Whitepaper als PDF herunterladen - Umformtechnik

Die Forderung nach Entwicklung und
Anwendung Material, Energie und Arbeitszeit
sparender – insgesamt kostengünstiger
– Fertigungsverfahren
steht auch in der Wälzlager- und Automobilindustrie
bei der Herstellung
profilierter ring- und rohrförmiger
Werkstücke wie z.B. Wälzlager- und
Getrieberingen. Zielstellung ist, die
jahrzehntelang vorherrschende spanende
Bearbeitung derartiger Werkstücke
– insbesondere auf Drehauto-
p r o f i l w a l z e n
Axialprofilrohrwalzen von
Wälzlagerringen
maten – durch Anwendung von Umformverfahren
schrittweise oder gänzlich
zu substituieren. Prädestiniert für
die Lösung dieser Zielstellung sind insbesondere
Walzverfahren wie die in
den 80er und 90er Jahren unter wesentlicher
Mitwirkung der TU Dresden
entwickelten Kaltwalzverfahren
Tangentialprofilringwalzen (TPRW)
und Axialprofilrohrwalzen (APRW),
wobei die genannten Verfahren insbesondere
unter dem Gesichtspunkt ei-
Teil 1
Experimentelle Einflussanalyse
Thomas Ficker, André Hardtmann, Mario Houska
Das vorhandene Potenzial von Kaltwalzverfahren wie Tangentialprofilringwalzen und
Axialprofilrohrwalzen wird als äußerst zukunftsträchtig eingeschätzt, da zum gegenwärtigen Zeitpunkt
nur ein sehr geringer Prozentsatz der walzbaren Profile durch (Kalt-)Walzen hergestellt wird. Um
dieses Potenzial komplex ausschöpfen zu können, ist eine zielgerichtete theoretische und praktische
Weiterentwicklung dieser Verfahren insbesondere hinsichtlich herstellbarem Abmessungsbereich,
bearbeitbarer (walzbarer) Ringgeometrie, reproduzierbarer Qualitäts- und Prozesssicherheit sowie
Bild 1 a) Verfahrensprinzip Tangentialprofilringwalzen (TPRW)
wissenschaftlicher Verfahrensdurchdringung unabdingbar.
ner endkonturnahen Fertigung (Near
Net Shape Forming) entwickelt wurden.
Während das TPRW (Bild 1a) inkl.
der zugehörigen Ringwalzautomaten
– speziell im Abmessungsbereich größer
100 mm Außendurchmesser – zwischenzeitlich
in der Industrie breite
Anwendung gefunden hat, befindet
sich das APRW inkl. der zugehörigen
maschinentechnischen Umsetzung zur
Realisierung einer Verfahrenskombi-
b) Verfahrensprinzip Axialprofilrohrwalzen (APRW)
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nation APRW-Drehen in einer Aufspannung
derzeit in der Entwicklungs-
bzw. Überführungsphase in die Produktion.
Beim APRW (Bild 1b) handelt es
sich um ein Querwalzverfahren ausgehend
von Rohr mit überwiegend axialem
Werkstofffluss, d.h. Rohr bzw.
Ring werden während des Walzprozesses
entsprechend dem durch das
Werkzeugprofil verdrängten Werkstoffvolumen
länger bzw. breiter.
Noch im Anfangsstadium befindet
sich die wissenschaftliche Verfahrensdurchdringung
zum Walzprozess beim
APRW, sodass bei der Einführung neuer
Ringtypen bzw. -geometrien gegenwärtig
weitestgehend empirisch vorgegangen
werden muss. Das betrifft sowohl
die Ermittlung von Anfangsrohr-
und Walzwerkzeugabmessungen als
auch die Festlegung geeigneter Walzparameter.
Im vorliegenden Artikel wird über
die Ergebnisse eines DFG-Forschungsvorhabens
berichtet, welches die wissenschaftlicheVerfahrensdurchdringung
– einhergehend mit der Erweiterung
des Anwendungsbereiches und
der Erhöhung der Prozesssicherheit –
des APRW zum Arbeitsinhalt hatte.
Experimentelle Einflussanalyse
Schwerpunkt beim APRW war zunächst,
ein rechnergestütztes System
zur Erfassung relevanter technologischer
Daten zu schaffen sowie aus
einer Vielzahl von Walzversuchen Primärdaten
für die Modellbildung bzw.
