Verschleiß und Werkzeugbelastung

Durch die Berechnung der Werkzeugbelastung wird das Ziel der Vorhersage von mechanischen und thermischen Belastungen auf der Werkzeugoberfläche erreicht. Während intensive thermische Belastungen zu einer verschleißfördernden Abnahme der Werkzeugmaterialgüte führen, erlaubt die Berechnung der mechanischen Belastung die genaue Lokalisierung von Spannungsspitzen. Diese Spannungsspitzen fördern in der weiteren Benutzung des Werkzeuges die Entstehung von Rissen, was wiederum zum schlagartigen Versagen des Werkzeuges führen kann. Um dies zu vermeiden wird untersucht, wie durch leistungsfähigere Materialien oder eine besser angepasste Auslegung des Werkzeugs ein zu frühes Versagen verhindert werden kann. Dadurch können die Kosten in der späteren Produktion reduziert und eine höhere Standmenge erreicht werden. Die Berechnungen werden dabei den aktuell auftretenden Belastungen und damit einhergehenden Formveränderungen angepasst.

Aus dem aktuellen Stand der Technik zur Verschleißanalaytik ist bekannt, dass die Verschleißentwicklung eines Umformwerkzeuges als nicht-linear anzunehmen ist. So wird zwischen einer Einlaufphase, in der ein unregelmäßiges Verschleißverhalten beobachtet wird und einer daran angeschlossenen Phase, in der sich der Verschleiß linear entwickelt, unterschieden. Eine dritte, nicht zwangsläufig immer auftretende Phase ist durch ein quasi schlagartiges Versagen des Werkzeuges geprägt. Im Rahmen von FE-Berechnungen mit genutzten Archard-Verschleiß Modell wird davon ausgegangen, dass die Einsatzhärte des Werkzeugs unveränderlich ist, wodurch nur eine lineare Verschleißentwicklung abgebildet werden kann. Durch aktuelle Forschungen ist es am IFUM möglich die Härteevolution in Abhängigkeit von thermischer und mechanischer Belastung über die Zyklenzahl abzubilden. Auf diese Weise kann die Einlaufphase und die Ausprägung der daran angeschlossenen kontinuierlichen Verschleißphase näher charakterisiert werden. Dies ermöglicht es Unternehmen die Standzeiterwartung ihrer Werkzeuge genauer auf Basis konkreter Kennzahlen abzuschätzen, was zu Einsparungen bei der Fertigungsplanung führt.

Übersicht Leistungsangebot Numerische Prozessuntersuchung

Veröffentlichung

Als eines der ältesten formgebenden Fertigungsverfahren ist das Schmieden und insbesondere das Warmschmieden, welches durch extreme Belastungen des Werkzeugs gekennzeichnet ist. Insbesondere die thermische Belastung ist in der Lage, ständige Änderungen in der Härte der Randschicht zu bewirken, was wiederum einen entscheidenden Einfluss auf die numerische Abschätzung des Verschleißes hat. Daher muss auch beim numerischen Verschleiß die Modellierung von Härteänderungen berücksichtigt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine neue Implementierung eines numerischen Verschleißmodells vorgestellt, das neben dynamischen Härtemodellen für den Grundwerkstoff auch die Eigenschaften einer Nitrid-Verschleißschutzschicht in Abhängigkeit von der Verschleißtiefe berücksichtigt.

„Multi-Layer Wear and Tool Life Calculation for Forging Applications Considering Dynamical Hardness Modeling and Nitrided Layer Degradation“

Bernd-Arno Behrens, Kai Brunotte, Hendrik Wester, Marcel Rothgänger und Felix Müller (2020)   Materials, Volume: 14, Ausgabe 1, Seite: 104