Beitrag zur Simulation der Oberflächenermüdung von Umformwerkzeugen

Ein wesentliches Element der Herstellkosten von Massivumformteilen, insbesondere von Kaltfließpreßteilen, sind nach wie vor die Werkzeugkosten. Je nach Schwierigkeit des Formteils werden zwischen 5 und 15% der Herstellkosten durch Werkzeugkosten verursacht. Die Werkzeugkosten werden dabei im wesentlichen durch zwei Faktoren bestimmt, die Herstellkosten und die Standmenge der Werkzeuge. Den Werkzeugkostenanteil zu senken war und ist Gegenstand zahlreicher Aktivitäten /1-3/.

Fließpreßwerkzeuge und Schmiedegesenke gehören zu den höchst beanspruchten Konstruktion sbauteilen der Technik. Metallischer Gleitkontakt sowie Flächenpressungen von über 2500 N/mm² in der Umformzone, Temperaturen von über 600°C und Preßkräfte von mehreren hundert Tonnen sind keine Seltenheit und stellen höchste Anforderungen an die konstruktive Auslegung der Werkzeugelemente, die verwendeten Werkzeugwerkstoffe und die Prozeßführung.

Die bisherigen Ausführungen haben die Notwendigkeit verdeutlicht, für die FE-Simulation des Werkzeugversagens als neuem CA-Baustein der rechnerintegrierten Werkzeugauslegung und -Optimierung eine geeignete Vorgehensweise zur Simulation der Oberflächenermüdung und Rißinitiierung zur Verfügung zu stellen. Mit Blick auf die Weiterentwicklung eines bestehenden Softwarepaketes leitet sich hieraus die grundlegende Zielsetzungen der vorliegenden Arbeit ab: Entwicklung eines verbesserten Versagenskonzeptes der lokalen Oberflächenermüdung zur Simulation der Rißinitiierung von Umformwerkzeugen. Dieses Simulationskonzept gilt es in Form eines Programmbausteins in das existierende Simulationsprogramm zu integrieren.

Bei der konstruktiven Auslegung von Umformwerkzeugen gegen vorzeitiges Bruchversagen ist es in der heutigen Praxis üblich, die Betriebssicherheit der beteiligten Werkzeugaktivelemente unter Heranziehung empirischer Auslegungsfaktoren zu überprüfen. Die zu erwartende maximale Werkzeugbelastung wird hierbei z.B. als Funktion des betreffenden Umformgrades, der Werkzeugwerkstoff mit Hilfe der Druckfestigkeit des verwendeten Materials (R _p0.2 ) oder die vorliegende Werkzeuggeometrie z.B. in Form eines gegebenen Durchmesserverhältnisses beerücksichtigt. Entsprechende Vorschläge sind durch die Konstruktionsrichtlinien von VDI oder ICFG /37-41/ gegeben. Bestehende numerische Auslegungskriterien beruhen vielfach gleichermaßen auf diesen empirischen Grundlagen /32,58,59/. Es bedarf allerdings keiner größeren Erklärung, daß mit einer derart vereinfachten Vorgehensweise das Werkzeugverhalten nur näherungsweise unter statischen Lastbedingungen hinsichtlich des Überlastbruchs kontrolliert werden kann. Eine Abschätzung des Ermüdungsbruchverhaltens ist auf diese Weise keinesfalls zuverlässig möglich.

Infolge zyklischer elastisch-plastischer Verformungen erfährt ein schwingend beanspruchter Körper eine kontinuierliche Werkstoffschädigung, die aufgrund einer allmählichen Schadensakkumulation zum makroskopisch beobachteten Materialversagen führt. Als Ursache des Schädigungsprozesses soll für die folgende Modellvorstellung die pro Belastungszyklus umgesetzte elastisch-plastische Verformungsenergie, ausgedrückt durch die totale zyklische Verzerrungsenergiedichte ΔW ^t, angesehen werden. Die Amplitude der totalen Verzerrungsenergiedichte ΔW ^t stellt demnach ein Maß für die lokal vorliegende Materialbeanspruchung und daraus resultierende Schädigungsrate sowie die maximal erreichbare Grenzlastspielzahl (Lebensdauer) bis zum Eintritt des Bauteilversagens dar /84/.

Ein wesentlicher Schritt vor der Anwendung eines neuen Versagenskonzeptes auf die mehrachsige Ermüdungsproblematik realer Bauteile ist die eingehende Überprüfung des entwickelten Modells hinsichtlich seiner erreichbaren Genauigkeit und Zuverlässigkeit. Die nun folgenden Ausführungen sollen über die numerischen und experimentellen Ergebnisse berichten, die zur Überpüfung der lokalen Energiedichtemethode im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt wurden /90/.

Zu geringe Werkzeugstandmengen, ungenügende Prozeßsicherheit und Maschinenverfügbarkeiten durch unkalkulierbaren Werkzeugausfall sowie übermäßig lange Entwicklungszeiten bei der Werkzeugkonstruktion charakterisieren die Werkzeugproblematik in der Umformtechnik. Nur der konsequente Rechnereinsatz in Konstruktion und Verfahrensentwicklung kann zukünftig eine entscheidende Verbesserung der Situation bringen.