Simulation mittels numerischer Methoden
bereitzustellen.
Ziel war die Entwicklung eines Prozessmodells,
welches die Ergebnisgrößen
als Funktion der Einstellparameter
abbildet. Bei der Einführung neuer
Ringtypen bzw. -geometrien soll dann
mit diesem Modell die Vielzahl von
Prozessgrößen wie Walzwerkzeuggeometrie,
Maschineneinstellparameter
sowie geometrische und stoffliche Eigenschaften
des Anfangsrohres bestimmt
werden, um letztlich die davon
abhängigen Zielgrößen wie Maß-, Lage-
und Formtoleranzen zu erreichen.
Die Durchführung der hierzu notwendigen
Untersuchungen erfolgte für
den Anwendungsfall „Wälzlagerkomponenten“
am Beispiel des als Typenvertreter
ausgewählten Kugellagerinnenringes
6210. Für diesen Ring sind
Bild 2
Bild 3
Entwurf einer
Technologiedatenbank
Einflussgrößen beim APRW
ausgehend von vorhandenen Erkenntnissen
die Walzwerkzeuge konstruiert
und gefertigt worden. Die vorhandene
Versuchseinrichtung wurde modifiziert
und mit Mess- und Sensortechnik
ausgestattet.
Vorversuche zum APRW ergaben,
dass vor allem die kinematischen
Einstellparameter Rohrdrehzahl und
Walzenvorschubgeschwindigkeit, das
Walzregime in Form der zu wählenden
Walz- und Überwalzeiten, die geometrischen
Parameter Abstand Walzeneingriff
zum Rohrende, Dorndurchmesser
(Dornspiel) sowie die Anfangsrohrabmessungen
die größte Relevanz
auf das Walzergebnis haben. Ausgehend
von diesen wesentlichen Einflussgrößen
wurde ein umfassendes
Versuchsprogramm unter Anwendung
der statistischen Versuchsplanung er-
p r o f i l w a l z e n
stellt. Bei der Auswertung der Walzversuche
wurde sich auf die geometrischen
Zielgrößen Ringaußendurchmesser
inkl. zugehöriger Rundheiten
sowie Profilabweichung konzentriert.
Auf Basis eines Einflussgrößenmodells
(Bild 2) wurde zur Erfassung der
in den Versuchsprogrammen ermittelten
Versuchsdaten eine Technologiedatenbank
Ringwalzen RIWADAT
entwickelt (Bild 3). Zu deren besserer
Handhabbarkeit wurde eine entsprechende
Bedienoberfläche entworfen,
die als Hilfsmittel die Generierung
ganzer Versuchspläne im Datenbanksystem
erlaubt (Bild 4).
Die ermittelten Versuchergebnisse
wurden in einer statistischen Analyse
hinsichtlich ihrer Streuung, Signifikanz
und Konfidenz sowie der Varianz untersucht.
Anschließend erfolgte zur Ermitt-
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lung des funktionalen Zusammenhangs
zwischen Einflussgrößen und Zielgrößen
die Durchführung einer linearen
Mehrfachregressionsanalyse.
Für die Prüfung der Polynome des
Modells wurde die Adäquatheitsprüfung
mittels der F-Verteilung (Fisher-
Test) mit den sich aus der Koeffizientenprüfung
ergebenden signifikant
erkannten Koeffizienten durchgeführt.
Für die betrachteten Zielgrößen ist der
Adäquatheitstest negativ ausgefallen,
d.h. das Modell auf Basis der Regressionsanalyse
gibt nicht die tatsächlichen
Zusammenhänge wieder. Es ist lediglich
eine tendenziell grobe Näherung zu
erkennen. Deshalb wurde auf eine Untersuchung
zur Generalisierungs- und
Prognosefähigkeit beispielsweise über
Lösung des Gleichungssystems aus den
Polynomgleichungen verzichtet.
Verfahrensmodellierung unter
Verwendung Neuronaler Netze
Als Alternative zur Regressionsanalyse
wurde ein Prozessmodell unter Anwendung
Neuronaler Netze erstellt.
