Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens

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Veröffentlichungen

Ein geringer Energieverbrauch und eine geringe Fertigungszeit werden in jedem industriellen Prozess der Kurbelwellenherstellung gefordert. Kurbelwellen besitzen eine sehr komplexe Geometrie und werden daher, verglichen mit anderen Schmiedebauteilen, mit einem hohen Gratanteil geschmiedet. Aktuelle Forschungsergebnisse zeigten die Machbarkeit des gratlosen Präzisionsschmiedens von Kurbelwellen. Eine Möglichkeit, eine Kurbelwelle herzustellen ist die Verwendung der drei Fertigungsschritte Querkeilwalzen, mehrdirektionales Schmieden und Fertigschmieden.

Dieses Paper präsentiert die Untersuchungsergebnisse des Einflusses der Querschnittsflächenreduzierung beim Querkeilwalzen auf verschiedenen Parametern des mehrdirektionalen Schmiedens. Zuerst ist der aktuelle Stand der Forschung, die Entwicklung des Prozesses und die Werkzeugkonzepte des Querkeilwalzens sowie des mehrdirektionalen Schmiedens dargestellt. Danach sind die Ergebnisse des Einflusses der Querschnittsflächenreduzierung auf die Gratbildung, Bauteiltemperaturen, Umformgrad, Umformkraft und Spannung gezeigt. Grundsätzlich entsteht Grat, weil eine rotationsymmetrische Vorform asymmetrisch umgeformt wird. Eine steigende Querschnittsflächenreduzierung führt dabei zu einem geringeren Grat unten an den Kurbelwangen.

mehrdirektionales Schmieden, Querkeilwalzen, Kurbelwelle, Querschnittsflächenreduzierung

Die Reduzierung von CO2-Emissionen und des Kraftstoffverbrauchs steht im Automobilbau seit langem im Zentrum des Interesses von Forschung und Entwicklung. Der Leichtbau ist daher von größerer Bedeutung denn je. 

Der erste Leichtbauansatz bestand in diesem Projekt darin, Strukturbauteile belastungsorientiert auszulegen. Dazu sollten die Bauteile und Baugruppen lokal unterschiedliche mechanische Eigenschaften, wie zum Beispiel Steifigkeiten, aufweisen. Bei der Entwicklung sollten Tailored Tubes verwendet werden, die sich analog zu Tailored Blanks aus verschiedenen Blechdicken zusammensetzen. Diese rohrförmigen Strukturbauteile eignen sich wegen ihrer hohen Steifigkeit bei geringem Gewicht hervorragend für Leichtbauanwendungen. Durch das Herstellungsverfahren der Innenhochdruckumformung (IHU) können auch komplexe belastungsoptimierte Geometrien mit hoher Genauigkeit realisiert werden.

FEM, IHU, Tailored Forming

Die meisten heutigen technischen Bauteile und Komponenten bestehen aus monolithischen Materialien. Diese in etablierten Herstellungsprozessen hergestellten Monomaterialkomponenten erreichen aufgrund ihrer jeweiligen Materialeigenschaften ihre Grenzen. Daher kann eine signifikante Steigerung der Produktionsqualität und Effektivität nur durch die Kombination verschiedener Materialien in einem Bauteil erreicht werden. Die Umformung von zuvor gefügten Halbzeugen zu entkonturnahen Bauteilen, die aus zwei verschiedenen Materialien bestehen, ist eine vielversprechende Methode zur Produktion von Bauteilen mit lokal optimierten Eigenschaften. Diese neue Prozesskette bietet gegenüber herkömmlichen Fertigungstechnologien eine Reihe von Vorteilen. Beispiele sind die Herstellung von besonders angepassten Schmiedeteilen mit hoher Materialausnutzung, eine Verbesserung der Fügezone durch den folgenden Umformprozess und ein einfach zu integrierendes Fügeverfahren aufgrund der einfachen Geometrie der Halbzeuge.

