Reibmodell

Entwicklung eines Reibmodells zur Beschreibung der tribologischen Verhältnisse in der Kaltmassivumformung bei strukturierten Halbzeugoberflächen

 

Problemstellung

Umfangreiche Prozesssimulationen in der Umformtechnik kristallisieren sich mehr und mehr als Faktor für erfolgreiche Werkzeug- und Prozessplanung in Unternehmen der Kaltmassivumformung heraus. Der steigende Kostendruck verlangt nach schnellen, aussagekräftigen Simulationen, die die Anzahl an Realversuchen minimieren und somit Prozessauslegungen an kritischen Stellen im Produktionsprozess vereinfachen.

Zudem besteht Bedarf an alternativen Schmierstoffsystemen, die es in Zukunft ermöglichen sollen, gebräuchliche Tribosysteme zu ergänzen. Die heute erfolgreich eingesetzten Bonderverfahren zeichnen sich neben ihren guten Schmierungseigenschaften unter hohen Drücken durch schlechte Umweltverträglichkeit sowie hohen Reinigungsaufwand vor nachfolgenden Bearbeitungsschritten aus.

Moderne FE-Systeme bieten für die Massivumformung weit entwickelte Modellierungs- und Berechnungsalgorithmen. Den komplexen Vorgängen im Tribosystem wird aufgrund der einfachen Reibmodelle nur unzureichend Rechnung getragen. In [Abbildung 1] sind die heute häufig implementierten Reibmodelle nach Coulomb sowie das Reibfaktorgesetz abgebildet.

Die Effekte der lokal auftretenden, starken Oberflächenveränderungen durch Einebnung und Reibung, die während der Kaltmassivumformung auftreten, können diese Modelle nicht abbilden. Eine lokale Vernetzung der Werkstückoberfläche mit hinreichend engen Elementstrukturen könnte die Auswirkungen der Strukturierungen am Werkstück erfassen. Jedoch sprengen die dafür notwendigen Rechenoperationen bei weitem die aktuellen Rechnerleistungen.

Abbildung 1: Reibmodelle
Abbildung 1: Reibmodelle

Zielsetzung

Im Rahmen eines DFG-Projektes wird ein halbempirisches Reibmodell entwickelt, das den aktuellen Anforderungen aus der Kaltmassivumformung gerecht wird. Neue Ansätze, wie die Reduktion von Prozesskräften durch gezielte Oberflächenstrukturierung zur Ausbildung von hydrostatischen und dynamischen Schmierstofftaschen werden integriert. Dieses Reibmodell kann in FE-Entwicklungsumgebungen implementiert werden. Während der Entwicklungsphase soll das Reibmodell in der Software MSC-Superform getestet werden.

Das zu entwickelnde Reibmodell basiert auf physikalischen Grundlagen, erfasst alle wesentlichen Einflussparameter, die Auswirkungen auf das tribologische System haben, und soll ohne Ermittlung spezieller Kenngrößen auf andere tribologische Systeme übertragbar sein.

Lösungsweg

Basierend auf der Entwicklung von Reibmodellen für unstrukturierte Probenflächen wird ein Modell für strukturierte Probenoberflächen entwickelt. Für die Ermittlung der Reibwerte unter verschiedenen Prozesszuständen wird die institutseigene Gleitstauchanlage angepasst und erweitert. Hierfür wird die Probe auf der Mantelfläche liegend gestaucht und unter Aufrecherhaltung der Stauchkraft über die Reibplatte gezogen [Abbildung 2].

Abbildung 2: Gleitstauchversuch mit eingeformter, stehender Probe
Abbildung 2: Gleitstauchversuch mit eingeformter, stehender Probe

Die gezielte Einstellbarkeit von Oberflächenvergrößerung, Kontaktnormalspannung, Reibweg, Relativgeschwindigkeit und Temperatur gewährleistet die Abbildung industrieller Umformparameter in dem hier angewandten Laborversuch. Die Verifikation der Ergebnisse erfolgt am Beispiel eines dreistufigen Vollvorwärtsfließpressprozesses.