Die Bildung von Prozessmodellen mit
Neuronalen Netzen aus Versuchsdaten
unterscheidet sich gravierend von der
herkömmlichen – auf der Analyse physikalisch-technischer
Zusammenhänge
basierender – Vorgehensweise. Zur Erstellung
eines Neuronalen Netzes,
welches die untersuchten Zielgrößen
Rundheit und Profilabweichung abhängig
von den relevanten Eingangsgrößen
ohne Berücksichtigung physikalischer
Zusammenhänge abbildet
(Bild 5), wurde der Stuttgarter Neuro-
Bild 5
Trainiertes
Neuronales Netz
mit zugehöriger
Lernkurve
Bild 4
Bedienoberfläche RIWADAT
nal Network Simulator (SNNS) [Zell,
A.: Simulation Neuronaler Netze. Addision
Wesley Longman Verlag GmbH,
1994] verwendet, da dieser Netzsimulator
frei verfügbar ist und u.a. zahlreiche
Netzmodelle und Lernverfahren
unterstützt.
Im Vergleich zur Regressionsanalyse
konnte durch die Verwendung des
Neuronalen Netzes die Modelladäquatheit
wesentlich verbessert werden.
Dadurch ist es möglich, das Neuronale
Netz auch zur Vorhersage optimaler
Parameter zu nutzen. Dies kann zum
Beispiel durch die Anwendung der
Projektionsfunktion der verwendeten
Software SNNS geschehen (Bild 6).
p r o f i l w a l z e n
Der Einsatz eines Neuronalen Netzes
erzielt bei der Modellierung komplexer,
analytisch schwer zu beschreibender
Zusammenhänge von Eingangs-
und Ausgangsgrößen beim inkrementellen
Umformverfahren
APRW wesentlich bessere Ergebnisse
als die multiple Regressionsanalyse.
Tests ergeben eine gute bis sehr gute
Übereinstimmung von experimentell
ermittelten und berechneten Werten.
Somit kann man davon ausgehen, dass
die Anwendung von Neuronalen Netzen
zur Beschreibung eines Prozessmodells
für das APRW prinzipiell geeignet
ist. Die Generierung weiterer
Neuronaler Netze zur Beschreibung
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von Zusammenhängen anderer Einfluss-
und Zielgrößen aus dem jetzt
vorliegenden umfangreichen Datenmaterial
ist möglich.
Verfahrenserweiterung
Zur Erweiterung des Anwendungsbereiches
des APRW wurden Voraussetzungen
zum Walzen innenprofilierter
bzw. innen- und/oder außenprofilierter
ringförmiger Werkstücke sowie
asymmetrischer Querschnittsformen
geschaffen.
Im Ergebnis der am Beispiel der beiden
ausgewählten Typenvertreter Kegel-
und Zylinderrollenlagerinnenring
durchgeführten Walzversuche konnte
die Herstellbarkeit asymmetrischer
Werkstücke mittels der Verfahrens-
Bild 7
kombination APRW – Drehen prinzipiell
nachgewiesen werden. Sowohl
bei Einringbearbeitung als auch Zweiringbearbeitung
wurde nach entsprechender
Optimierung (Werkzeuggeometrie,
Walzparameter, Anfangsrohrabmessungen
und -gefüge) bei Verwendung
von Rohrmaterial 100Cr6
(GKZ) eine vollständige und fehlerfreie
Ausformung der Außenkontur
erreicht (Bild 7a und 7b).
Zusammenfassung und Ausblick
Das vorliegende Prozessmodell für das
APRW ist weiterzuentwickeln und
hinsichtlich anderer Prozessparameter
zu vervollkommnen.
In Zusammenarbeit von TU Dresden,
potenziellen Maschinenherstellern und
Anwendern aus der Wälzlager- und Automobilindustrie
werden derzeit Voraus-
Bild 6
Projektion der
Einflussgrößen
Drehzahl und
Vorschubgeschwindgkeit
hinsichtlich
Rundheit des
Außendurchmessers
a) Kegelrollenlagerinnenring (Einzelstück, Doppelstück
entsprechend konkaver und konvexer Werkzeug-Variante)
b) Zylinderrollenlagerinnenring
(Einzel- und Doppelstück)
setzungen zu Entwicklung und Bau eines
entsprechenden Prototypen für eine spätere
Produktionsmaschine geschaffen,
welcher auch die Möglichkeit zur wahlweisen
Innen- und/oder Außenprofilierung
von Rohren gewährleisten soll.
