Abgeschlossenes Projekt: Thermo-Tribologie. ZIM-Kooperationsprojekt Laufzeit:

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Lorenz Förstner
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Abgeschlossenes Projekt: Thermo-Tribologie Entwicklung einer innovativen Auslegungsmethodik und computergestützter Analyse-Tools zur thermisch-tribologisch gekoppelten Analyse und Optimierung von

1 Abgeschlossenes Projekt: Thermo-Tribologie Entwicklung einer innovativen Auslegungsmethodik und computergestützter Analyse-Tools zur thermisch-tribologisch gekoppelten Analyse und Optimierung von temperaturabhängigen Prozessen in der Kaltmassivumformung ZIM-Kooperationsprojekt Laufzeit: Mitgliederversammlung der GCFG, Hagen 1 Abgeschlossenes Projekt: AP 1 Thermo-Tribologie Entwicklung einer innovativen Auslegungsmethodik und computergestützter Analyse-Tools zur thermisch-tribologisch gekoppelten Analyse und Optimierung von temperaturabhängigen Prozessen in der Kaltmassivumformung Teilprojekt PtU Entwicklung eines temperaturgeregelten Reibversuchs für Prozesse der Kaltmassivumformung Mitgliederversammlung der GCFG, Hagen 2 1

2 Abgeschlossenes Projekt: AP 2 & 4 Thermo-Tribologie Entwicklung einer innovativen Auslegungsmethodik und computergestützter Analyse-Tools zur thermisch-tribologisch gekoppelten Analyse und Optimierung von temperaturabhängigen Prozessen in der Kaltmassivumformung Teilprojekt Filzek TRIBOtech Einfluss variabler Umformtemperaturen auf die Tribologie bei der Kaltmassivumformung Mitgliederversammlung der GCFG, Hagen 3 Abgeschlossenes Projekt: Thermo-Tribologie Entwicklung einer innovativen Auslegungsmethodik und computergestützter Analyse-Tools zur thermisch-tribologisch gekoppelten Analyse und Optimierung von temperaturabhängigen Prozessen in der Kaltmassivumformung Teilprojekt CPM Entwicklung eines Software-Tools zur Analyse der Temperaturentwicklung in Kaltmassivumformwerkzeugen zur tribologischen Prozessbewertung und optimierung Mitgliederversammlung der GCFG, Hagen 4 2

3 Abgeschlossenes Projekt: AP 6 Thermo-Tribologie Entwicklung einer innovativen Auslegungsmethodik und computergestützter Analyse-Tools zur thermisch-tribologisch gekoppelten Analyse und Optimierung von temperaturabhängigen Prozessen in der Kaltmassivumformung Teilprojekt Schondelmaier Entwicklung einer Methodik zur gekoppelten thermisch-tribologieorientierten Prozessauslegung in der Kaltmassivumformung Mitgliederversammlung der GCFG, Hagen 5 Arbeitspakete 1 1 Entwicklung eines temperaturgeregelten Reibversuchs 3 Analyse der auftretenden Temperaturen im Prozess 2 Untersuchung des Temperatureinflusses 5 Berechnung der Temperaturen in den Umformwerkzeugen (Software Tool) 6 Thermisch-tribologische gekoppelte Prozessauslegung 4 Vorhersage von temperaturabhängigen Reibwerten (Software Tool) Mitgliederversammlung der GCFG, Hagen 6 3

Die Gleitstauchanlage des PtU der TU Darmstadt (Prinzipbild) Kurzbeschreibung: AP 1 Nachbilden tribologischer Lasten realer Prozesse Zweistufige Arbeitsweise: 1.

Lasten => Ermittlung eines Reibkoeffizienten (Reibkraft / Normalkraft) Temperierung der Werkzeuge (Gleitplatten) bis zu 400 C Probenerwärmung (Ofen oder Induktionsanlage) Regelung der Temperatur über