Diese Veröffentlichung beschreibt den Herstellungsprozess von hybriden Stahlbauteilen, die durch die Kombination eines Plasma-Pulver-Auftraggeschweißen mit anschließendem Querkeilwalzen hergestellt wurden. Diese innovative Prozesskette ermöglicht die Produktion von hybriden Bauteilen. Um die Prozesskette zu bewerten, wird die Schichtdicke der aufgetragenen Schicht vor und nach dem Querkeilwalzen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass der Umformprozess zu einer Verbesserung der aufgetragenen Schicht, also einer homogeneren Verteilung entlang der Hauptachse, führt.

Prozesskette, Plasma-Pulver-Auftragschweißen, Hybride Bauteile, Querkeilwalzen

In den vergangenen Jahren sind die Anforderungen an technische Bauteile stetig gestiegen. Diese Entwicklung ist dem Wunsch nach immer leistungsfähigeren Produkten geschuldet, die neben einem geringeren Gewicht, einer kleineren Bauweise und erweiterter Funktionalität zudem eine höhere Widerstandsfähigkeit gegenüber bestimmten Beanspruchungsarten aufweisen.

Das übergeordnete Ziel des Sonderforschungsbereichs 1153 "Tailored Forming" ist es, die Potentiale für hybride Massivbauteile auf der Basis eines neuen zugeschnittenen Fertigungsprozesses unter Verwendung von gefügten Halbzeugen  zu erschließen.

In diesem Beitrag werden die Vorgehensweise und erste Ergebnisse ausgewählter Teilprojekte zur Halbzeugherstellung durch Verbundstrangpressen, zur Umformung der hybriden Halbzeuge durch Querkeilwalzen, Gesenkschmieden und Fließpressen und zur numerischen Versagensvorhersage der Fügezonen dargestellt. Hierdurch wird ein Überblick über mögliche Leichtbaustrategien im Bereich der Massivumformung durch die Verwendung bereits gefügter Halbzeuge gegeben.

Tailored Forming, Halbzeugherstellung, Umformung, Querkeilwalzen

Das Querkeilwalzen hybrider Bauteile ergibt je nach Anordnung (seriell oder koaxial) unterschiedliche Herausforderungen, die zunächst grundlegend untersucht werden.

Beim Querkeilwalzen von seriellen Bauteilen ist die kontrollierte Umformung der Fügezone die größte Herausforderung. Abhängig von der Fließspannung der verwendeten Werkstoffe verformen sich die Bauteilhälften unterschiedlich. Um diese Umformung kontrolliert ablaufen zu lassen, wurde zunächst das Umformverhalten hinsichtlich der Verschiebung und Qualität der Fügezone analysiert und anschließend Möglichkeiten ermittelt, mit denen die Umformung gezielt erfolgen kann. Dazu wurden systematisch nach dem DoE-Verfahren die Einflussparameter (Werkstücktemperatur, Umformgeschwindigkeit, Querschnittsflächenreduktion, Schulter- und Keilwinkel) zunächst mittels Finite-Element-Methode ermittelt und anschließend die Untersuchungen experimentell verifiziert. Eine Einflussnahme auf die Umformung anhand sowohl konstruktiver Maßnahmen (z. B. ungleiche Werkzeughälften) als auch durch prozessbedingte Parameter (z. B. unterschiedliche Temperierung) wird untersucht.

Das Querkeilwalzen von koaxialen Bauteilen hat aufgrund des Bauteilaufbaus andere Herausforderungen. Ziel ist es, bei der Umformung den Verlauf der Dicke der aufgetragenen Schicht gezielt beeinflussen zu können. Dazu wurden zu Beginn Finite-Elemente-Simulationen durchgeführt, um beeinflussende Parameter zu ermitteln. Durch eine systematische Untersuchung der Versuchsparameter nach dem DoE-Verfahren ergaben die Schichtdicke vor der Umformung sowie die Querschnittsflächenreduktion als Parameter mit den größten Einflüssen auf die den Verlauf der Schichtdicke nach der Umformung. Die erzielten Ergebnisse wurden in experimentellen Versuchen anschließend verifiziert.

Querkeilwalzen, Stahl, Aluminium, Fügezone, Schichtdicke

Zum Hinterschnittschmieden von Stahlkolben soll ein mehrdirektionales Schmiedewerkzeug entwickelt werden. Dazu wurde zunächst der Schmiedeprozess simulativ ausgelegt und solange angepasst, bis eine geeignete Stadienfolge gefunden wurde.