Bereits bei Erprobung und Optimierung
dieses Prototypen sind die Ergebnisse
des vorliegenden DFG-Vorhabens
– für die Fertigung von Wälzlagerringen
– nutzbar. In Folgeprojekten
sollen sich Arbeiten u. a. zur Übertragung
der erreichten Ergebnisse für die
Herstellung von (komplizierten) Getrieberingen
anschließen, zumal hier
das größere Potenzial für eine Anwendung
in Deutschland liegt als bei (einfachen)
Wälzlagerringen.
Die vorgestellten Forschungs- und Entwicklungsarbeiten
wurden durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft
(DFG) gefördert, der hierfür unser
Dank gilt.
Autoren
p r o f i l w a l z e n
Dr.-Ing. Thomas Ficker studierte von 1977 bis
1982 an der TU Dresden Fertigungsprozessgestaltung/Abtrenntechnik,
war danach am dortigen
Lehrstuhl für Umformtechnik wissenschaftlicher
Assistent und promovierte 1989. Von 1986 bis
1992 arbeitete er als Entwicklungsingenieur im
ehemaligen Kombinat Wälzlager und Normteile
Chemnitz. Seit 1992 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter
am Institut für Produktionstechnik, Professur
für Umform- und Urformtechnik, der TU
Dresden.
Dipl.-Ing. André Hardtmann studierte auf dem
Gebiet der Umformtechnik am Institut für Produktionstechnik
der TU Dresden und war dort von
1994 bis 2005 als wissenschaftlicher Mitarbeiter
tätig. Seit 2005 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter
am Institut für Werkzeugmaschinen und Steuerungstechnik
der TU Dresden.
Dipl.-Ing. Mario Houska schloss 1984 eine Berufsausbildung
zum Maschinenbauer ab. 1986 bis
1991 studierte er an der TU Dresden Fertigungsprozessgestaltung/Umformtechnik.
Seit 1991 ist er
als wissenschaftlicher Assistent bzw. wissenschaftlicher
Mitarbeiter am Institut für Produktionstechnik,
Professur für Umform- und Urformtechnik,
der TU Dresden beschäftigt.
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p r o f i l w a l z e n
Teil 2
Numerische Einflussanalyse
Volker Ulbricht, Holger Sparr
Für Ringwalzverfahren sind in der industriellen Anwendung nach wie vor elementare und empirische
Das Axialprofilrohrwalzen gehört zu
den inkrementellen Umformverfahren,
da die Formgebung des Werkstücks
zwar kontinuierlich, jedoch die
plastische Umformung in den Kontaktzonen
zwischen Werkstück und
Werkzeugen erfolgt. Mit dem Austreten
aus der Kontakt- bzw. Umformzone
wird der Werkstoff zwischenzeitlich
entlastet und verhält sich bis zum erneuten
Eintreten in die Umformzone
elastisch. Der vollständige Umformvorgang
erfolgt während ca. 10 Werkstückumdrehungen,
sodass die Umformzone
durch die Verwendung eines Walzenpaares
(siehe Bild 1) 20-mal durchschritten
wird.
Der Umformprozess wird durch einen
Satz von Prozessparametern gesteuert,
zu denen einerseits die geometrischen
Abmessungen des Werkstücks
im Ausgangszustand und die Werkzeugabmessungen
und andererseits
die kinematischen Größen wie die Rotationsgeschwindigkeit
des Werkstücks
oder die Vorschubgeschwindigkeit
der Walzen gehören.
Gemäß den kinematischen Vorgaben
des Umformprozesses APRW und
der verwendeten Umformvorrichtung
wurde ein Modell entwickelt und zugehörige
Simulationsrechnungen erfolgten,
um einen tieferen Einblick in
den Walzvorgang zu erhalten und den
Einfluss einzelner Prozessparameter
gezielt zu untersuchen.
