IGF-Projekt 19867 N

Wärmetechnische Charakterisierung von Oberflächenkontakten

Forschungsstellen
RWTH Aachen, Institut für Industrieofenbau und Wärmetechnik
RWTH Aachen, Institut für Bildsame Formgebung

Laufzeit
01.01.2018 – 31.12.2020

Zusammenfassung

Aufgrund der Oberflächenrauheit treten Spalte zwischen zwei in Kontakt stehenden Festkörpern auf. Diese Hohlräume zwischen den Oberflächen verursachen zusätzliche Wärmewiderstände. Dies spielt auch in vielen Bereichen der Umform- und Thermoprozesstechnik eine Rolle.

Die Auslegung von Prozessen und der entsprechenden Anlagen sowie die Prozessführung erfolgt häufig unterstützt von numerischen Methoden. Mit einer Möglichkeit zur exakteren Voraussage von Kontaktwärmewiderständen verbessert sich die Genauigkeit der Modellierung der Prozesse.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens sollen Wärmeübergänge zwischen Oberflächenkontakten charakterisiert werden. Aus diesem Grund wurde ein neuer Versuchsstand entwickelt. Mit ihm können Kontaktwärmewiderstände mit der Temperatur, der Normalspannung und der Umgebungsatmosphäre als einstellbare Parameter gemessen werden. Darüber hinaus werden die Härte und die Topografie der Oberflächen der Materialien als Einflüsse berücksichtigt.

Die Entwicklung des Versuchsstands umfasst die thermische und mechanische Auslegung, die Konstruktion und die Inbetriebnahme. Zusätzlich werden Messungen des Kontaktwärmewiderstands durchgeführt. Zudem sollen basierend auf den Messergebnissen Prozessmodelle entwickelt werden.

Die Entwicklung des Versuchsstands ist abgeschlossen. Er besteht im Wesentlichen aus drei Modulen, mit denen sich die oben aufgelisteten Einflussparameter steuern lassen. Als Wärmequelle dient ein Vertikalrohrofen mir integrierter Temperaturregelung. Die Normalspannung wird durch eine mechanische Presse auf einen Probenstapel aufgebracht, deren Stempel durch das Ofenrohr geführt werden. Die Atmosphäre wird durch die Einspeisung von Prozessgas in das Ofenrohr eingestellt. Es wurden Versuche bei maximal 925 °C Probentemperatur durchgeführt.

Die Auswertung des Kontaktwärmewiderstands erfolgt auf Basis einer inversen Modellierung der Wärmeströme in den Stempeln und dem Probenstapel durch numerische Methoden. Als Randbedingungen hierfür dienen Messungen der Temperatur.

Die durchgeführten Messungen belegen die Funktionstüchtigkeit des Versuchsstands und weisen eine gute Wiederholbarkeit auf. Die relative Messunsicherheit bei den Versuchen konnte bereits reduziert werden und liegt im Mittel bei etwa 19 %. Die Ergebnisse zeigen die erwarteten Tendenzen und decken sich teilweise mit bisher durchgeführten und in der Literatur beschriebenen Experimenten. Die Vergleichbarkeit der Ergebnisse ist jedoch nur bedingt gegeben, da nicht alle Versuchsparameter übereinstimmen.

Die erhobenen Messergebnisse wurden in zwei Prozessmodelle integriert, mit denen sich jeweils die Temperaturverteilungen in einem gewickelten Metallband während des Glühens und einem Werkstück, das auf dem Gesenk einer Schmiedepresse vor dem Umformprozess ruht, simulieren lassen.

Die Ziele des Forschungsvorhabens wurden teilweise erreicht.

 


Das IGF-Vorhaben 19867 N der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Maschinenbau e.V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
Weitere Informationen sowie den Abschlussbericht erhalten Sie über das Forschungskuratorium Maschinenbau e.V., Lyoner Straße 18, 60528 Frankfurt oder info@fkm-net.de