Vorspannung und Ermüdung von Kaltmassivumformwerkzeugen für unrunde Bauteilgeometrien

Die Kaltmassivumformung ermöglicht eine energieeffiziente Produktion hochbelastbarer metallischer Bauteile. Werkzeugermüdung infolge hoher Belastungen beeinträchtigt jedoch die Anwendbarkeit für anspruchsvolle Bauteilgeometrien, welche zu-nehmend an Bedeutung gewinnen. Daher wurden Werkzeugbelastung und Ermüdungsversagen von Matrizen mit unrunder Innenkontur in Abhängigkeit ihres Vorspannsystems untersucht. Hierzu wurden Belastungssimulationen sowie ein neu aufgebauter Ermüdungsversuch verwendet, in dem der Umformdruck durch die zyklische Kompression von Elastomeren nachgebildet wird. Kritische Zugbeanspruchungen entstehen in den Werkzeugbereichen, die am weitesten vom Inkreis der Innenkontur entfernt sind. Obwohl konventionelle Vorspannsysteme zu einem verbesserten Spannungszustand führen, trat im Modellversuch Ermüdungsversagen nach etwa 100.000 Zyklen auf. Daher wurden angepasste lokale Vorspannsysteme untersucht. Einerseits wird durch Aussparungen im Armierungsverband der Kontakt zwischen Matrize und Armierung lokal unterbrochen und damit eine vorteilhafte Biegespannung induziert. Andererseits erzeugen in die Matrizen gepresste Spannstifte in ihrem Umfeld Spannungen, die bei geeigneter Positionierung den Beanspruchungszustand verbessern. Im Modellversuch wurde eine erhöhte Lebensdauer um 150% für Aussparungen und um 16% für Spannstifte erreicht. Die lokalen Vorspannsysteme haben daher Potential für eine Erweiterung der Prozessgrenzen der Kaltmassivumformung zur Herstellung anspruchsvollerer Bauteilgeometrien.