4 Die Gleitstauchanlage des PtU der TU Darmstadt (Prinzipbild) Kurzbeschreibung: AP 1 Nachbilden tribologischer Lasten realer Prozesse Zweistufige Arbeitsweise: 1. Stauchen => Einstellen von Kontaktnormalspannung und Oberflächenvergrößerung 2. Gleiten bei konst. Lasten => Ermittlung eines Reibkoeffizienten (Reibkraft / Normalkraft) Temperierung der Werkzeuge (Gleitplatten) bis zu 400 C Probenerwärmung (Ofen oder Induktionsanlage) Regelung der Temperatur über einen Temperaturfühler unter den Gleitplatten Temperaturbeobachtung über integriertes Pyrometer oder mit externer Thermokamera Derzeit kein direktes Messen in der Kontaktzone möglich Mitgliederversammlung der GCFG, Hagen 7 Gleitstauchanlage am PtU, TU Darmstadt Vergleich tribologischer Systeme und Temperatureinfluss AP 2 & Mitgliederversammlung der GCFG, Hagen 8 4

5 Software-Tool TriboProcess: Thermo-Tribologisches Verhalten über der Anzahl der Bauteile Tribologisches Verhalten in Abhängigkeit der Temperatur (Laborversuch) 0,3 [-] 0,25 rt e 0,2 w n 0,15 e Ḵ 0,1 o 0,05 T rib Temperatur [ C] Transformation mit Hilfe des TOOLTEMP-analysers* ] 160 [ C 140 r 120 tu ra 100 e 80 p m60 Te Anzahl Bauteile [-] *:CPM, Herzogenrath Tribologisches Verhalten in Abhängigkeit der Bauteilanzahl (TRIBOprocess-Tool) 0,3 [-] 0,25 rt e 0,2 w n 0,15 e Ḵ 0,1 o 0,05 T rib Anzahl Bauteile [-] AP 2 & Mitgliederversammlung der GCFG, Hagen 9 Temperaturmessungen im Realversuch (Hohlwelle) bei Fa. Schondelmaier Temperaturverläufe für Stempel der zweiten Umformstufe einer dreistufigen Umformung Napfrückwärtsfließpressoperation Thermoelement in Bohrung auf der Mittelachse des Stempels Abstand zur Stempelspitze: 10 mm Ergebnisse für drei unterschiedliche Schmierstoffsysteme Kontinuierlicher Temperaturanstieg bei fehlerfreiem Produktionsanlauf Deutlicher Temperaturabfall durch Produktionsunterbrechung (bei Schmierstoffsystem Seife ) Zacken im Temperaturverlauf = Temperaturänderungen während der Pausenzeiten (Auswerfen, etc.) AP Mitgliederversammlung der GCFG, Hagen 10 5

6 Grundkonzept des Analyseablaufes I: Mehrfachanwendung (rein therm.) auf Einzelhub einer Umformstufe eesy-2-form: Output-Datei: Umformsimulation (t/m) eines - Werkzeugkonturen Umformzykluses bei konst. - Wärmefluss an die Werkzeugtemperatur Werkzeuge (inkrementell) Thermische Analyse der Pausenzeit Daten-Import: - Werkzeugkonturen, etc. => Erstellung der FEM Modelle Thermische Analyse (FEM): - für alle Werkzeuge - für ein einzelnes Umforminkrement Simulationsergebnisse: inhomogenes Temperaturfeld in den Werkzeugen nach einem Umformzyklus Für jedes Inkrement der Umformsimulation TOOLTEMP-analyzer Ver Für beliebige Anzahl von Zyklen Ende; weiter zur Prozessauslegung Mitgliederversammlung der GCFG, Hagen 11 Grundkonzept des Analyseablaufes II: Mehrfachanwendung (rein therm.) auf Einzelhub einer Umformstufe, kombiniert mit Mehrfachsimulation (t/m) der Umformstufe eesy-2-form: Umformsimulation (t/m) eines Umformzykluses bei konst. Werkzeugtemperatur Output-Datei: - Werkzeugkonturen - Wärmefluss an die Werkzeuge (inkrementell) Temperaturfelder für die Umformwerkzeuge Thermische Analyse der Pausenzeit Daten-Import: - Werkzeugkonturen, etc. => Erstellung der FEM Modelle Thermische Analyse (FEM): - für alle Werkzeuge - für ein einzelnes Umforminkrement Simulationsergebnisse: inhomogenes Temperaturfeld in den Werkzeugen nach einem Umformzyklus Für jedes Inkrement der Umformsimulation TOOLTEMP-analyzer Ver Für beliebige Anzahl von Zyklen Ende; weiter zur Prozessauslegung Mitgliederversammlung der GCFG, Hagen 12 6

