Ausgleichstasche in der Matrize senkt Stempelverschleiß - ohne Geometrieänderung rund 23 % höher

In Umformstufe U3 liegt der lokale Stempelverschleiß ohne Ausgleichstasche nach 10.000 Hüben rund 23 % höher als mit optimierter Ausgleichstasche - ohne erhöhten Matrizenverschleiß.

Werkzeugverschleiß gehört bei der Warmumformung zu den entscheidenden Kostenfaktoren. Dabei lässt er sich nicht nur durch Werkstoff, Beschichtung oder Schmierung beeinflussen: Im untersuchten Fall lag der lokale Stempelverschleiß ohne eine gezielte Anpassung der Matrizengeometrie rund 23 % höher. Eine optimierte Ausgleichstasche in der Matrize schafft zusätzlichen Materialausweichraum und entlastet dadurch den gegenüberliegenden Stempel deutlich - ohne den Verschleiß der Matrize zu erhöhen.

MORPHOTEC hat mit AFDEX untersucht, wie sich eine gezielte geometrische Änderung der Matrize auf den Verschleiß eines besonders beanspruchten Bereichs des Stempels auswirkt.

Drei Umformstufen - gezielte Betrachtung der dritten Stufe

Der untersuchte Warmumformprozess besteht aus drei aufeinanderfolgenden Umformstufen U1, U2 und U3. Für die Verschleißuntersuchung wurde gezielt die dritte Umformstufe betrachtet, da hier der für die Untersuchung maßgebliche hochbeanspruchte Bereich des Stempels auftritt.

Grundlage war ein dreidimensionales 30°-Sektormodell mit 12-facher zyklischer Symmetrie. Ein rippenförmiger Werkzeugvorsprung am Stempel erzeugt dabei im Werkstück eine entsprechende Nut und bewirkt dadurch einen ausgeprägt dreidimensionalen Materialfluss.

In der dritten Umformstufe wurden zwei Varianten miteinander verglichen: die Ausgangsgeometrie der Matrize ohne Ausgleichstasche und eine optimierte Matrize mit gezielt geschaffenem Materialausweichraum. Der Stempel selbst blieb in beiden Varianten unverändert.

Als Werkstückmaterial wurde AISI 1020 mit einer Anfangstemperatur von 1200 °C verwendet. Stempel und Matrize bestehen aus dem Warmarbeitsstahl SKD61/H13. Die Anfangstemperatur der Werkzeuge betrug 200 °C. Die Werkzeuge wurden elastisch modelliert. Zusätzlich wurde der Wärmeübergang zwischen Werkstück und Werkzeug berücksichtigt. Für den Kontakt zwischen Werkstück und Werkzeug wurde die AFDEX-Standardeinstellung für normale Schmierung verwendet.

Temperaturabhängiger Werkzeugverschleiß

Das verwendete, anhand von Versuchsdaten kalibrierte Verschleißmodell basiert auf einem Archard-ähnlichen Ansatz. Berücksichtigt werden die tangentiale Kontaktbeanspruchung, die relative Gleitbewegung zwischen Werkstück und Werkzeug sowie die temperaturabhängige Härte des SKD61-Werkzeugs.

In der dritten Umformstufe erreichte die lokale Werkzeugtemperatur im hochbeanspruchten Bereich rund 400 °C und lag damit nahe der oberen Temperaturgrenze des verwendeten temperaturabhängigen Verschleißmodells.

Da die thermischen Bedingungen der beiden untersuchten Varianten nahezu identisch waren, ist der Unterschied im berechneten Verschleiß im Wesentlichen auf die veränderten Kontakt- und Materialflussbedingungen zurückzuführen.

Ohne Ausgleichstasche rund 23 % höherer Stempelverschleiß

Ohne Ausgleichstasche ergab sich am Stempel nach 10.000 Hüben ein maximaler lokaler Verschleiß von 0,268 mm.

Mit der optimierten Ausgleichstasche in der Matrize betrug der entsprechende Wert 0,217 mm.

Bezogen auf die optimierte Variante liegt der lokale Stempelverschleiß ohne Ausgleichstasche damit rund 23 % höher.

Die Ausgleichstasche wird insbesondere in der zweiten Hälfte des Umformwegs und in der entscheidenden Endphase wirksam. Sie stellt dem Werkstoff dort zusätzlichen Raum für die lokale Materialverlagerung zur Verfügung. Im tatsächlich wirksamen Bereich ist der geschaffene Materialausweichraum etwa so groß wie das Volumen des gegenüberliegenden, in dieser Umformphase aktiven Abschnitts des rippenförmigen Werkzeugvorsprungs.

Dadurch kann sich das Material lokal günstiger verteilen. Tangentiale Kontaktbeanspruchung und relative Gleitbewegung im besonders verschleißkritischen Bereich des Stempels werden verändert und der dort entstehende Verschleiß deutlich reduziert.

Dabei erhöhte sich der Verschleiß der Matrize nicht.

Werkzeuggeometrie als zusätzliche Stellschraube

Das Ergebnis zeigt, dass eine Verringerung des Werkzeugverschleißes nicht ausschließlich über Werkzeugwerkstoff, Wärmebehandlung, Beschichtung oder Schmierung erreicht werden kann. Auch gezielt gestaltete Freiräume in der Matrize können dazu beitragen, besonders beanspruchte Werkzeugbereiche zu entlasten.

Ein um rund 23 % höherer lokaler Stempelverschleiß ohne Ausgleichstasche zeigt den wirtschaftlichen Hebel einer solchen geometrischen Optimierung. Insbesondere bei hohen Stückzahlen können sich geringerer Werkzeugverschleiß, längere Wechselintervalle sowie reduzierte Stillstands- und Nacharbeitszeiten positiv auf die Produktionskosten auswirken.

Unter der vereinfachenden Annahme eines annähernd linearen Verschleißverlaufs würde das Verschleißniveau, das ohne Ausgleichstasche nach 10.000 Hüben erreicht wird, mit der optimierten Ausgleichstasche erst nach rund 12.300 Hüben erreicht. Dies entspricht etwa 2.300 zusätzlichen Hüben bis zum gleichen Verschleißgrenzwert.

Die Untersuchung verdeutlicht damit einen weiteren Ansatz für die Werkzeugoptimierung: Nicht nur die Geometrie des hochbelasteten Werkzeugs selbst, sondern auch die gezielte Gestaltung der Matrize kann den lokalen Verschleiß erheblich beeinflussen.

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MORPHOTEC ist ein Ingenieurunternehmen für numerische Simulation, CAE und technische Optimierung. Das Leistungsspektrum umfasst unter anderem Struktur- und Umformsimulation, Dynamik, Thermik sowie die simulationsgestützte Produkt- und Prozessentwicklung. Im Bereich der Metallumformung bietet MORPHOTEC Simulationsdienstleistungen, Schulungen und den Vertrieb der Umformsimulationssoftware AFDEX an. Kunden können sowohl einzelne Entwicklungs- und Analyseaufgaben an MORPHOTEC vergeben als auch AFDEX für die eigene Inhouse-Simulation einsetzen.

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