Aus Sicht der numerischen Simulation
überlagern sich beim APRW mehrere
stark nichtlineare Vorgänge, die
jeder für sich Probleme in der Model-
Methoden für die Prozessauslegung vorherrschend. Die Gründe liegen vor allem in der
geometrischen und physikalischen Nichtlinearität der abzubildenden inkrementellen
Umformprozesse, die einen hohen Modellierungs- und Berechnungssaufwand bedingen. Im letzten
Jahrzehnt wurden umfangreiche Untersuchungen vorgenommen, mit Hilfe der Finiten-Elemente-
Methode die Prozessabbildung zu verbessern bzw. den Einfluss der prozessrelevanten Parameter zu
ermitteln. Dabei sind für aufweitende Ringwalzverfahren wie Tangentialprofilringwalzen bereits
Simulationslösungen entwickelt worden, während für die numerische Analyse des
Axialprofilrohrwalzens neue Modellierungsstrategien erst gefunden werden mussten.
lierung bzw. Simulation hervorrufen
können, jedoch hier zur kompletten
Beschreibung des Umformvorgangs
gleichzeitig betrachtet werden müssen.
Zur Simulation des Umformvorgangs
wird die Finite-Elemente-Methode
(FEM) verwendet, die eine geometrische
Diskretisierung der Werkzeuge
und des Werkstücks sowie eine
zeitliche Diskretisierung des Prozesses
erforderlich macht. Entscheidend für
die Qualität der Simulationsergebnisse
ist die Behandlung des Materialverhaltens
des Umformguts und des Kontaktverhaltens
in der Umformzone.
Hierzu gehören die Wahl eines geeig-
Bild 1
neten Modells und eine zuverlässige
Bestimmung der darin enthaltenen
Material- bzw. Kontaktparameter.
Modellierung
Schematische Darstellung des APRW
Zur Modellerstellung und Simulation
des Axialprofilrohrwalzens kam das
Programmpaket MARC zum Einsatz.
Eine variable Gestaltung des FE-Modells
wurde über die skriptbasierte Python-Schnittstelle
erstellt, sodass Änderungen
relevanter Prozessparameter
mit geringem Aufwand im Modell berücksichtigt
werden können. Der
asymmetrische Beanspruchungszustand
des Werkstücks erfordert die
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vollständige Modellierung von Werkzeugen
und Werkstück.
Die Werkzeuge, also beide Walzen
und der Walzdorn, wurden als starre
Körper angenommen und somit die
Kontaktflächen als rotationssymmetrische
Flächen in das Berechnungsmodell
übernommen. Das Profil der
Walzen besteht abschnittsweise aus
Geraden und Kreisbögen.
Die dreidimensionale Geometrie
des Werkstücks wurde mit isoparametrischen
8-Knoten-Elementen vernetzt,
wobei das FE-Netz in Bereichen
großer plastischer Dehnungen bereits
im Ausgangsnetz verfeinert wurde.
Das verwendete Element wird für
große Deformationen in der Updated
Lagrange-Formulierung eingesetzt. Die
Anzahl der Elemente ist in erster Linie
von der gewählten Profilgeometrie abhängig
und bewegt sich bei Wälzlagerringen
in der Größenordnung von einigen
tausend Elementen.
Für das elastische Materialverhalten
wurde ein isotropes Hooke-Modell benutzt.
Der für den Walzvorgang verwendete
Stahl 100Cr6 weist ein ausgeprägtes
Verfestigungsverhalten aus.
Da während des Walzens eine schwellende
Druckbeanspruchung auftritt,
wird unterstellt, dass das Verfestigungsverhalten
mit Hilfe der isotropen
Verfestigung ausreichend genau wiedergegeben
wird. Die Verfestigungskurve
wurde experimentell
bestimmt und dem Programm MARC
punktweise übergeben.
Die Fließbedingung wurde mit
der wahren Spannung unter Verwendung
der plastischen logarithmischen
Vergleichsdehnung formuliert
(1)
Die Rotation des Werkstücks wird gemäß
Bild 2 linksseitig über einen so
genannten Glue Contact als geometrische
Zwangsbedingung zwischen
einem starren Körper und dem Werkstück
realisiert, die der Werkstückeinspannung
in der Walzvorrichtung entspricht.
Zwischen den beiden Walzen bzw.
dem Walzdorn und dem Werkstück
besteht eine generelle Kontaktbedingung,
deren Einhaltung in einem Iterationsprozess
während der Simulation
Bild 2
Bild 3
Darstellung des
Borddurch-
messers im
Schnitt mit
Eintrag der
ermittelten
geometri-
schen
Kenn-
größen
aus der
Simulation
5 Kontaktkörper des Modells
gewährleistet wird. Die zugehörigen
Parameter, speziell die Größe der Kontakttoleranz
und deren Aufteilung auf
die beiden in Kontakt befindlichen
Flächen, beeinflussen sowohl die Qualität
der Lösung als auch die für die
Lösung benötigte Rechenzeit maßgeblich.
p r o f i l w a l z e n
Die Walzen und der Walzdorn sind
jeweils als Rotationsflächen im Geometriemodell
definiert und können
daher als analytische Flächen mit den
exakten Werten für die Flächennormale
und die Tangentenvektoren zur
Kontaktformulierung genutzt werden.