7 Anwendungsbeispiel: Herstellung eines Stahlgehäuses auf Mehrstufenpresse (Fa. Schondelmaier) 1. Stufe: Setzen, Starttemperatur (Bauteil): 25 C Mitgliederversammlung der GCFG, Hagen 13 Anwendungsbeispiel: Herstellung eines Stahlgehäuses auf Mehrstufenpresse (Fa. Schondelmaier) 2. Stufe: Napfen, max. Temperatur (Bauteil): ~ 275 C Mitgliederversammlung der GCFG, Hagen 14 7

8 Anwendungsbeispiel: Herstellung eines Stahlgehäuses auf Mehrstufenpresse (Fa. Schondelmaier) 3. Stufe: Abstrecken, max. Temperatur (Bauteil): ~ 305 C Mitgliederversammlung der GCFG, Hagen 15 Therm.-mech. Umformsimulation (eesy-2-form) instat. Temperaturfeldberechnung (tool-temp)??? Prozesszeiten Werkzeugkonturen Wärmeflussinformationen Wärmeübergangsbedingungen (etc.) Mitgliederversammlung der GCFG, Hagen 16 8

9 Das Softwaretool tool-temp Ver Arbeitsweise: 1. Import von - Werkzeugkonturen - thermische Belastungskollektive => autom. Werkzeugvernetzung Erstellung der FEM-Modelle 2. Änderungen an den Werkzeuggeometrien (optional) 3. Festlegung der Prozessgrößen - Anzahl der Umformzyklen - Pausenzeiten - thermische Randbedingungen 4. Analyse der Werkzeugtemperaturen (single / multi cycle) 5. Erweiterte Auswertungen Mitgliederversammlung der GCFG, Hagen 17 Das Softwaretool tool-temp Ver Ergebnisse (2. Umformstufe): Temperaturverteilung in den Werkzeugen mit Kontakt zum Umformteil (nach dem 1. Umformzyklus) max. Werkzeugtemperatur: ~ 151 C Rand-/Startbedingungen: Umgebungstemperatur: 25 C Starttemperatur (Werkzeuge): 30 C Mitgliederversammlung der GCFG, Hagen 18 9

10 Das Softwaretool tool-temp Ver Ergebnisse (2. Umformstufe): Temperaturverteilung in den Werkzeugen mit Kontakt zum Umformteil (nach der Pausenzeit nach dem 1. Umformzyklus) max. Werkzeugtemperatur: ~ 158 C Rand-/Startbedingungen: Umgebungstemperatur: 25 C Starttemperatur (Werkzeuge): 30 C Mitgliederversammlung der GCFG, Hagen 19 Das Softwaretool tool-temp Ver Ergebnisse (2. Umformstufe): Temperaturverteilung in den Werkzeugen mit Kontakt zum Umformteil (nach dem 40. Umformzyklus) max. Werkzeugtemperatur: ~ 220 C Rand-/Startbedingungen: Umgebungstemperatur: 25 C Starttemperatur (Werkzeuge): 30 C Mitgliederversammlung der GCFG, Hagen 20 10

11 Das Softwaretool tool-temp Ver Ergebnisse (2. Umformstufe): Temperaturverlauf für Punkt in der Matrize nahe der in Kontakt befindlichen Innenkontur (für 40 Umformzyklen) Rand-/Startbedingungen: Umgebungstemperatur: 25 C Starttemperatur (Werkzeuge): 30 C Mitgliederversammlung der GCFG, Hagen 21 Anwendungsbeispiel: Herstellung eines Stahlwelle auf Mehrstufenpresse (Fa. Schondelmaier) 2. Stufe: Napfen, max. Temperatur (Bauteil): ~ 275 C und AP Mitgliederversammlung der GCFG, Hagen 22 11

12 Anwendungsbeispiel: Herstellung eines Stahlwelle auf Mehrstufenpresse (Fa. Schondelmaier) Temperaturverteilung im Stempel nach 40 Hüben (=ca. 2 min.) Temperaturverlauf (gerechnet) nahe der Messstelle Temperaturmessungen am Realbauteil und AP Mitgliederversammlung der GCFG, Hagen 23 Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Mitgliederversammlung der GCFG, Hagen 24 12

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