. habil. G. Kuhn
  • Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. K. Lange

Zu geringe Werkzeugstandmengen, ungenügende Prozeßsicherheit und Maschinenverfügbarkeiten durch unkalkulierbaren Werkzeugausfall sowie übermäßig lange Entwicklungszeiten bei der Werkzeugkonstruktion charakterisieren die Werkzeugproblematik in der Umformtechnik. Nur der konsequente Rechnereinsatz in Konstruktion und Verfahrensentwicklung kann zukünftig eine entscheidende Verbesserung der Situation bringen. Ein wesentlicher Schritt auf diesem Weg ist die Einführung der FE-Prozeßsimulation und der darauf aufbauenden Simulation des Werkzeugversagens. Eine wichtige Aufgabe der Prozeßsimulation in der Umformtechnik dabei ist es, auch das Werkzeugverhalten mit zu berücksichtigen und für den Entwickler kalkulierbar werden zu lassen. Damit öffnet sich die Möglichkeit, das Werkzeug bereits im Vorfeld der Fertigung, d.h, in der Entwurfs- und Konstruktionsphase prozessgerecht zu gestalten und zu optimieren. Durch Simulation der Betriebsbeanspruchung und der damit einhergehenden Werkzeugschädigung können Schwachstellen einer gewählten Werkzeugauslegung erkannt und mögliche Optimierungsmaßnahmen bereits am Rechnermodell erprobt und bewertet werden. Im Bereich der Kaltmassivumformung interessiert hierbei vorrangig das Ermüdungsbruchverhalten der Werkzeuge. Für eine prozessoptimierte Werkzeugauslegung gilt es vor allem, die Anrissbeständigkeit der Werkzeuge, die das weitere Bruchverhalten maßgeblich mitbestimmt, entscheidend zu verbessern. Ein wesentlicher Aspekt hierbei ist die Phase der Ermüdungsrissbildung, d.h. der Rissinitiierung, an der Werkzeugoberfläche. Die Bereitstellung der erforderlichen theoretischen Grundlagen zur Simulation der Oberflächenermüdung bzw. Rissinitiierung im Rahmen der Versagenssimulation und nachfolgenden Werkzeugoptimierung war Aufgabe und Gegenstand dieser Forschungsarbeit. Ein anfänglicher Vergleich aus der Literatur bekannter Ansätze zur Beschreibung der Oberflächenermüdung zeigt, dass die bisherigen Lösungen für die Anwendung bei Umformwerkzeugen aufgrund der dort vorherrschenden komplexen Beanspruchungsbedingungen nicht geeignet erscheinen. Ein weiterer Beitrag stellt als Ergänzung ein weiterentwickeltes energiedichtebezogenes Versagenskriterium zur Simulation der Ermüdungsrisseinleitung vor. Der direkte Vergleich von umfangreichen experimentellen und numerischen Ermüdungsuntersuchungen am Beispiel gekerbter Dreipunktbiegeproben sowie Fliesspressmatrizen demonstriert die Brauchbarkeit und den Vorteil dieses Ansatzes. Die abschließenden Anwendungsbeispiele beschreiben zusammenfassend die zukünftigen Einsatzmöglichkeiten der Versagenssimulation bei der Werkzeugoptimierung.