| Thema | Prozessauslegung, Umformtechnik |
|---|---|
| Projekttitel | Nutzung unterschiedlicher Fließspannungen beim Umformen inhomogen erwärmter Rohteile (Inhomogene Erwärmung) |
| Laufzeit | 01.10.2018 – 28.02.2021 |
| Pressemitteilung |
Um Schmiedeprozessketten möglichst effizient zu gestalten, werden vor dem Fertigschmieden meist ein oder mehrere Vorformoperationen durchgeführt. Diese dienen dazu, eine sogenannte Massevorverteilung zu erzeugen. Bislang erfolgen Vorformoperationen häufig durch den Einsatz von materialintensiven oder teuren Verfahren, wie dem Gesenkschmieden oder Querkeilwalzen. Dieses Forschungsprojekt untersucht daher die Möglichkeit, mittels neuartiger Erwärmungsstrategien die Vorformoperationen zu optimieren.
In dem Forschungsprojekt sollen lokal angepasste Fließspannungen genutzt werden, um Schmiedeprozessketten künftig ressourcen- und energieeffizienter zu gestalten. Dies soll erreicht werden, indem die Rohteile mittels Induktion inhomogen erwärmt werden. Es werden also für unterschiedliche Bauteilbereiche unterschiedliche Temperaturen eingestellt. Die dadurch unterschiedlichen Fließspannungen sorgen im Schmiedeprozess für lokal unterschiedlich starke Umformungen. Dazu werden zunächst simulative und experimentelle Untersuchungen zur Einstellung der unterschiedlichen Temperaturfelder in einem Rohteil durchgeführt. Im nächsten Schritt werden am Beispiel eines Common-Rails die Einflüsse unterschiedlicher Prozessketten und Erwärmungsstrategien auf das fertige Schmiedestück untersucht und mit einer konventionellen Prozesskette mit homogener Erwärmung und Querkeilwalzen verglichen. Abschließend wird ein Modell entwickelt, mit dessen Hilfe die Effekte einer inhomogenen Erwärmung von Rohteilen auf das Gesenkschmieden bei einer Variation der Bauteilgeometrie bestimmt werden können.
Veröffentlichungen zum Projekt
Um die Herstellung komplexer Geometrien möglichst effizient zu gestalten, werden in der Regel mehrere Umformstufen genutzt. Bei diesen wird das Rohteil zunächst homogen erwärmt und anschließend über mehrere Vor- und Zwischenstufen sowie der Fertigformung geschmiedet. Vorangegangene Untersuchungen haben gezeigt, dass durch den Einsatz einer inhomogenen, anstelle einer homogenen, Rohteilerwärmung eine deutliche Materialersparnis erzielt werden kann. Ein limitierender Faktor bei der praktischen Durchführung einer inhomogenen Erwärmung ist der Temperaturgradient zwischen den warmen und halbwarmen Bereichen des Rohteils.
Die vorliegende Studie untersucht daher den Einfluss der Länge des Temperaturgradienten auf die notwendige Rohteilgröße zur Erreichung einer Formfüllung bei gegebener Fertigteilgeometrie. Dafür wurde eine simulative Parameterstudie mit drei unterschiedlich langen Temperaturübergängen sowie zwei unterschiedlichen Fertigteilgrößen durchgeführt.
Es wurde gezeigt, dass je nach Fertigteilgröße und Länge des Temperaturgradienten zwischen 3,31 % und 17,49 % Material im Vergleich zu einem homogen erwärmten Rohteil eingespart werden können. Die Länge des Temperaturgradienten hat damit einen deutlichen Einfluss auf das Einsparpotential des Materials.
Massivumformung, Inhomogene Erwärmung, Ressourceneffizienz, FEM
Für die effiziente Herstellung komplexer Geometrien werden häufig mehrstufige Schmiedeprozessketten eingesetzt. Diese bestehen typischerweise aus einer homogenen Erwärmung, einer oder mehreren Vorformstufen und dem Fertigschmieden. Durch inhomogen erwärmte Rohteile können die Prozessketten vereinfacht oder verkürzt werden. Dies soll erreicht werden, indem innerhalb eines Rohteils verschiedene Temperaturbereiche eingestellt werden, die zu unterschiedlichen Fließspannungen führen. Diese können den Materialfluss beeinflussen, was zu einer einfacheren Herstellung komplexer Teile führt. In dieser Studie wird der Einfluss von inhomogen erwärmten Rohteilen auf den Umformprozess mittels FEA untersucht. Dazu werden zwei Prozessketten mit inhomogener Erwärmung und drei homogen erwärmte Referenzprozessketten entwickelt und verglichen. Jede Prozesskette wird so lange optimiert, bis die Formfüllung erreicht ist und keine Fehler mehr auftreten. Zielgrößen für die Bewertung sind die notwendige Umformkraft, die zur Formfüllung notwendige Materialmenge und der Werkzeugverschleiß. Die Ergebnisse zeigen für Prozessketten mit inhomogen erwärmten Rohteilen ein kleines Zeitfenster von ca. 5 s für eine erfolgreiche Umformung im Sinne einer Formfüllung. Umformkräfte und Werkzeugverschleiß steigen bei inhomogen erwärmten Rohteilen aufgrund höherer anfänglicher Fließspannungen an. Allerdings sinkt der Gratanteil bei inhomogen erwärmten Rohteilen. Je nach Größe weisen inhomogen erwärmte Rohteile bis zu 11,8 % weniger Grat auf als homogen erwärmte Rohteile. Dies zeigt ein Potenzial für den Einsatz der inhomogenen Erwärmung, um Schmiedeprozesse effizienter zu gestalten. Anschließend werden experimentelle Versuche durchgeführt, um die Ergebnisse der Simulationen zu verifizieren.
Inhomogene Erwärmung, Schmieden, FEA, Ressourceneffizienz, Vorformoperationen
Für die effiziente Herstellung komplexer Geometrien werden häufig mehrstufige Prozessketten eingesetzt. Diese bestehen aus einer homogenen Bauteilerwärmung, einer oder mehrerer Vorformstufen und dem Fertigschmieden. Mittels inhomogen erwärmter Rohteile sollen die Prozessketten vereinfacht oder verkürzt werden. Dies soll erreicht werden, indem mehrere, klar definierte Temperaturfelder eingestellt werden, in denen unterschiedliche Fließspannungen vorliegen. Diese können den Stofffluss beeinflussen und die Herstellung komplexer Formen erleichtern.
Inhomogene Erwärmung, Massivumformung, Vorformverfahren
