Entwicklung eines Reibgesetzes zur Erfassung des Drehzahleinflusses bei der Reibschweißprozesssimulation : Schlussbericht zu IGF-Vorhaben Nr. 18.966 BR : Berichtszeitraum: 01.01.2016 - 31.05.2018

Abstract

Das Forschungsprojekt verfolgte primär das Ziel, für den direkt angetriebenen Rotationsreibschweißprozess einen Zusammenhang zwischen ausgewählten Eingangs- und Ausgangsgrößen des Prozesses durch einen bisher nicht dokumentierten Zusammenhang dieser herzustellen. Dies sollte der Vereinheitlichung der Fertigungsabläufe und Optimierung der Qualitätssicherung dienen. Die grafische Aufarbeitung dieser Zusammenhänge sollte in Form von bisher nicht existenten Prozessparameterkarten zur Verfügung gestellt werden, welche wiederum aus Gründen der Wirtschaftlichkeit mit Hilfe einer vollprädiktiven Prozesssimulation für Rotationsreibschweißprozesse ermittelt wurden. Der Vorteil dieser Darstellungsform war der direkte grafische Bezug zwischen 2 an der Reibschweißmaschine einzustellenden Parametern (Reibdruck und Drehzahl) und 2 aus dem Prozess entstehenden Reaktionsgrößen (Gleichgewichtsverkürzungsrate und - reibmoment), wobei zur Bestimmung aller Zusammenhänge lediglich die Kenntnis zweier dieser Größen notwendig war. Damit sollte es dem Einrichtungs- und Bedienpersonal der Reibschweißmaschinen ermöglicht werden, den Prozess direkt an Ihre Zielstellung ohne aufwändige experimentelle Prozessiteration an Ihre Zielstellung anzunähern. Exemplarisch sollten diese anwenderfreundlichen Prozessparameterkarten für 2 Werkstoff- und Geometriekombinationen bereitgestellt werden. In aufwändigen Vorarbeiten wurde die Simulation daher für den vorliegenden Anwendungsfall interdisziplinär befähigt. Die Ursache und gleichzeitig sekundäre Problemstellung des Forschungsprojektes hierfür war die Vorhersagefähigkeit der Simulation hinsichtlich der Gleichgewichtsprozessgrößen (Gleichgewichtsverkürzungsrate und -reibmoment) in der stationären Reibphase. Während eine Variation des Reibdruckes für beide Gleichgewichtsprozessgrößen eine gute Prädiktion darbot, kam es hinsichtlich der Drehzahleinflusses als Prozesseingangsparameter bei der Abbildbarkeit des Gleichgewichtsreibmomentes zu einer qualitativ guten Prädiktion. Anders verhielt es sich bezüglich des Einflusses der Drehzahlvariation auf die Gleichgewichtsverkürzungsrate. In experimentellen Versuchen konnte mit steigender Drehzahl zunächst eine Abnahme der Gleichgewichtsverkürzungsrate und erst für sehr hohe Drehzahlen eine Zunahme dieser beobachtet werden. Abweichend hiervon führte eine Drehzahlerhöhung in der Reibschweißprozesssimulation direkt zu einem Anstieg der Gleichgewichtsverkürzungsrate. Die Ursache dieser Divergenz zwischen Experiment und Simulation, welche mit zunehmender Drehzahl stieg, wurde im der Simulation hinterlegten Reibmodell vermutet, da dieses die drehzahlabhängige Schlupfgeschwindigkeit nicht berücksichtigte. Daher war es im Rahmen des Forschungsprojektes vor Erreichen des primären Projektziels zunächst notwendig, das Reibmodell der Reibschweißprozesssimulation derart zu befähigen, dass auch der Zusammenhang zwischen dem Prozesseingangsparameter der Drehzahl und der Reaktionsgröße der Gleichgewichtsverkürzungsrate korrelierend zum experimentellen, physikalischen Verhalten korrekt wiedergegeben wird. Zum Erreichen dieser Zielstellung musste für die Simulation zunächst ein thermomechanisches Materialmodells beider im