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Mit der Definition der Kontaktbedingungen
geht die eines geeigneten
Reibgesetzes einher. Hier kam das
CoulombsChe Reibgesetz gemäß (2)
zum Einsatz.
(2)
Die numerische Behandlung der
obigen Sprungfunktion wird durch
den Übergang auf eine stetige, differenzierbare
Funktion gemäß:
(3)
realisiert. Der Reibwert und der
Faktor C sind durch experimentelle
Daten abzugleichen.
Zur Begrenzung der Elementanzahl
wurde die Simulation zunächst auf
symmetrische Profile beschränkt. Für
die Berechnung stand zu Beginn eine
Workstation (IBM RS 6000 - CPU: 450
MHz, Hauptspeicher: 2GB, Betriebssystem:
AIX) zur Verfügung, auf der
ein typischer Walzvorgang einfacher
Geometrie mit ca. 4300 Elementen etwa
34h CPU-Zeit in Anspruch nahm.
Durch Modellverbesserungen und Anpassungen
am Lösungsalgorithmus
und durch die Inbetriebnahme neuer
Rechentechnik Dual AMD Opteron
(CPU: 2391 MHz, Hauptspeicher: 6GB,
Betriebssystem: Linux) konnte die Rechenzeit
eines gleichartigen Problems
auf ca. 3 bis 5h verkürzt werden.
Simulationsergebnisse
Neben der Beurteilung der Kraftgrößen
sind die Endabmessungen und
deren Abweichungen von den Zielgrößen
des gefertigten Bauteils von entscheidender
Bedeutung. Hierbei stehen
die Abmessungen des gewalzten
Profils im Vordergrund, da die Innenkontur
in der Regel spanend nachbearbeitet
wird. Zur Beurteilung des gewalzten
Profils werden drei Kriterien,
der Borddurchmesser, die Rundheits-
und die Profilabweichung, herangezogen.
Der Borddurchmesser entspricht
dem Durchmesser eines Ausgleichskreises
außerhalb der Wälzlagernut
Bild 4
und wird durch eine Mittelwertbildung
des Abstands zur Rohrlängsachse
entlang eines Schnittes senkrecht
zu dieser bestimmt. Die Schnittebene
liegt in der Mitte der Bordbreite.
p r o f i l w a l z e n
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(4)
Aufgrund der zyklischen Symmetrie in
den Belastungen ist eine relevante
Lageänderung des Kreismittelpunkts
nicht zu erwarten. Die festgestellte
Lageänderung lag im mm-Bereich und
konnte vernachlässigt werden. Die
maximale Differenz zum Ausgleichskreis
wird als Rundheitsabweichung R
bezeichnet (5).
(5)
Im Falle der einfachen Geometrie eines
Wälzlagerrings lässt sich die Profilabweichung
durch das Einpassen der
Zielgeometrie (Kreissegment) in den
Endzustand der Wälzlagernut bestimmen.
Es entstehen Berührungspunkte,
an denen die Abweichung null ist. Alle
anderen Punkte besitzen einen Abstand,
der die Qualität der Materialausfüllung
numerisch erfasst. Diese
Daten wurden durch den Projektpart-
Tabelle 1:
Vergleichsdaten aus den Walzversuchen
(alle Größen in [mm])
Verschiebung in axialer Richtung in [mm]
ner für alle durchgeführten Walzversuche
erhoben.
Die Daten für die Vorschubgeschwindigkeit
von 2 mm/s bei einer
Rohrdrehzahl von 200U/min sind in
Tabelle 1 zusammengestellt. Der Außendurchmesser
des Werkstücks und
der als Dornspiel bezeichnete Abstand
zwischen Walzdorn und Innendurchmesser
des Werkstücks wurden in
Spalte 1 bzw. 2 aufgenommen.
