Dr.-Ing. Jan Langner

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Dissertation

Die am häufigsten verwendete Methode zum Umformen von Schmiedebauteilen in der Warmmassivumformung ist das gratbehaftete Gesenkschmieden. Dabei wird ein Materialüberschuss über die Gratbahn verdrängt und bildet den Grat. Die Gratbahn, welche üblicherweise unveränderlich ist, hat entscheidenden Einfluss auf den Stofffluss im Gesenk und damit auf die Formfüllung, die Materialausnutzung und weitere Prozesseigenschaften.

In dieser Arbeit wurde eine variable Gratbahn entwickelt, welche im Umformprozess in vertikaler Richtung veränderlich ist. Sie kann dazu genutzt werden den Stofffluss während des Umformprozesses zu verändern. Dadurch ist es möglich mehr Material im Gesenk zu halten und die Formfüllung zu verbessern. In experimentellen Versuchen wurde eine maximale Verbesserung der Steighöhe des Materials bei einem Versuchsbauteil von 4,6 mm bzw. 17,2 % erreicht. Zudem wurde der Einfluss verschiedener Parameter, wie der Werkstücktemperatur, der Freischaltkraft oder der Höhe der variablen Gratbahn evaluiert.

Zur Anwendung einer variablen Gratbahn auf andere Schmiedebauteile wurde eine Richtlinie auf Basis von FEM-Simulationen gestaltet. Die Richtlinie zeigt eine Empfehlung für ein Vorgehen zur Gestaltung einer variablen Gratbahn für verschiedene Schmiedebauteile zur Verbesserung der Formfüllung auf.

Massivumformung, Finite-Elemente-Methode (FEM), Gratbahn, Stofffluss, Werkzeuggestaltung

Veröffentlichungen

In dieser Veröffentlichung werden Untersuchungen über die Verschiebung der Fügezone von seriell angeordneten hybriden Halbzeugen beim Querkeilwalzen vorgestellt. Die untersuchten Werkstoffkombinationen sind Stahl-Stahl (C22 und 41Cr4) und Stahl-Aluminium (20MnCr5 und AlSi1MgMn). Der Querkeilwalzprozess wurde mittels FEM-Simulationen ausgelegt und anschließend experimentell untersucht. Untersuchungsschwerpunkt ist die Untersuchung der Verschiebung der Fügezone in Abhängigkeit der Hauptparameter des Querkeilwalzens. Es konnte gezeigt werden, dass das Umformverhalten seriellen hybriden Halbzeugen aus Stahl-Stahl und Stahl-Aluminium mit der FEM beschrieben werden kann. Die Abweichung der Verschiebung gemäß Simulation im Vergleich zu den experimentellen Versuchen beträgt nur etwa 3 %, was eine gute Näherung ist.

Querkeilwalzen, Hybride Bauteile, Fügezone, Stahl, Aluminium

Die Untersuchung der Flittergratbildung in einem gratlosen Präzisionschmiedeprozess von einem lenkerähnlichen Aluminiumlangteil mittels FEM und experimentellen Umformversuchen wurde in diesem Vortrag beschrieben. Flittergratbildung erschwert das Handling und die Positionierung der Bauteile in nachfolgenden Prozessschritten und führt zu Lage- und Toleranzfehlern. Zu Untersuchungszwecken wurden drei volumengleiche Vorformen unterschiedlicher Geometrie verwendet, um dieselbe Fertigteilgeometrie zu erzeugen.

Die FEM-Simulationen wurden hinsichtlich der vorformgeomtrieabhängigen Formfüllungs-Sychronität untersucht, um Bereiche der Flittergratbildung zu prognostizieren. Die FEM-basierten Prognosen wurden mit der in experimentellen Schmiedeversuchen ermittelten Flittergratbildung verglichen. Der Vergleich zeigte gute Übereinstimmung. In allen Bereichen, in denen simualtiv Flittergrat prognostiziert wurde, konnte auch Flittergratbildung experimentell nachgewiesen werden. Vorfomen mit höherer Formfüllungssynchronität zeigten geringere Flittergratbildung. 

