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

Autor: Madjid Alasti

ISBN: 978-3-941416-00-0

Dissertation, Leibniz Universität Hannover, 2008

Herausgeber der Reihe: Bernd-Arno Behrens

Band-Nr.: IFUM 05/2008

Umfang: 131 Seiten, 91 Abbildungen

Schlagworte: Schmieden, Reibung, Wärmeübergang, FEM-Simulation

Kurzfassung: 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.