Werkzeugstandzeit in der Umformtechnik gezielt optimieren - Lebensdaueranalyse mit AFDEX

MORPHOTEC zeigt, wie AFDEX Werkzeugbeanspruchung, Vorspannung und Ermüdungslebensdauer bei Kalt- und Warmumformprozessen analysiert und so Ansatzpunkte zur Standzeitoptimierung liefert.

Vorzeitiges Werkzeugversagen und unzureichende Standzeiten gehören bei hochbelasteten Umformprozessen zu den wesentlichen Kosten- und Produktionsrisiken. Moderne Umformsimulation ermöglicht es, nicht nur den Werkstofffluss des Bauteils zu untersuchen, sondern auch die daraus resultierende Belastung und Ermüdungslebensdauer der Werkzeuge. MORPHOTEC setzt hierfür die Umformsimulationssoftware AFDEX ein.

Bei Kaltumformprozessen dominieren hohe mechanische Wechselbeanspruchungen. Bei Warmumformprozessen treten dagegen zusätzlich ausgeprägte thermomechanische Wechselbeanspruchungen auf. Kritische Bereiche entstehen häufig lokal an Übergängen, Radien, Werkzeugkanten oder in hoch belasteten Einsätzen. Ein Werkzeug kann deshalb versagen, obwohl die globale Werkzeugbelastung zunächst unkritisch erscheint.

Für eine Verbesserung der Werkzeugstandzeit reicht es daher nicht aus, ausschließlich die maximale Presskraft oder eine einzelne Vergleichsspannung zu betrachten. Entscheidend ist vielmehr, wie sich die Beanspruchung während des Umformzyklus entwickelt und welcher Spannungszustand bereits vor Beginn des eigentlichen Umformvorgangs im Werkzeug vorhanden ist.

HCF und LCF - unterschiedliche Bereiche der Werkzeugermüdung

Bei der Ermüdung unterscheidet man grundsätzlich zwischen High-Cycle Fatigue (HCF) und Low-Cycle Fatigue (LCF). Im HCF-Bereich bleibt die zyklische Werkstoffbeanspruchung im Wesentlichen elastisch und ist auf eine hohe Zahl von Lastwechseln ausgerichtet. Im LCF-Bereich treten dagegen relevante zyklische plastische Dehnungen auf. Der Werkstoff wird lokal bis in den plastischen Bereich beansprucht. Dies kann bei der Werkzeugauslegung zulässig sein, sofern die geforderte Standzeit beziehungsweise die erforderliche Anzahl an Lastwechseln sicher erreicht wird.

Für Kaltumformwerkzeuge mit hohen Stückzahlen ist insbesondere die HCF-Lebensdauer von Bedeutung. Bei Warmumformwerkzeugen kann aufgrund der thermomechanischen Wechselbeanspruchung dagegen auch LCF eine wesentliche Rolle für die Werkzeuglebensdauer spielen.

Gerade bei der Kaltumformung unterscheidet sich der Spannungszustand eines Werkzeugs erheblich von dem vieler klassischer Strukturbauteile. Werkzeugeinsätze aus Hartmetall oder Werkzeugstahl werden häufig durch Armierungsringe vorgespannt. Durch das Übermaß beziehungsweise den Schrumpf- oder Pressverband werden dabei gezielt Druckspannungen in den Werkzeugeinsatz eingebracht. Der Armierungsring nimmt entsprechend Zugspannungen auf.

Diese Druckvorspannung soll den während des Umformvorgangs entstehenden Zugbeanspruchungen entgegenwirken. Die aus dem Umformprozess resultierenden Spannungen überlagern sich dabei mit dem bereits vorhandenen Vorspannungszustand. Joun et al. zeigen für vorgespannte Einsätze ausdrücklich Anfangsmittelspannungen im Druckbereich; während der Umformung können sich diese verändern und an kritischen Stellen bis in den Zugbereich verschieben.

Damit wird verständlich, warum die Auslegung der Vorspannung einen wesentlichen Einfluss auf die Werkzeuglebensdauer besitzen kann.

Ein speziell auf Kaltumformwerkzeuge abgestimmtes Ermüdungsmodell

Wie anspruchsvoll die Lebensdauerprognose vorgespannter Kaltumformwerkzeuge ist, zeigt eine 2022 in der Fachzeitschrift _Materials_ veröffentlichte Untersuchung von Joun et al. Die Arbeit stammt aus der AFDEX-Entwicklergruppe und wird von AFDEX selbst in der Rubrik zu Forschungsarbeiten aufgeführt, die der Entwicklung neuer beziehungsweise der Verbesserung vorhandener AFDEX-Funktionen dienen.

