Die beim Kaltwalzen zwischen Arbeitswalze und Band auftretende Reibung beeinflusst Kraft- und Arbeitsbedarf des Prozesses sowie die Oberflächenqualität des fertigen Bandes. Zur Vorhersage der Reibung muss in üblichen Kaltwalzmodellen auf empirisches Prozesswissen zurückgegriffen werden. Im Rahmen dieses Projektes wurde ein Simulationsmodell entwickelt, das die auftretenden Kontaktdrücke und -schubspannungen im Walzspalt, basierend auf den Eigenschaften des Schmiermittels sowie den Kontaktbedingungen, vorhersagt. Parameterstudien mit diesem Modell erleichtern eine optimierte Auslegung von Walzgerüsten, Stichplänen sowie maßgeschneiderten Schmiermitteln.
Um beim Kaltwalzen die zwischen Walzgut und Arbeitswalze auftretende Reibung zu reduzieren, werden vor dem Walzspalt niedrig konzentrierte Öl-in-Wasser Emulsionen aufgebracht. Die eingezogene Schmierfilmdicke in Kombination mit den typischen Oberflächenrauheiten von Arbeitswalze und Band führt in der Regel zur sogenannten Mischreibung, d.h. der Kontaktdruck im Walzspalt wird teilweise durch Rauheitsspitzen und teilweise durch das Schmiermittel selbst getragen.
Der Kaltwalzprozess wird mit Hilfe von Computermodellen simuliert, um Kraft und Arbeitsbedarf des Walzgerüsts vorherzusagen. In diesen Simulationen müssen, um den Einfluss des Schmiermittels zu berücksichtigen, hydrodynamische Effekte sowie elastische und plastische Deformationen der Kontaktpartner berücksichtigt werden. Mit kommerziellen FEM-Paketen führt die Lösung der zugrundeliegenden, gekoppelten, nichtlinearen Gleichungssysteme meist auf erhebliche Konvergenzschwierigkeiten sowie auf inakzeptable Rechenzeiten von Wochen oder Monaten.
Im Rahmen dieses Projektes wurde ein maßgeschneidertes, tribologisches Walzspaltmodell entwickelt, das aufgrund problemspezifischer Optimierungen eine stabile Lösung der Gleichungen innerhalb nur weniger Minuten ermöglicht. Mithilfe dieses Modells werden Drücke und Schubspannungen im Walzspalt, basierend auf einer Analyse der wahren Kontaktsituation, berechnet. Die Grundlage dafür liefern reduzierte, d.h. vereinfachte Submodelle der involvierten Teilprozesse.
Beim Projektpartner Siemens VAI kann das Modell nun für systematische Parameterstudien während der Auslegungsphase eines Walzgerüsts verwendet werden. Für existierende Anlagen bei voestalpine kann eine genaue Vorhersage der Walzkräfte und Momente zur Optimierung von Stichplänen (Verteilung der Umformung auf mehrere Stufen („Stiche“)) beitragen. Zusätzlich erleichtert das Modell Untersuchungen zu Auswirkungen der Schmiermittelzusammensetzung und Applikation, was bei beim Projektpartner Quaker Chemical zur Modifikation und Optimierung produktspezifischer Walzöle genutzt werden kann.
