Umformwerkzeuge mithilfe der Simulation kostengünstig planen

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Bei Hartmetallen ist dieser Wert sehr niedrig, sodass er ziemlich im Druckbereich liegen sollte. Werkzeugstähle hingegen können höhere Zugspannungen vertragen.

Simulation zeigt kritische Zugspannungen im Umformwerkzeug

Die Simulation liefert die Erkenntnis über den Zeitpunkt, die Höhe und den Ort der kritischen Zugspannungen. Hieraus können dann konstruktive Maßnahmen abgeleitet werden, wie zum Beispiel die Teilung von Werkzeugen oder die Mehrfacharmierung und das Aufbringen unterschiedlicher Druckspannungen innerhalb der Werkzeuge, gezielt an den Stellen, wo es gefordert wird.

Der thermische Verschleiß der Werkzeuge, also die Plastifizierung und das Ausglühen, resultiert aus der thermischen Belastung der Werkzeuge während der Umformung und der sich dadurch einstellenden Temperaturverteilungen in den Werkzeugen. Die thermische Belastung ist deshalb auch für die Berechnung und Beurteilung der Werkzeugspannungen wichtig, da die mechanischen Eigenschaften und die Festigkeit des Werkzeugs von dessen Temperatur abhängig sind. Besonders interessant ist auch die Temperaturberechnung für relativ dünne Stempel, da diese aufgrund ihrer Geometrie und ihrer Funktion thermisch meist am höchsten belastet sind.

Die Temperatur ist ein Indiz für den thermischen Verschleiß des Umformwerkzeugs

In der Simulation kommt es zu einem Wärmeübertrag zwischen Werkstück und Werkzeug. Die Werkzeuge ändern aufgrund des Wärmeübergangs ihre Temperatur. Aufgrund der Höhe der Temperatur kann auf den thermischen Verschleiß geschlossen werden.

Die Simulation von abrasivem Verschleiß basiert auf dem Archard-Modell und beschreibt die verschleißbedingte Verkleinerung des Werkzeuges senkrecht zu seiner Oberfläche. Der Verschleiß wird als proportional zum Innendruck und zur Gleitstrecke angenommen.

Als Kennwert spielt der Verschleißkoeffizient eine Rolle, der den Einfluss des Werkstückmaterials und der Schmierung zusammenfasst. Je abrasiver das Werkstück und je schlechter die Schmierung ist, desto höher ist der Verschleißkoeffizient zu wählen.

Umformwerkzeuge verlieren bei höheren Temperaturen ihre Festigkeit

Die Härte des Werkzeuges kann über einen weiteren Parameter vorgegeben werden, der von der Temperatur abhängig ist. Bei höheren Temperaturen verlieren die Werkzeuge ihre Festigkeit.

Die Simulation zeigt deutlich den Ort und die Verteilung des Verschleißes. Durch Variation und Optimierung der Geometrien kann dieser gezielt reduziert und damit die Standmenge der Werkzeuge deutlich gesteigert werden.

* Dr.-Ing. Hendrik Schafstall ist geschäftsführender Gesellschafter der Simufact Engineering GmbH in 21079 Hamburg

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