Die Maxima der berechneten Größen
sind für ausgewählte Prozessparameter
in Tabelle 2 zusammengefasst.
Die absolute Abweichung vom geforderten
Borddurchmesser für den vollständigen
Querschnitt ist mit geeigneter
Skalierung in Bild 3 dargestellt.
Mit dem Walzdorn wird die Deformation
in radialer Richtung begrenzt
und somit durch das Dornspiel – die
Anfangsdifferenz zwischen Rohrinnenradius
und Walzdornradius – der
Werkstofffluss in radialer und axialer
Richtung gesteuert. In den Versuchen
wurde das Dornspiel zwischen 0,08
mm und 0,35 mm variiert und dessen
Auswirkungen auf den Endzustand
mit den Simulationsergebnissen bestätigt
(Bild 3).
Die drei genannten geometrischen
Kenngrößen charakterisieren den voll-
Tabelle 2:
Vergleichsdaten aus der
Simulation (alle Größen in [mm])

ständigen Umformvorgang und beurteilen
das erzielte Walzergebnis. Die
Ursachen für die auftretenden Abweichungen
sind daher in getroffenen
Modellannahmen, wie die Idealisierung
der Werkzeuge (starr, ideale Positionierung)
sowie die Annahme isotropen
Materialverhaltens für das Werkstück,
zu suchen. Berücksichtigt man
diese getroffenen Einschränkungen, so
liefert der Vergleich von Experiment
und Simulation (Tabelle 1 und 2)
eine sehr gute Übereinstimmung für
die Außendurchmesserabweichung
und die Rundheitsabweichung R. Die
in erster Näherung getroffene axiale
Symmetrierandbedingung beeinflusst
die Profilabweichung stärker, so dass
hier größere Abweichungen zu verzeichnen
sind.
Durch die Auswertung der Zustandsgrößen
erhält man einen tieferen
Einblick in die mechanischen
Vorgänge des gesamten Walzprozesses.
Besonderes Interesse besteht in
der Kenntnis des tatsächlichen Werkstoffflusses,
der durch das Verschiebungsfeld
für das gesamte Werkstück
zugänglich ist. In Bild 4 wurde daher
die Verschiebung in axialer Richtung
für den entlasteten Endzustand in der
Ebene der Arbeitspunkte der Walzen
dargestellt.
Weitere Zustandsgrößen, wie der
Tensor der logarithmischen plastischen
Dehnungen und der Spannungstensor
, stehen zur Beurteilung
des Endzustandes ebenfalls zur
Verfügung.
Zusammenfassung und Ausblick
Mit der Entwicklung eines FE-Modells
für das APRW steht ein Werkzeug zur
Verfügung, dass den betrachteten Umformvorgang
wiedergeben kann und
somit für weiterführende Untersuchungen
zur Verfügung steht. Der Einfluss
anderer Prozessparameter oder
der Einfluss einer Erweiterung des Parameterraumes
(z.B. eine veränderlicheWalzenvorschubgeschwindigkeit)
auf die Qualität des Walzergebnisses
ist hierbei von besonderem Interesse.
Autoren
p r o f i l w a l z e n
Ein Ziel wird weiterhin sein, die Rechenzeiten
für einen vollständigen
Umformvorgang zu minimieren. Dementgegen
steht ein Übergang auf komplexere
Profilgeometrien, wie beispielsweise
von Getrieberingen und
eine verbesserte Modellierung der
Werkzeuge. Hierfür wird es notwendig
werden, sowohl die Vernetzungsstrategien
als auch die verwendeten
Lösungsalgorithmen anzupassen.
Die vorgestellten Forschungs- und Entwicklungsarbeiten
wurden durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft
(DFG) gefördert, der hierfür unser
Dank gilt.
Prof. Dr.-Ing. Volker Ulbricht studierte Angewandte
Mechanik an der TU Dresden. Er promovierte
1976 und habilitierte sich 1986. Seit 1992 ist
er Inhaber der Professur für Nichtlineare Festkörpermechanik
an der TU Dresden.
Dipl.-Ing. Holger Sparr studierte Angewandte
Mechanik an der TU Dresden. Seit 2000 ist er wissenschaftlicher
Mitarbeiter am Institut für Festkörpermechanik,
Professur für Nichtlineare Festkörpermechanik,
der TU Dresden.
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