Lebensdauerorientierte Festigkeitsauslegung von Umformwerkzeugen zur Innenhochdruck-Umformung

Gesamtziel des Projektes „Lebensdauerorientierte Festigkeitsauslegung von Umformwerkzeugen zur Innenhochdruck-Umformung“ war es, dem Konstrukteur von IHU-Werkzeugen eine Auslegungsstrategie zur Verfügung zu stellen.

Ergebnis einer Recherche zum Stand der Technik war, dass neben Erfahrung bzw. Empirie, rechnerische Methoden zur Anwendung kommen. Die hierbei gängigste Methode ist die so genannte „FKM-Richtlinie Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile aus Stahl, Eisenguss- und Aluminiumwerkstoffen“.

In einem darauf folgenden Projektschritt wurde, basierend auf einer realen Werkzeuggeometrie zur Innenhochdruck-Umformung hohlförmiger Halbzeuge in der Großserie, eine für IHU-Werkzeuge typische Belastungssituation ermittelt.

Basierend auf den Ergebnissen des vorhergegangenen Schrittes wurden Probekörper konstruiert. Es wurden eine Hohlprobe zur Belastung mit Innendruck sowie eine Kerbprobe zur Vierpunktbiegung realisiert.

Die Fertigung der Hohlproben war extrem zeit- und kostenintensiv. Außerdem fielen für die Prüfung erhebliche Kosten an. Daher erfolgte die Fertigung einer Serie von 25 Prüfkörpern, während die weiteren Versuche an reinen Biegeproben fortgesetzt wurden. Die Erwartung war, dass die Versuchsergebnisse vergleichbar sein würden. Die Ergebnisse der Versuche an den Hohlproben zeigten jedoch unerwartet niedrige Lebensdauern, sowohl im Vergleich zu den Biegeproben aus dem gleichen Werkstoff als auch im Vergleich zu Berechnungen. Diese Abweichungen konnten im Rahmen dieses Projektes nicht abschließend erklärt werden. Die Ergebnisse anderer Forschungsvorhaben legen jedoch den Schluss nahe, dass eine reine Biegeprüfung mit gleicher Vergleichsspannung wie die nachgebildete Geometrie verwertbare Ergebnisse erzielt. Daher muss davon ausgegangen werden, dass nicht die unterschiedliche Aufbringung der Last (über Innendruck bei der Hohlprobe bzw. mechanisch bei der Biegeprobe) der Grund für die abweichenden Ergebnisse ist.

Im weiteren Projektverlauf wurde ein Versuchsplan mittels Vierpunktbiegeproben abgearbeitet, der relevante Werkstoffe sowie Lieferzustände für Gesenke und Werkzeuggrundkörper repräsentativ abdeckt. Die Untersuchungen beinhalteten zusätzlich Analysen zur Ermittlung aller für eine Lebensdauerberechnung der Proben mittels der FKM-Richtlinie notwendigen Daten. Hierzu zählen Zugversuche zur Ermittlung der Materialfestigkeit sowie Rauheitsmessungen der Oberflächen im versagenskritischen Bereich.

Ergebnis der Biegeversuche sind Lebensdauerkennlinien, so genannte Wöhlerkurven, für die Werkstoffe in den jeweiligen Zuständen. Solche experimentell ermittelten und statistisch abgesicherten Kennlinien waren bislang nicht verfügbar.

Im nächsten Arbeitspunkt fand ein Vergleich der experimentell ermittelten Dauerfestigkeiten mit den gemäß der FKM-Richtlinie zu erwartenden Werten statt. Es zeigte sich, dass, bei Berücksichtigung einer typischer Randbedingungen diese Richtlinie ein geeignetes Werkzeug für die Auslegung von IHU-Werkzeugen darstellt.

Diese Randbedingungen wurden im letzten Schritt in Form eines vereinfachten Ablaufes verfügbar gemacht. Dieser Ablauf ermöglicht die Verwendung der Richtlinie für den speziellen Anwendungsfall „IHU-Werkzeug“, ohne die gesamte Richtlinie mit allen, sehr umfangreichen Möglichkeiten der Berücksichtigung von Effekten, die bei IHU-Werkzeugen in aller Regel nicht auftreten, kennen und verstehen zu müssen.