Auslegung von Profilwalzprozessen

Teilautomatisierte, numerische Auslegung und Erweiterung der Prozessgrenzen hinsichtlich Ausbringung und Formgebung beim Profilwalzen

Motivation

Die fortschreitende Digitalisierung durchwirkt auch im Maschinenbau immer mehr Bereiche der Wertschöpfung. In der Kaltmassivumformung birgt dabei besonders die Nutzung der Finite-Elemente-Methode (FEM) im Auslegungsprozess ein hohes Potential aufgrund der häufig komplexen Prozessketten sowie hohen Werkzeugkosten. Während für viele Prozesse der Kaltmassivumformung die Nutzung der FEM im Auslegungsprozess bereits zum Stand der Technik gehört, beschränkt sich die FEM-Simulation des Profilwalzens aufgrund der äußerst herausfordernden Reib- und Kontaktmodellierung lediglich auf Machbarkeitsstudien und findet aktuell keine umfassende Anwendung im industriellen Umfeld. Die Entwicklung eines verifizierten und validierten Simulationsmodells im Rahmen des abgeschlossenen Forschungsprojekts IGF 18395 N stellt einen ersten großen Schritt zur Nutzung der FE-Methode in der Auslegung von Profilwalzprozessen dar, auf welchen im Projekt IGF 20722N aufgebaut werden kann.

Zielsetzung

Ziel des Projekts ist eine Verbesserung des Profilwalzprozesses hinsichtlich der Ausbringung und des Werkzeugverschleißes auf Basis numerisch gewonnener Daten. Neben der Werkzeugoptimierung bereits bestehender Profilwalzprozesse wird langfristig eine Erweiterung des Produktspektrums sowie eine Verwendung der FEM-Simulation im Auslegungsprozess selbst angestrebt.

Lösungsweg

Zu Beginn des Projekts werden mittels der FEM-Simulation die konstruktiven Optimierungsmöglichkeiten der Walzbacken identifiziert. Dabei wird aufgrund des erheblichen Einflusses des tribologischen Systems auf den Erfolg des Profilwalzprozesses besonderes Augenmerk auf die tribologischen Lasten gelegt. Auf Basis der so gewonnenen Erkenntnisse werden optimierte Walzbacken ausgewählt, gefertigt und deren Performance im industriellen Umfeld in Kooperation mit Projektpartnern untersucht. Die adaptierten Werkzeuge werden zusätzlich mithilfe hochauflösender Abdrücke konfokalmikroskopisch auf deren Verschleißverhalten untersucht. Die Kombination der gewonnenen Erkenntnisse bildet die Basis für die angestrebte Walzwerkzeugoptimierung hinsichtlich Ausbringung und Verschleiß. Das langfristige Ziel der Erweiterung des Produktspektrums des Profilwalzens sowie der Etablierung der Nutzung der FEM-Simulation in der Prozessauslegung wird durch eine weiterführende Verbesserung der Reibmodellierung verfolgt. Aufgrund der starken Inhomogenität der tribologischen Lasten über der Kontaktfläche wird mithilfe von Subroutinen ein erweitertes Reibmodell in die Simulation implementiert. Die dafür notwendigen Reibkoeffizienten werden mithilfe des am PtU entwickelten Gleitstauchversuchs ermittelt.

Danksagung

Das PtU dankt der AiF, der German Cold Forging Group (GCFG) sowie den beteiligten Firmen für die Unterstützung bei der Durchführung des IGF Projektes Nummer 20722 N.