Forschungsprojekt vorgesehenen Werkstoffe teilexperimentell bestimmt werden. Hinzu kamen für einen ausgewählten Versuchsraum Reibschweißversuche beider Werkstoff- und Geometriekombinationen auf unterschiedlichen Reibschweißmaschinen im entsprechend notwendigen Leistungsbereich. Die Notwendigkeit dieser Experimente war die Befähigung des numerischen Simulationsmodells durch eine Kalibrierung derart, dass die Simulation den Zielgrößenbereich, die stationäre Reibphase, hinsichtlich der Prozessreaktionsgrößen Gleichgewichtsverkürzungsrate und -reibmoment korrelierend zum Experiment wiedergeben konnte. Erst im Anschluss, nach der Kalibrierung und somit Befähigung für die Prozessgrößenprädiktion, konnte anhand des numerischen Simulationsmodells damit begonnen werden, wirksame Zusammenhänge hinsichtlich des der Simulation hinterlegten Reibmodells zu erarbeiten. Das Ziel war es dabei, das bestehende EDT-Reibgesetz, ein Coulomb’sches Reibmodell mit Begrenzung der Schubfestigkeit, zu modifizieren. Dazu wurden 21 empirische Ansatzfunktionen, welche das Kalibrierverhalten der Übersetzungsdehnrate in Abhängigkeit von drehzahlabhängigen Schlupfgeschwindigkeit mathematisch beschreiben, mit Hilfe der Methode der kleinsten Fehlerquadrate („Least-Square-Method“) entwickelt. Anschließend wurden diese Ansatzfunktionen anhand von Zielgrößen gewichtet bewertet. Mit 9 Ansatzfunktionen wurde der gesamte experimentelle Versuchsraum simulativ erfasst, die Ergebnisse ausgewertet und hinsichtlich der Gleichgewichtszielgrößen zwischen Experiment, unkalibrierter Simulation (Istzustand) und Simulation mit modifiziertem Reibmodell (Sollzustand) verglichen. Das an- und abschließend ausgewählte Reibmodell mit einer „Power1-Ansatzfunktion“ wurde dann zur Berechnung der Prozessparameterkarten durch eine Versuchsraumextrapolation hinsichtlich der Drehzahl und des Reibdruckes auf alle Werkstoff- und Geometriekombinationen angewandt, die Daten ausgewertet und die Prozessparameterkarten, welche lediglich auf Simulationsdaten beruhen, abgeleitet. Ein abschließender Vergleich zwischen Ist- und Sollzustand der Reibschweißprozesssimulation hinsichtlich der Zielgrößen im Prozessgleichgewicht, Gleichgewichtsverkürzungsrate und -reibmoment, zeigte unabhängig von der Werkstoffkombination eine signifikante Steigerung der Vorhersagefähigkeit dieser, insofern das modifizierte Reibmodell berücksichtigt wurde. Auch konnte die durch Drehzahlsteigerung herbeigeführte Divergenz der Gleichgewichtsverkürzungsrate zwischen Experiment und Simulation in eine Konvergenz überführt werden. Folgende übergeordnete Teilziele des Projektes wurden erreicht: • Inbetriebnahme portabler und maschinenunabhängige Messplattform zur Erfassung von Axialkräften und Torsionsmomenten • Experimentelle Bestimmung der thermomechanischen Werkstoffeigenschaften beider Versuchswerkstoffe • Experimentelle Versuchsdurchführung eines vollfaktoriellen Versuchsraums und Thermoelementvalidierungsmessungen • Kalibrierung des Simulationsmodells • Ableitung funktionaler Zusammenhänge für das der Reibschweißprozesssimulation zu Grund liegende Reibmodell, Erprobung und Bewertung dieser • Simulative Berechnung und Erzeugung von Prozessparameterkarten für einen extrapolierten Versuchsraum für 2 Werkstoff- und 2 Geometriekombinationen mit Hilfe einer prädiktiven Reibschweißprozesssimulation mit modifiziertem Reibmodell Die Ziele des Vorhabens wurden erreicht.