FEM, Schmieden, Hinterschnitt, Hinterschnittschmieden, mehrdirektional

In diesem Artikel wird die Erforschung der Grundlagen des neuen Fertigungsverfahrens Hybridschmieden beschrieben, das Blech- und Massiv-Elemente gleichzeitig umformt und fügt. Mittels eines Demonstratorbauteils wird simulativ die Möglichkeit untersucht, mehrere unterschiedliche Fügeverbindungen an einem Bauteil herzustellen. Die Ergebnisse zeigen günstige Parametervariationen, welche in experimentellen Untersuchungen getestet werden sollen.

FEM, Hybridschmieden, Massivumformung, Blechumformung

Ein geringer Energieverbrauch und eine geringe Fertigungszeit werden in jedem industriellen Prozess der Kurbelwellenherstellung gefordert. Kurbelwellen besitzen eine sehr komplexe Geometrie und werden daher, verglichen mit anderen Schmiedebauteilen, mit einem hohen Gratanteil geschmiedet. Aktuelle Forschungsergebnisse zeigten die Machbarkeit des gratlosen Präzisionsschmiedens von Kurbelwellen. Eine Möglichkeit, eine Kurbelwelle herzustellen ist die Verwendung der drei Fertigungsschritte Querkeilwalzen, mehrdirektionales Schmieden und Fertigschmieden.

Dieses Paper präsentiert die Untersuchungsergebnisse des Einflusses des Schulterwinkels beim Querkeilwalzen auf verschiedenen Parameter des mehrdirektionalen Schmiedens. Zuerst ist der aktuelle Stand der Forschung, die Entwicklung des Prozesses und die Werkzeugkonzepte des Querkeilwalzens und des mehrdirektionalen Schmiedens dargestellt. Danach sind die Ergebnisse des Einflusses des Schulterwinkels auf die Gratbildung, Bauteiltemperaturen, Umformgrad, Umformkraft und Spannung gezeigt. Grundsätzlich entsteht Grat, weil eine rotationsymmetrische Vorform asymmetrisch umgeformt wird. Ein steigender Schulterwinkel führt dabei zu einem größeren Grat unten an den Kurbelwangen.

mehrdirektionales Schmieden, Querkeilwalzen, Kurbelwelle, Parameterstudie, Schulterwinkel

Um die Produktionskosten von Schmiedeteilen zu reduzieren, sind unterschiedliche Ansätze möglich. Speziell für wertvolle Materialien wie Titan stellen die Materialkosten einen Großteil der Produktionskosten dar. Daher kann die Verringerung des Ausgangsmaterials die Gesamtkosten signifikant verringern. Um das Verbesserungspotenzial zu identifizieren, wurde eine bestehende Schmiedeprozesskette untersucht.

Für ein Hüft-Implantat aus Titan wurde eine neue Schmiedeprozesskette entwickelt. Um das anfänglich benötigte Material zu reduzieren, wurde das Querkeilwalzen als Vorformvefahren und das Gesenkschmieden mit Gratsperren untersucht. Der Einfluss der verschiedenen Prozessschritte auf das Endergebnis wurde analysiert und detailliert dargestellt. Um die Vorhersagegenauigkeit des neu entwickelten gratreduzierten Schmiedeprozesses zu erhöhen und Iterationsschleifen von Gesenkauslegungen zu verringern, wurden passende Simulationsparameter unter Berücksichtigung der Randbedingungen der Schmiedeumgebung untersucht. Dies geschieht mittels Finite-Elemente-Analyse (FEA) unter Berücksichtigung von Formfüllung, Prozessstabilität und Pressenkräfte. Beim Einsatz von Querkeilwalzen und Gesenkschmieden mit Gratsperre reduziert der neu entwickelte Schmiedprozess den Gratanteil deutlich von 69% auf 32%.