Schmieden, Aluminium, FEM, Flittergratbildung, Vorhersage

Plasma-Pulver-Auftragschweißen (PTA) ist ein flexibles Schweißverfahren, um metallische Werkstoffe mit einer Vielzahl von Materialkombinationen zu beschichten. An der Leibniz Universität Hannover wird dieser Prozess derzeit für die Herstellung von hybriden Halbzeugen für die Massenproduktion untersucht. Die Technologie bietet viele Antworten auf die Fragen nach kostengünstigen Herstellungsmethoden im Bereich von Hochleistungsbauteilen. Das dargestellte Verfahren ist eine Kombination aus einem Schweiß- und einem Querkeilwalzprozess (QKW) mit dem Ziel eine homogene Beschichtung aus Stahl mit einem hohen Kohlenstoffanteil (CEV>0,5) herzustellen. Dabei ist ein stabiler Prozess wichtig um Schwachstellen aufgrund von inhomogenen Schichtdicken in den fertigen Bauteilen zu verhindern, vor allem wenn die Teile in tribologischen Anwendungen eingesetzt werden. Daher ist es notwendig, dass wichtige Eigenschaften der Fügezone zwischen den Materialien wie der Beschichtungsdicke und der Mikrostruktur gut bekannt sind und gesteuert werden können.

Die Verformung der Schweißnähte und der Mikrostruktur wird optisch untersucht. Es wird gezeigt, dass es möglich ist, das ursprüngliche Schweißgefüge der geschweißten Schicht in ein Umformgefüge umzuwandeln. Die Untersuchungen geben einen ersten Überblick über die Möglichkeiten, die Beschichtungsqualität durch Umformprozesse bei der Herstellung von geschweißten Hybrid-Halbzeugteilen zu beeinflussen.

Tailored Forming, Plasma-Pulver-Auftragschweißen, Hybride Bauteile, Querkeilwalzen

Aufgrund der thermischen und mechanischen Belastungen infolge der hohen Rohteiltemperaturen von bis zu 1280 °C, der großen Gesenk-Innendrücke und des ausgeprägten Werkstoffflusses entlang der Gesenkoberflächen ist der Werkzeugverschleiß beim Gesenkschmieden besonders hoch. Ein fortgeschrittener Werkzeugverschleiß führt zu Instandhaltungsaufwänden, Produktionsstillstandzeiten, und im schlimmsten Fall zum Werkzeugbruch und ist daher ein Hauptkostenfaktor beim Gesenkschmieden.

Am Institut für Integrierte Produktion Hannover wurde der Zusammenhang zwischen dem Verschleiß von Schmiedewerkzeugen von der gewählten Losgröße nachgewiesen. Auf Basis der Ergebnisse können künftig lnstandhaltungsabläufe optimiert und Kosten reduziert werden.

Schmieden, Stahl, Verschleiß, Losgröße

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

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

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

Je komplizierter eine Schmiedegeometrie ist, desto mehr Grat ist notwendig, um Formfüllung und ein fehlerfreies Schmiedeteil zu erreichen. Die meisten kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) schmieden viele unterschiedliche Teile in kleinen und mittleren Losgrößen und können nicht den hohen Aufwand betreiben, um effizientere Schmiedeverfahren zu entwickeln. Im Paper wird die Entwicklung einer ressourceneffizienten Schmiedeprozesskette für Kurbelwellen dargestellt. Die Stadienfolge besteht aus gratlosen Vorformschritten und einem gratreduzierten Fertigschmiedeschritt. Die Werkzeuge wurden entwickelt, um auf industriell genutzten, schnellen mechanischen Pressen zu funktionieren. Die letzte der vier gratlosen Vorformschritte ist eine mehrdirektionale Ausformung der Kurbelwangen und Versetzen der Lagerstellen. Um die Schmiedekräfte auf einem niedrigen Niveau zu halten und ein stabiles Schmiedeverfahren zu ermöglichen wurde eine Zwischenerwärmung mittels Induktion der Vorformteile vor dem mehrdirektionalen Schmieden entwickelt. Die Kurbelwellen wurden erfolgreich mit einem reduzierten Gratanteil von weniger als 10% geschmiedet.

