Mikromechanische Simulation

Mikromechanische Simulation von Grenz- und Mischreibungsphänomenen in der Blechumformung

 

Problemstellung

In der Blechumformung treten große Flächen von Werkzeug und Werkstück miteinander in Kontakt, die sich während des Umformvorgangs relativ zueinander bewegen. Für die Prozessauslegung ist daher die Kenntnis der tribologischen Verhältnisse unerlässlich.

Die Abbildung der makroskopischen Reibvorgänge in FEM-Modellen ist in guter Näherung mit empirischen Modellen bereits gelungen (z. B. FR=FN*µ). Die Berechnung lokaler Reibschubspannungen ist mit Hilfe dieser Gesetze bei Umformprozessen aber bislang nicht möglich. Zur mathematischen Formulierung der in der Wirkfuge stattfindenden mikroskopischen Vorgänge mangelt es bis dato noch am physikalischen Verständnis.

Hydrostatisch und hydrodynamisch wirkende Schmierstofftaschen bilden sich im Laufe der Umformung auf der Oberfläche aus und beeinflussen so die tribologischen Verhältnisse. Die Wechselwirkung zwischen unterschiedlichen Oberflächenstrukturen und Schmierstoffen kann bislang nur unzureichend beschrieben werden. Sowohl experimentell als auch analytisch und numerisch stellt diese Analyse eine Herausforderung dar, der sich im Rahmen dieses Projektes gestellt wird.

Zielsetzung

Das Forschungsvorhaben zielt daher auf die Analyse und Modellierung der zwischen Werkzeug und Werkstück auftretenden Grenz- und Mischreibungsphänomene in der nicht durch Erwärmung unterstützten Blechumformung ab.

Vorgehen

Hierzu sollen zum einen experimentelle Untersuchungen mit der Möglichkeit zur in situ Beobachtung der lokalen Schmierstofffilmdicken und –drücke sowie der Oberflächenwandlung während des Umformprozesses mittels Innenhochdruckumformen (IHU) durchgeführt werden. Das Versuchskonzept ist im Folgenden erläutert.

Abbildung 1: Schematischer Aufbau des Prüfstandes zur in Situ Beobachtung beim Innenhochdruckaufweiten von Rohren; oben: vor dem Umformen; unten: nach dem Umformen
Abbildung 1: Schematischer Aufbau des Prüfstandes zur in Situ Beobachtung beim Innenhochdruckaufweiten von Rohren; oben: vor dem Umformen; unten: nach dem Umformen

Das Rohr wird ins Werkzeug eingelegt, mit Dichtstempeln abgedichtet und mit dem Wirkmedium gefüllt. Der Innendruck wird so lange erhöht, bis sich das Rohr komplett an die Werkzeugkontur angelegt hat. Die durch den Druck erzeugten Kontaktnormalspannungen bewirken Änderungen der tribologischen Verhältnisse im System Werkzeug, Schmierstoff, Werkstückoberfläche. In die Gravur ist ein Schauglas eingearbeitet, das dem im Prüfstand installierten Mikroskop Einblick ins Innere des Werkzeugs gewährt. So ist es möglich, die Veränderungen in der Wirkfuge direkt während der Umformung zu beobachten.

Zur Gewinnung detaillierter Kenntnisse bezüglich der Beeinflussung der Spannungszustände im Werkstück durch die Schmierstoffdrücke erfolgt zum anderen eine Modellierung der Vorgänge mit Hilfe numerischer Methoden.

Durch Oberflächeneinglättung und -aufrauung können abgeschlossene Schmierstofftaschen entstehen, in denen im Schmierstoff hydrostatischer Druck aufgebaut werden kann. Durch Tangentialbewegungen zwischen Werkzeug zu Werkstück entstehen hydrodynamische Effekte im Schmierstoff, deren Auswirkungen auf die Oberfläche bislang weitestgehend unbekannt sind.

Die Numerische Modellierung soll Aufschluss darüber geben, in wie weit Spannungen und Dehnungen im Material entstehen, die die Umformung in entscheidendem Maße beeinflussen.

Abbildung 2: Vereinfachte Oberflächenstruktur mit hydrostatisch und hydrodynamisch wirkenden Schmierspalten
Abbildung 2: Vereinfachte Oberflächenstruktur mit hydrostatisch und hydrodynamisch wirkenden Schmierspalten

Zur numerischen Analyse wird eine Fluid-Struktur-Simulation verwendet [Abbildung 3]. Jeweils ein Solver löst dabei strukturmechanische bzw. strömungsmechanische Gleichungen. Die Ergebnisse werden über einen Kopplungsalgorithmus verbunden, der die Kopplungsparameter und -verfahren (z.B. serielle oder parallele Kopplung) definiert.

Abbildung 3: Schematische Darstellung einer Fluid-Struktur-Interaktion (FSI))
Abbildung 3: Schematische Darstellung einer Fluid-Struktur-Interaktion (FSI))