Querkeilwalzen, Schmieden, Gratreduziert, FEM Simulationen, Gratsperren

In mehrstufigen Schmiedeprozessen wird das Schmiedeergebnis hauptsächlich von der Geometrie der Vorform bestimmt. Das Auslegen von mehrstufigen Schmiedeprozessen ist dennoch immer noch ein zeitaufwendiger Trial- and Error Prozess. Die Qualität der entwickelten Schmiedeprozesse hängt weiterhin stark vom Erfahrungswissen des zuständigen Konstrukteurs ab. Dieses Paper präsentiert einen Algorithmus, um das multikriterielle Optimierungsproblem der Vorformoptimierung zu lösen. Dazu werden querkeilgewalzte Vorformen untersucht und ein evolutionärer Algorithmus eingesetzt, um die Vorformen so zu verbessern, bis die gewünschten Qualitätskriterien in der Fertigschmiedestufe erreicht werden. Dabei werden die Massenverteilung des Fertigteils, das Vorformvolumen und die Bauteilkomplexität als Bewertungsparameter eingeführt. Es wird eine Formel zur Berechnung des minimal erforderlichen Gratanteils abgeleitet und anhand verschiedener Demonstratorbauteile auf ihre Eignung überprüft. 

Vorformoptimierung, Schmieden, Evolutionäre Algorithmen, Querkeilwalzen

Um es zukünftig kleinen und mittleren Unternehmen zu ermöglichen, Querkeilwalzen einzusetzen, wurden bisher bestehende Hindernisse aus dem Weg geräumt. Dazu wurde eine Methode entwickelt, wie Querkeilwalzwerkzeuge softwaregestützt konstruiert werden können. Für die beiden Demonstratorbauteile Hüftimplantat und Common-Rail wurden Querkeilwalzprozesse simulationsgestützt ausgelegt. Mit den Querkeilwalz-Vorformen konnten gratreduzierte Stadienfolgen für die beiden Demonstratorbauteile ausgelegt werden. Um die Teile industriell kostengünstig walzen zu können, wurde eine Querkeilwalzmaschine konzipiert, gefertigt und beim Schmiedeunternehmen aufgebaut. So konnte die komplette Stadienfolge des Hüftimplantats erfolgreich getestet werden.

Querkeilwalzen, Umformmaschine, Ressourceneffizienz, Hüftimplantat, Common-Rail

In mehrstufigen Schmiedeprozessen wird das Schmiedeergebnis hauptsächlich von der Geometrie der Vorform bestimmt. Das Auslegen von mehrstufigen Schmiedeprozessen ist dennoch immer noch ein zeitaufwendiger Trial- and Error Prozess. Die Qualität der entwickelten Schmiedeprozesse hängt weiterhin stark vom Erfahrungswissen des zuständigen Konstrukteurs ab. Dieses Paper präsentiert einen Algorithmus, um das multikriterielle Optimierungsproblem der Vorformoptimierung zu lösen. Dazu werden querkeilgewalzte Vorformen untersucht und ein evolutionärer Algorithmus eingesetzt, um die Vorformen so zu verbessern, bis die gewünschten Qualitätskriterien in der Fertigschmiedestufe erreicht werden. Dabei werden die Massenverteilung des Fertigteils, das Vorformvolumen und die Bauteilkomplexität als Bewertungsparameter eingeführt. Der entwickelte Algorithmus wird anhand eines Pleuels validiert und die fortlaufende Optimierung überprüft.

Vorformoptimierung, Schmieden, Evolutionäre Algorithmen, Querkeilwalzen

Gratreduziertes Schmieden ist eine vielversprechende Alternative für komplizierte Hochleistungsschmiedeteile. Mittels einer neuartigen Prozesskette wurde die Möglichkeit geschaffen, den Gratanteil solcher komplizierter Schmiedeteile signifikant zu senken. So kann die Wettbewerbsfähigkeit von Schmiedeunternehmen gesteigert und deren Produktionskosten gesenkt werden. Die Europäische Union fördert ein Forschungsprojekt, in dem die Verbesserung von Kurbelwellen-Stadienfolgen durch gratreduziertes Schmieden erreicht werden soll. Um die Vorhersage von Schmiedeparametern in Simulationen zukünftiger Prozessauslegungen zu verbessern, wird eine bestehende Stadienfolge simuliert und mit dem industriellen Schmiedeprozess verglichen. Zusätzlich wurde eine Variation der Simulationsparameter verwendet, um deren Einfluss auf die Ergebnisse des Schmiedeprozesses zu ermitteln.

