MCL – MATERIALS CENTER LEOBEN FORSCHUNG GMBH
FORSCHUNGSSCHWERPUNKT
COMET K2 MPPE
Strategisches
Forschungsprojekt
38
A 5.2
Ziel des vorliegenden Projekts ist es, Umformwerkzeuge nach dem Vorbild von
Maschinenbauteilen auszulegen, indem die Belastungen aus Umformsimulatio-
nen bestimmt und für die Auslegung auf dynamische Beanspruchung herangezo-
gen werden. Dieser Ansatz liefert wesentliche Erkenntnisse darüber, wie sich der
Umformprozess auf die Standzeit von Umformwerkzeugen auswirkt und welchen
Einfluss das Werkzeugmaterial beziehungsweise dessen Mikrostruktur auf die Ver-
formung, die Schädigung und das Risswachstum hat.
Werkzeugstandzeiten werden vor allem durch die Belastungen bestimmt, die sich aus
der Konstruktion, dem Umformprozess und dem Handling ergeben. Darüber hinaus
haben jedoch auch die Werkzeugeigenschaften, wie etwa Werkstoff, Wärmebehand-
lung oder Oberfläche, einen wesentlichen Einfluss.
Die Standzeitberechnung von Werkzeugen stellt eine große Herausforderung dar.
Grund dafür sind die vielfältigen Prozesseinflüsse auf das Werkzeug, die nur teilweise
verstandenen Schädigungsvorgänge und die oft unzureichenden Möglichkeiten, die
transiente Werkzeugbelastung in numerischen Modellen abzubilden.
Die mechanische Belastung in Schneid-, Stanz- und Umformwerkzeugen während
des Einsatzes führt in vielen Werkzeugen zu hohen lokalen Spannungen und zu zyk-
lisch plastischer Verformung. Mit der lokalen plastischen Verformung geht ein Aufbau
von Eigenspannungen einher, der an kritischen Positionen den Spannungszustand in
den Zugspannungsbereich verschiebt. Dies wirkt sich beschleunigend auf das Schä-
digungsverhalten aus. Bei der Betrachtung der Schädigungsentwicklung von Werk-
zeugen ist besonders das Wachstum kurzer Risse in der Größenordnung von einigen
Mikrometern interessant, da dieser Bereich die Lebensdauer maßgeblich bestimmt.
Die Werkzeugbelastung wird für 2D-Berechnungen vollgekoppelt und für 3D-Berech-
nungen über ein Ersatzkräftemodell berechnet. Für die 2D-Berechnungen wird ein im
Projekt entwickeltes Tool verwendet, das in Verbindung mit dem kommerziellen FE-
Softwarepaket ABAQUS in der Lage ist, die transiente Werkzeugbelastung detailliert
abzubilden. Für 3D-Berechnungen wird zuerst der Umformprozess in einem eigenen
FE-Modell modelliert. Daraus werden die Kontaktkräfte, die auf das Werkzeug wir-
ken, an eine darauffolgende FE-Berechnung zur Ermittlung der lokalen Werkzeugbe-
anspruchung als Lasten übergeben. Diese Vorgehensweise ermöglicht die Berech-
nung von komplexen, realen Werkzeuggeometrien.
Werkzeugbelastung beim Umformen
Stanzen/Feinschneiden von Blech und Simulation des Schneidprozesses und der lokalen Beanspruchung des Werkzeugs
Matrize
Blech
Stempel
Niederhalterung
Simulation Schneideprozess
Matrize
Blech
Stempel
Stirnfläche
Mantelfläche
0,004
0,003
0,002
0,001
0,000
Vergleichsehnung