Formerosion von Kernschießwerkzeugen

Bis zur MAGMA C+M-Version 5.5.0 wurde die Formerosion als dimensionsloses Ergebnis 'Mold Erosion' berechnet. Dabei wurden die Sandgeschwindigkeit, der Sandanteil, der Aufprallwinkel sowie die Wirkzeit berücksichtigt, und als Ergebnis wurde eine qualitative Analyse der meistbeanspruchten lokalen Bereiche im Formwerkzeug berechnet. In der MAGMA C+M-Version 5.5.1 wurde das Ergebnis 'Mold Erosion' durch das Ergebnis 'Erosion Depth' ersetzt, welches die Erosionstiefe in Mikrometer nach einem Schuss zeigt.

Abbildung 1: 'Erosion Depth'-Ergebnis im Unterkern in einem Kernschießprojekt

Die Erosion bzw. der Materialverlust des Werkzeuges entsteht durch die Abrasion des Werkstoffes, verursacht durch kontinuierliches Aufprallen der Sandkörner unter hoher Geschwindigkeit auf die Werkstoffoberfläche. Wie stark sich die Erosion entwickelt, ist im Wesentlichen abhängig von folgenden Faktoren: Aufprallbedingungen (Sandgeschwindigkeit und Aufprallwinkel), Sandeigenschaften (Dichte, Sandkornform und Sandkorngröße) und Materialeigenschaften des Formwerkstoffes (Duktilität, Härte und Dichte).

Ferner gilt, dass die Erosionseigenschaften eines duktilen Materials andere als die eines spröden Materials sind.

Für duktile Materialien steigt die Erosion bis zu dem Aufprallwinkel von etwa 30°, wo das Maximum erreicht wird, und dann fällt sie bis zu dem 90°-Winkel ab.

Bei spröden Materialien steigt die Erosion kontinuierlich bis zu dem 90°-Aufprallwinkel, wo das Maximum erreicht wird.

Abbildung 2: Das typische Erosionsverhalten der duktilen/spröden Materialien in Abhängigkeit vom Aufprallwinkel

Bei dem 'Erosion Depth'-Ergebnis geht es um die mechanische Erosion. Dabei werden zwei Mechanismen betrachtet: Schneiden ( _C) und Verformen ( _D).

Verschleiß durch Schneidemechanismus verschiebt oder entfernt komplett ein Stück Formmaterial durch den Aufprall eines Sandpartikels unter einem Winkel auf die Formfläche. Die plastische Deformation der Formoberfläche entsteht, wenn die kinetische Energie des Sandpartikels ausreichend hoch ist. Dieser Vorgang wird für nachfolgende Partikeleinschläge wiederholt, bis ein Stück Material von der Oberfläche entfernt wird.

Verformungsverschleiß ist eine Beseitigung des Materials der Formoberfläche durch einen wiederholten Aufprall der Sandkörner in Senkrechtrichtung auf die Formfläche. Dabei entsteht plastische Verformung, Aushärtung und Rissbildung der Formoberfläche, bis ein Stück des Materials abbricht.

Anwendung in der Simulation

Voraussetzung für die Berechnung des 'Erosion Depth'-Ergebnisses in einer Kernschießsimulation ist die Auswahl des Formmaterials mit den definierten 'C+M Mold Erosion Properties' (C+M-Formerosionseigenschaften) und des Sandmaterials mit dem definierten 'Sharpness Factor' (Schärfefaktor).

In der MAGMA-Datenbank gibt es einen Standard-Datensatz 'X38CrMoV5_Corebox' für Stahlwerkzeuge, in dem die 'C+M Mold Erosion Properties' definiert sind. Wenn Sie andere Kernkastenwerkstoffe nutzen, melden Sie sich gerne bei unserem Support-Team.

Alle Sanddatensätze wurden mit dem erforderlichen Parameter 'Sharpness Factor' ergänzt:

runde Sandkörner ('Fully-rounded')
halbrunde Sandkörner (Default, 'Semi-rounded')
kantige Sandkörner ('Sharp')

Einfluss von Material und Aufprallwinkel

Für ein Beispiel mit dem Sand H31, der eine „vollrunde“ ('Fully rounded') Sandkornform hat, ist zu erkennen, dass die Erosionstiefe für einen Stahl- bzw. Aluminiumformwerkstoff in Abhängigkeit des Aufprallwinkels zunimmt. Zu erkennen ist auch, dass die Erosionstiefe beim verwendeten Al-Formstoff im Vergleich zu dem Stahlwerkstoff für einen Aufprallwinkel 15°-45° etwa dreimal höher ist.

Abbildung 3: 'Erosion Depth' für die Formwerkstoffe Stahl (rechts) und Aluminium (links) für unterschiedliche Aufprallwinkel

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