Mikromechanische Simulation von Grenz- und Mischreibungsphänomenen in der Blechumformung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Abbildung tribologischer Randbedingungen in der Numerik ist aufgrund unzureichender Möglichkeiten zur physikalisch basierten Beschreibung der Reibschubspannung bislang nur eingeschränkt möglich. Vielfach werden daher einfache empirische Reibgesetze, wie z.B. das Gesetz nach Coulomb verwendet. Eine exakte Berechnung lokaler Reibschubspannungen ist mit Hilfe dieser Gesetze bei Umformprozessen aber nicht möglich. In der industriellen Praxis erfolgt oftmals eine „Optimierung“ der verwendeten Reibzahlen, so dass ein realitätsnaher Materialfluss eingestellt wird. Die Anwendung physikalisch motivierter Reibgesetze, wie z.B. das nach Wilson, die eine effiziente und realitätsnahe Darstellung der Reibschubspannungen ermöglichen, wird aber durch das bislang fehlende Verständnis der in der Wirkfuge stattfindenden Vorgänge verhindert. Das Forschungsvorhaben zielt daher auf die Analyse und Modellierung der in der Wirkfuge zwischen Werkzeug und Werkstück auftretenden Grenz- und Mischreibungsphänomene in der nicht durch Erwärmung unterstützten Blechumformung ab. Um detaillierte Kenntnisse zu gewinnen, wie die Schmierstoffdrücke die Spannungszustände im Werkstück beeinflussen, erfolgt eine Modellierung der Vorgänge mit Hilfe numerischer Methoden. Experimentelle Untersuchungen der lokalen Schmierstofffilmdicken und –drücke sowie der Oberflächenwandlung während der Umformung sollen die auftretenden Reibmechanismen in der Wirkfuge verständlich machen. Dass hydrostatische Schmierstoffdrücke das Einglättungsverhalten von Makrotaschen unter Druckbelastung maßgeblich beeinflussen, ließ sich nachweisen. Dazu wurden unterschiedliche Taschengeometrien in Aluminiumblech eingebracht, die Schmierungszustände variiert und verschiedene Normalkräfte aufgebracht. Eine Vermessung der Taschengröße vorher und nachher ergab, dass der Schmierstoff in der Tasche ein Druckpolster aufbaut, das den Werkstofffluss in die Tasche verhindert. Eine Taschenverkleinerung war hingegen bei Belastung ohne Schmierstoff zu beobachten. Durch Vorher-Nachher-Auswertungen lässt sich nur ungenau auf die lokalen Druckverhältnisse in der Tasche schließen. Eine Abbildung des Einglättprozesses in numerische Modelle ist somit nur eingeschränkt möglich. Daher wurde eine Messmethode untersucht, die die Bestimmung lokaler Drücke im Schmierstoff unter Last ermöglicht. Die Methode basiert auf der Durchmesserveränderung von Hohlkugeln unter verschiedenen Umgebungsdrücken. Befinden sich solche Hohlkörper im Schmierstoff, und baut sich darin ein Druck auf, ist eine Verkleinerung der Messkörper zu erwarten. Eine optische Messung ermöglicht die Auswertung der lokalen Schmierstoffdrücke, wenn der Zusammenhang von Druck und Durchmesser aufgrund von Kalibrierverfahren bekannt ist. Das Einglätten einer schmierstoffgefüllten Tasche kann indirekt über die Veränderung der lokalen Schmierfilmdicken erfasst werden. Dazu dient die entwickelte Messmethode, bei der ein fluoreszierender Schmierstoff eingesetzt wird. Ein Fluoreszenzmikroskop erfasst die Helligkeit des leuchtenden Schmierstoffes, die linear mit seiner Dicke zu- bzw. abnimmt. Ein Kalibrierverfahren stellt den Bezug zwischen Helligkeit und Filmdicke her. Aus den Mess- und Kalibrierverfahren zur Druck- und Schmierfilmdickenmessung ergeben sich zunächst reine Bilddaten. Um diese automatisch auszuwerten, wurde ein Bildprozessor entwickelt. Um die Messverfahren sinnvoll einzusetzen, wurde ein Prüfstand konstruiert, der den Einblick ins Innere eines Werkzeugs zulässt. Es handelt sich dabei um einen Innenhochdruckumformprüfstand für Rohre, der um ein Fluoreszenzmikroskop erweitert wurde. Dieses beobachtet die Oberfläche des Rohres während des Aufweitens, um die Vorgänge in der Wirkfuge mit Hilfe einer CCD-Kamera auf Bildern festzuhalten. Damit kann im Gegensatz zu Vorher-Nachher-Messungen auch das elastische Verhalten der Werkstückoberfläche unter Last untersucht werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Funktionale Oberflächen – mikroskopische Tausendsassas. In: forschen, Wissenschaftsmagazin der Technischen Universität Darmstadt (2) pp. 18-23. (2009)
Müller, C.; Fröhlich, B.; Groche, P.; Abele, E.
- Quantification of lubricant film thickness by a fluorescence measurement technique. 4th international conference of tribology in manufacturing processes, Nice, 2010
Mueller, C.; Ludwig, M.; Groche, P.
- Simulation of dynamic lubricant effects in sheet metal forming processes. 8th conference THE Coatings, Erlangen, 2010
Ludwig, M.; Mueller, C.; Groche, P.
