Kaltumformung optimieren durch komplexe Prozessbetrachtung

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Der Umformgrad ist jedoch normalerweise durch das Formänderungsvermögen des Werkstückes und weniger durch die Belastbarkeit der Umformwerkzeuge begrenzt. Bei Grenzüberschreitung kommt es hier zu sogenannten Schubrissen, Rissen, die sich an der Werkstückoberfläche in 45° zur Längsachse bilden und das Material aufklaffen lassen.

Simulation als Basis für die Optimierung

Bei der Optimierung von Fertigungsverfahren werden in der Umformtechnik oftmals Modelle benötigt, welche eine Analyse des Prozesses ermöglichen. Insbesondere dann, wenn die Umformverfahren grenzwertig sind. Das numerische Verfahren zur Lösung komplexer Differenzialgleichungen, die Finite-Elemente-Methode, bietet hier eine sehr gute Möglichkeit.

In Bild 1 (siehe Bildergalerie) werden Stadien aus einer 5-stufigen Umformung einer konischen Buchse und deren Umformgrade gezeigt. Durch diese Umformsimulation kann bereits während der Konstruktionsphase der Prozess untersucht und optimiert werden. Es lassen sich hierbei Umformgrenzen aufzeigen und gegebenenfalls Werkzeug- und Prozessänderungen ableiten.

Umformsimulationen ermöglichen Machbarkeitsanalysen

Mit Hilfe von Umformsimulationen können Machbarkeitsanalysen durchgeführt werden, um die Verfahrensgrenzen der Umformbarkeit voll auszuschöpfen. Durch die Prozesssimulation lassen sich die hohen Kosten für die Stadien- und Werkzeugentwicklung minimieren, so dass dadurch das Fließpressen auch für kleinere bis mittlere Bedarfsmengen (Jahresbedarfe ab 100000 Stück) wirtschaftlich sein kann.

Wie genau die Ergebnisse einer Simulation sein können, zeigen die Schliffbilder von durchgeführten Stauchversuchen. Hierfür wurde eine einfache zweistufige Umformung untersucht und direkt mit den Simulationsergebnissen verglichen.

Bei diesem Prozess handelt es sich um die Ausformung einer Linsenschraube mit Innenantrieb. Für den Vergleich wurde nur der Bereich mit den größten Umformgraden im Schraubenkopf herangezogen und analysiert (Bild 2).

Umformsimulation zeigt Gefahr von kleinsten Faltungen im Voraus

Im Schliff des Schraubenkopfes lassen sich die gleichen kritischen Bereiche wie in der Simulation erkennen (Bild 3). Die Fasern sind im Bereich der größten Kaltverfestigung stark gekrümmt und es ist eine deutliche Umbruchstelle erkennbar. Selbst die Gefahr von kleinsten Faltungen im Inneren des Schraubenantriebes lässt sich anhand der Umformsimulation frühzeitig aufzeigen.

Zudem kann mit Hilfe der Simulation eine Schadensvorhersage durchgeführt werden. Die Prozessgrenze in der Umformung liegt in der Thematik des Auftretens von Risserscheinungen, deren Nichtbeachtung zu schwerwiegenden Konsequenzen beim Endprodukt führen kann. Als besonders kritisch stellen sich Risse im Inneren von Bauteilen dar, welche nur beim Durchtrennen dieser oder durch Ultraschallprüfungen auszumachen sind. Die Umformsimulation kann hierbei schon frühzeitig eingreifen und rissgefährdete Bereiche mit speziellen Schädigungsmodellen aufzeigen.

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