Schmieden, Kurbelwelle, Gratreduzierung, Untersuchung von Simulationsparametern

Um die Formfüllung in Schmiedeprozessen sicher zu prognostizieren, werden unterschiedliche künstliche neuronale Netze auf ihre Eignung überprüft. Als Eingangsparameter werden mehrere Querschnittsflächeneigenschaften getestet, um das Ergebnis der Formfüllung von FEM-Simulationen zu prognostizieren. Der Einfluss der Querschnittseigenschaften auf die Formfüllungsprognose wird dargestellt und die beste Methode ausgewählt.

FEM, Schmieden, Vorformoptimierung

Mittels FEM wurde ein numerisches Modell entwickelt, um die Entstehung von Flittergrat beim Aluminiumschmieden zu untersuchen. Die Signifikanz und die Effekte der Eingangsparameter Werkstücktemperatur, Umformgeschwindigkeit und Gratspaltbreite auf die Entstehung des Flittergrates wurden durch statistische Analyse der Simulationsergebnisse ermittelt. Experimentelle Versuche wurden durchgeführt, um das numerische Modell zu verifizieren.

FEM, Aluminium, Schmieden, Gratlosschmieden, Flittergrat

Das verbreitetste Verfahren in der Massivumformung ist das Gesenkschmieden mit Grat. Dabei wird mithilfe eines Materialüberschusses sichergestellt, dass die Form vollständig gefüllt wird. Das überschüssige Material entweicht über die Gratbahn, die somit großen Einfluss auf die Formfüllung hat. Üblicherweise werden Form und Abmessungen der Gratbahn während der Gesenkherstellung festgelegt und können während des Schmiedeprozesses nicht mehr verändert werden. Durch den Einsatz einer variablen Gratbahn, die während des Schmiedeprozesses aktiv gesteuert werden kann, ist es möglich, den Materialfluss zu verändert und die Formfüllung zu verbessern. In diesem Beitrag wird eine variable Gratbahn für den Einsatz in der Warmmassivumformung beschrieben und der Einfluss eines solchen Systems auf die Formfüllung ermittelt. Als Vergleichsgegenstand wird ein konventioneller Schmiedeprozess mit einer festen Gratbahn herangezogen. Des Weiteren werden die Ergebnisse experimenteller Versuche mit den Ergebnissen der korrespondierenden FEM-Simulationen verglichen. Zudem wird untersucht, welchen Einfluss die Ausgangstemperatur des Rohlings hat. Die experimentellen Schmiedeversuche haben gezeigt, dass die variable Gratbahn den Materialfluss erheblich beeinflusst – umso mehr, je höher der Gratanteil ist. Die variable Gratbahn ist als 2 mm hohe Sperre konstruiert. Ihr Einsatz führt zu Steighöhenunterschieden von bis zu 4,5 mm – das entspricht 16,6 % der Bauteilhöhe im Vergleich zu konventionell geschmiedeten Bauteilen. Wird die Schmiedetemperatur von 1200 °C auf 1000 °C reduziert, sinkt der Einfluss der variablen Gratbahn: Die durchschnittlichen Steighöhenunterschiede liegen dabei rund 0,5 mm (etwa 3 %) niedriger.

Schmieden, Werkzeugkonstruktion, Stofffluss, FEM, Gratbahn

Gratreduziertes Schmieden ist eine vielversprechende Alternative für das Schmieden von komplizierten Hochleistungsbauteilen. Die Anwendung von gratlosen Vorformenoperationen ist ein möglicher Ansatz, eine Gratreduktion zu erreichen. Die Vermeidung von Grat beim Vorformen durch komplett umschlossene Gesenke ist die Hauptherausforderung beim Gratlosschmieden, vor allem, wenn die Trennfuge der Gesenke in der Mitte der Schmiedeteile liegt. Um ein gratloses Vorformen zu ermöglichen, wurde ein Schließmechanismus entwickelt, der ohne Federn funktioniert.