Ausgangspunkt der Arbeit ist ein grundlegendes Problem: Klassische Ermüdungsmodelle wurden überwiegend für die Auslegung von Strukturbauteilen entwickelt. Dort steht meist eine möglichst konservative Dimensionierung im Vordergrund. Die Spannungszustände stark vorgespannter Kaltumformwerkzeuge unterscheiden sich davon jedoch erheblich.

Ein besonders verbreiteter Ansatz ist das Goodman-Haigh-Diagramm, das den Zusammenhang zwischen Mittelspannung und zulässiger Spannungsamplitude durch eine lineare Beziehung beschreibt. Der Ansatz ist bewusst konservativ. Das ebenfalls bekannte Gerber-Modell verwendet dagegen einen gekrümmten Zusammenhang und kann experimentelle Ermüdungsdaten teilweise besser abbilden. Für hochfeste und vergleichsweise spröde Werkzeugwerkstoffe wie WC-Co sind nach Joun et al. jedoch weder das klassische Goodman-Haigh- noch das Gerber-Modell über den gesamten für Umformwerkzeuge relevanten Spannungsbereich optimal.

Joun et al. entwickelten deshalb ein verallgemeinertes Ermüdungsgrenzdiagramm, das Elemente beider Ansätze miteinander verbindet. Über einen materialabhängigen Exponenten lässt sich der Verlauf zwischen einer Goodman-Haigh-artigen linearen und einer Gerber-artigen gekrümmten Beschreibung anpassen. Gleichzeitig berücksichtigt das Modell die Fließgrenzen des Werkzeugwerkstoffs und erweitert die Beschreibung gezielt auf den für vorgespannte Werkzeuge besonders wichtigen Bereich von Mittelspannungen im Druckbereich.

Genau dieser Bereich ist für kaltumformende Werkzeuge wichtig: Durch die gezielt eingebrachte Druckvorspannung startet der Werkzeugeinsatz nicht bei einer Mittelspannung von null, sondern bereits im Druckspannungsbereich. Die Ermüdungsfestigkeit kann deshalb nicht sinnvoll bewertet werden, wenn dieser Bereich lediglich mit einer vereinfachten Standardannahme behandelt wird. Experimentelle Daten an WC-Co20 % zeigten in der Untersuchung zudem einen deutlichen Einfluss von Mittelspannungen im Druckbereich auf die äquivalente Ermüdungsfestigkeit.

Das Modell verbindet somit Mittelspannung, Spannungsamplitude, Werkstoffkennwerte und experimentelle Ermüdungsdaten, um für den tatsächlich auftretenden Spannungszustand eine äquivalente Ermüdungsbeanspruchung und daraus die HCF-Lebensdauer abzuleiten.

Vergleich mit einem realen Kaltumformwerkzeug

Untersucht wurde unter anderem ein mehrstufiger Kaltumformprozess für eine Automobilmutter aus S25C. Die Werkzeugstruktur enthielt vorgespannte Einsätze aus WC-Co20 % sowie Armierungsringe. Die Beanspruchung aus dem Umformprozess wurde über eine implizite Finite-Elemente-Simulation ermittelt und anschließend für die Werkzeugstrukturanalyse und Lebensdauerbewertung verwendet.

Für einen kritischen Werkzeugeinsatz ergab die modifizierte Goodman-Haigh-Bewertung eine minimale prognostizierte HCF-Lebensdauer von etwa 45.000 Zyklen, während das neu entwickelte Ermüdungsmodell etwa 100.000 Zyklen prognostizierte.

Noch wichtiger als der reine Zahlenwert war die örtliche Aussage: Beim erweiterten Modell konzentrierte sich der berechnete kritische Lebensdauerbereich wesentlich stärker auf die Zone, in der auch am realen Werkzeug das HCF-Versagen beobachtet wurde. Die Autoren beschreiben die Übereinstimmung zwischen Berechnung und experimentellem Befund als qualitativ gut.

Das Beispiel zeigt, dass die Wahl des Ermüdungsmodells keine rein akademische Frage ist. Sie kann sowohl die vorhergesagte Lebensdauer als auch die Lokalisierung des tatsächlich kritischen Werkzeugbereichs erheblich beeinflussen.