Schmieden, Grat, Induktive Erwärmung, Vorform, Kurbelwelle

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

Beim Hybridschmieden werden massive Rohteile oder Bleche zu einem Verbundbauteil zeitgleich umgeformt und gefügt. Dadurch lassen sich die dem Umformen ansonsten nachgelagerten Fügeoperationen einsparen. Außerdem können durch den Einsatz eines Blechs anstelle von Massivteilen Material gespart oder günstigere Umformaggregate genutzt werden.

Hybrid, Schmieden, Blechumformung, Fügen, Stahl, Stoffschluss

Unterschiedliche Rohteilabmessungen oder ein fortgeschrittener Gesenkverschleiß vergrößern die Gefahr herstellungsbedingter geometrischer Schwankungen von Schmiedeteilen. Dies kann zu Ausschuss führen. Meist werden diese Schwankungen durch eine erhöhte Einsatzmasse kompensiert und somit eine geringere Materialeffizienz in Kauf genommen. In einem Forschungsprojekt wurde untersucht, wie durch den Einsatz einer beweglichen Gratbahn im Schmiedewerkzeug der Stofffluss beeinflusst und somit die Qualität der Schmiedebauteile verbessert werden kann.

Schmieden, Werkzeugkonstruktion, Stofffluss, FEM, Gratbahn

Die Materialkosten machen bis zu 50 % der gesamten Produktionskosten aus. Durch Verminderung des Gratanteils lassen sich der Materialverbrauch und somit die Produktionskosten in Schmiedeprozessen verringern. Für komplizierte Schmiedeteile ist die Entwicklung einer neuen Stadienfolge notwendig, um einen gratreduzierten Schmiedeprozess zu erzielen. Diese Entwicklung wurde für eine Zweizylinder-Kurbelwelle durchgeführt. Die neue gratreduzierte Stadienfolge besteht aus gratlosen Vorformoperationen, einem induktiven Erwärmen von vorgeformten Werkstücken und einem finalen gratreduziertem Schmieden. Mit der Reduzierung des Gratanteils von 54 % auf 10 % wurde der Gesamtenergieverbrauch reduziert und die Wettbewerbsfähigkeit der schmiedenden KMU gesteigert.

Gratreduziert, Prozesskette, Kurbelwelle, induktive Erwärmung

Eine frühzeitige Erkennung von Fehlern im Schmiedeprozess bietet wirtschaftliche Vorteile. So können beispielsweise fehlerhaft geschmiedete Werkstücke sofort aus der weiteren Prozesskette ausgeschleust werden und verursachen keine Kosten zum Beispiel in einer anschließenden Wärmebehandlung. Die Entwicklung einer neuartigen Prozessüberwachung mittels elektrischen Stroms ermöglicht die Identifikation von Schmiedefehlern und mangelnder Formfüllung.

Schmieden, Prozessüberwachung

Schmiedeteile haben geometrische Schwankungen, bedingt beispielsweise durch den Gesenkverschleiß. Die Untersuchung von Kompensationsmöglichkeiten durch eine per FEM-Simulation gesteuerte Gratbahn wies nach, wie weit der Stofffluss sich im Moment der Umformung variieren lässt. Dies eröffnet Potential, das Schmiedeergebnis weiter zu verbessern.

Schmieden, Werkzeugkonstruktion, Stofffluss, FEM, Gratbahn

Zur Umformung von dünnwandigen Hohlbauteilen aus Rohren wird oftmals das Verfahren des Innenhochdruckumformens angewendet. Um auch dickwandige Hohlbauteile aus Aluminium umformen zu können wurde ein Verfahren entwickelt, welches die Umformung solcher Bauteile im erwärmten Zustand mit Hilfe eines Wirkmediums auf einer hydraulischen Presse ermöglicht. Zur Untersuchung wurde für ein Beispiel-Bauteil solch ein Umformprozess ausgelegt. Dieser Prozess wurde mit Hilfe der FEM analysiert und in Laborversuchen verifiziert.

Innenhochdruckumformen, Schmieden, Rohre, Aluminium, FEM

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