Schmieden, Schließ-Mechanismus, gratloses Schmieden, Schmiedeprozess, Vorformen

Das meist verbreitetste Verfahren der Massivumformung ist Gesenkschmieden mit Grat. Ein Ziel der Industrie ist es diesen Grat zu reduzieren. Bei geometrisch komplizierten Teilen wie Kurbelwellen kann die Gratreduzierung durch gratloses Vorformen und gratreduziertes Fertigschmieden erreicht werden. Eine entsprechende Prozessauslegung ist jedoch deutlich komplizierter und es können Fehler wie unzureichende Formfüllung auftreten. Eine bewegliche, gesteuerte Gratbahn ermöglicht eine Veränderung des Materialflusses und eine verbesserte Formfüllung. In dieser Veröffentlichung wird das gratlose Vorformen für Kurbelwellen unter Einsatz einer gesteuerten Gratbahn beschrieben.

Schmieden, Werkzeugkonstruktion, Stofffluss, FEM, Gratbahn

Beim Schmieden geometrisch komplizierter Teile wie Kurbelwellen ist ein Überschuss an Material (Grat) notwendig, um Teile guter Qualität erzeugen zu können. Die Materialausnutzung liegt zwischen 60 % und 80 %. Jedoch machen die Materialkosten beim Schmieden bis zu 50 % der gesamten Produktionskosten aus. Durch Verringerung des Gratanteils können die Materialverbrauch und die Produktionskosten in Schmiedeprozessen beträchtlich verringert werden. Für die Reduktion des Gratanteils einer Kurbelwelle, war die Entwicklung einer neuen Schmiedeabfolge notwendig. Diese Entwicklung wurde für eine industrielle Zweizylinder-Kurbelwelle durchgeführt, basierend auf Finite-Elemente-Analyse (FEA) Simulationen. Die neue Stadienfolge besteht aus drei gratlosen Vorformoperationen, einer induktive Wiedererwärmung gefolgt von einem mehrdirektionalen Schmieden und Fertigschmieden. Durch diese Stadienfolge wurde der Gratanteil von 54 % auf 10 % gesenkt. Aufgrund der hohen Gratreduktion kann von nun an Material und Energie gespart werden, wodurch die Wettbewerbsfähigkeit des Unternehmens zunimmt.

Schmieden, FEM, Gratreduzierung, mehrdirektionales Schmieden, Ressourceneffizienz

Kolben für Verbrennungsmotoren bestehen in der Regel aus Aluminium. Die steigenden Anforderungen an Effizienz und Leistung in Kfz-Motoren können durch die Verwendung von Stahlkolben erfüllt werden, die wahrscheinlich in der Automobilindustrie in den nächsten Jahren eingesetzt werden. Kolben sind meist geschmiedet und eine teure Bearbeitung ist notwendig, um sie einbaufertig zu finalisieren. In der Regel wird ein eindirektionales Schmiedeverfahren angewendet. Mit diesem ist es nicht möglich, Hinterschnitte zu schmieden. Bei Kolben ist die Kolbenbolzenbohrung ein solcher Hinterschnitt. Mit Hilfe des mehrdirektionalen Schmiedens ist ein Hinterschnittschmieden möglich und ein Vorformen der Kolbenbolzenbohrung kann realisiert werden. Zum einen führt dieses zu einer verbesserten Materialausnutzung und zum anderen wird die nachfolgende mechanische Bearbeitung vereinfacht aufgrund einer leichteren Positionierung des Schmiedeteils. Derzeit sind entsprechende Schmiedewerkzeuge in der Entwicklung. Sie werden in einer industriellen Umgebung auf einer Exzenterpresse getestet. Die Schmiedeteile werden anschließend bezüglich Qualität sowie die Werkzeuge hinsichtlich Verschleißes geprüft und final die Wirtschaftlichkeit dieses neuen Verfahrens analysiert.

Kolben, Stahl, Schmieden, Kolbenbolzenbohrung, Hinterschnitt, mehrdirektional