Werkzeug, Rohteil und Umformprozess bilden ein Gesamtsystem

Eine weitere 2024 veröffentlichte Untersuchung von Byun et al. zeigt, dass die Ursache eines Werkzeugversagens nicht zwangsläufig allein in der Werkzeuggeometrie liegen muss. Untersucht wurde die automatische mehrstufige Kaltumformung einer Automobil-Radmutter aus S25C.

Beim Abscheren des Ausgangsmaterials entstanden geometrische Asymmetrien an der Schnittfläche. Diese führten während des Umformvorgangs zu einer Kipp- beziehungsweise Taumelbewegung des Rohlings, zu einer Verschiebung seines Massenschwerpunktes und damit zu einer unsymmetrischen Belastung. Dadurch entstanden lokale Spannungskonzentrationen an kritischen Werkzeugbereichen, die mit dem beobachteten HCF-Versagen in Zusammenhang standen.

AFDEX greift genau diesen Zusammenhang in seiner technischen Dokumentation auf: Bei kurzen, durch Abscheren erzeugten Rohlingen - beispielsweise Muttern - kann bereits die Gestalt der Scherfläche die lokale Spannungsverteilung in besonders gefährdeten Werkzeugbereichen deutlich beeinflussen. AFDEX zeigt hierfür sowohl die Schersimulation als auch die daraus resultierende Werkzeugspannungsverteilung.

Dieses Beispiel verdeutlicht einen wesentlichen Vorteil einer durchgängigen Umformsimulation: Die Ursache einer geringen Werkzeugstandzeit kann außerhalb des unmittelbar versagenden Werkzeugbereichs liegen. Rohteilgeometrie, Materialfluss, Prozessfolge, Reibung, Werkzeugvorspannung und elastische Werkzeugreaktion können sich gegenseitig beeinflussen und sich unter ungünstigen Bedingungen in ihrer Wirkung auf die lokale Werkzeugbeanspruchung verstärken.

Von der Schadensanalyse zur Standzeitoptimierung

Mit einer entsprechenden AFDEX-Analyse lassen sich deshalb unterschiedliche Ansatzpunkte untersuchen: kritische Werkzeugspannungen und deren zeitlicher Verlauf, Vorspannung und Armierungsverhältnisse, Werkzeugradien und Übergangsbereiche, Belastungen einzelner Umformstufen sowie Einflüsse aus Rohteil und Prozessführung.

Das Ziel besteht nicht nur darin, ein bereits aufgetretenes Werkzeugversagen nachzurechnen. Die Simulation kann bereits während der Prozess- und Werkzeugentwicklung eingesetzt werden, um kritische Bereiche vor der Werkzeugfertigung zu erkennen und verschiedene Varianten virtuell miteinander zu vergleichen.

MORPHOTEC bietet sowohl Umformsimulationen mit AFDEX als Dienstleistung als auch den Vertrieb der AFDEX-Software an. Unternehmen können damit zunächst konkrete Prozess- oder Werkzeugprobleme durch MORPHOTEC untersuchen lassen oder AFDEX nach entsprechender Schulung selbst für die Inhouse-Simulation einsetzen. MORPHOTEC unterstützt dabei den Einstieg und die Anwendung der Software für ein breites Spektrum der Metallumformung - von Kalt- und Warmumformprozessen über Extrusion, Ziehen und Walzen bis hin zu ausgewählten Anwendungen der Blechumformung.

Damit bietet sich AFDEX sowohl für Unternehmen an, die gezielt ein bestehendes Problem mit unzureichenden Werkzeugstandzeiten untersuchen möchten, als auch für Betriebe, die die simulationsgestützte Prozess- und Werkzeugentwicklung dauerhaft in die eigene Entwicklungsumgebung integrieren wollen.

Literatur

Joun, M. S.; Ji, S. M.; Chung, W. J.; Cho, G. S.; Lee, K. H. (2022):
_A New General Fatigue Limit Diagram and Its Application of Predicting Die Fatigue Life during Cold Forging._
Materials, 15(7), 2351. DOI: 10.3390/ma15072351.

Byun, J. B.; Abd Hamid, N.; Cho, G. S.; Chung, W. J.; Kang, S. M.; Lee, K. H.; Joun, M. S. (2024):
_Effect of shearing on production stability and die life in automatic multi-stage cold forging of an automobile wheel nut._
The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 131, 329-341. DOI: 10.1007/s00170-024-13017-9.

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MORPHOTEC ist ein Ingenieurbüro 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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