Entwicklung eines Reibmodells für hohe Temperaturen und hohe Umformgrade

Horwatitsch, Dieter

kassel university press, ISBN: 978-3-86219-646-3, 2013, 172 Seiten
(Berichte zur Metallformgebung 3)

URN: urn:nbn:de:0002-36472

Zugl.: Kassel, Univ., Diss. 2012

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Inhalt: Um bei der Optimierung bestehender oder bei der Entwicklung neuartiger Umformprozesse die Finite-Elemente-basierte Prozesssimulation zu effizienten Unterstützung einsetzen zu können, bedarf es Modellen, die die in den Prozessen maßgeblichen Mechanismen hinreichend gut beschreiben können. Darum ist auch Augenmerk auf die Modellierung der Reibung zwischen Werkstück und Werkzeug zu legen. Üblicherweise werden in der Prozesssimulation das Reibmodell nach Coulomb sowie das Scherreibmodell verwendet. Die jeweiligen gewählten konstanten Parameter berücksichtigen allerdings nicht lokale Kontaktbedingungen, die großen Einfluss auf
das Reibverhalten ausüben. Ein neu zu entwickelndes erweitertes Reibmodell muss also diese Effekte beschreiben.

Auf Basis des Reibmodells nach Coulomb wird die Einbeziehung von vier Haupteinflussgrößen Oberflächenvergrößerung, Relativgeschwindigkeit, Kontaktnormalspannung und Werkstücktemperatur angestrebt. Die Berücksichtigung der Oberflächenvergrößerung bedeutet, dass die Reibungsmessung unter Umformbedingungen stattfinden muss. Eine weitere Anforderung an tribologische Versuchsmethoden ist die möglichst getrennte Einstellung der Einflussgrößen.

Um die gewählten Versuchsmethoden – Pin-on-Disk-Test, Ringstauchversuch, Umformtribometer-Versuch und Streifenziehversuch – untereinander besser vergleichen zu können, werden für die Versuche Proben aus EN AW-1050 und EN AW-6082 verwendet. Diese Versuche dienen der Bewertung der Verwendbarkeit jeder einzelner Methode für die Entwicklung des Reibmodells. Sowohl der Pin-on-Disk-Test als auch der Ringstauchversuch ist f¨ur die Ermittlung der Reibmodellkoeffizient nicht zu empfehlen, da sich beim Pin-on-Disk-Test schon nach kurzer Versuchszeit stationäre, elastische Kontaktbedingungen und beim Ringstauchversuch aufgrund des Versuchsprinzip nur instationäre Verteilung einzelner Einflussgrößen einstellen.

Im Gegensatz dazu eignen sich die Methoden Umformtribometer-Versuch und Streifenziehversuch durch die jeweiligen Versuchsprinzipien und die apparativen Ausführungen zur Ermittlung der gewünschten Modellkoeffizienten. Für den Streifenziehversuch ist eine umfangreiche Herleitung der Bestimmungsgleichungen der Reibzahl und aller Einflussgrößen notwendig. Im Besonderen trifft dies auf die Werkstücktemperatur zu, da die Messung der Streifentemperatur mittels Pyrometer nicht der Werkstücktemperatur im Reibkontakt entspricht. Der Zusammenhang wird durch eine zweiteilige Wärmeleistungsbilanz hergestellt.

Anhand von ausgewählten Streifenziehversuchen kann der Zusammenhang zwischen der Reibzahl und jeweils eine der Haupteinflussgrößen hergestellt werden. Diese Erkenntnisse fließen nun in die Aufstellung der Grundstruktur des erweiterten Reibmodells ein. Die Modellkoeffizienten dieses Modells werden durch eine nichtlineare Regressionsrechnung ermittelt. Dazu stehen die Ergebnisse einer Versuchsmatrix mit graphitbeschichteten Streifen aus EN AW-6082-T4 zur Verfügung. Bei Vergleich zwischen der gemessenen und der mit dem neu entwickelten Modell errechneten Reibzahl zeigt, dass das neuentwickelte Reibmodell die Auswirkung von lokalen
Kontaktbedingungen auf das Reibverhalten zufriedenstellend beschreibt.

Bei der Simulation eines Napfrückwärtsfließprozesses zeigt sich, dass das neu entwickelte erweiterte Reibmodell den realen Versuch am besten abbilden kann.

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