Flittergratvermeidung beim Präzisionsschmieden von Aluminium entlang der Prozesskette

Thema Umformtechnik, Werkzeug- und Formenbau
Projekttitel Flittergratvermeidung beim Präzisionsschmieden von Aluminium entlang der Prozesskette (ProGrAl)
Laufzeit 01.08.2014 – 31.01.2017
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Pressemitteilung

Beim gratlosen Präzisionsschmieden kann in den schmalen Spaltbereichen zwischen den Gesenkhälften sowie zwischen den Stempeln und der Gravur ein sehr dünner Flittergrat entstehen. Dieser Flittergrat erschwert Werkstückhandhabung und Werkstückpositionierung in nachfolgenden Prozessschritten und führt zu Lage- und Toleranzfehlern. Die Entstehung des Flittergrats konnte mit einer konventionellen Interpretation von FE-Modellen nicht vorhergesagt werden. Der Fokus dieses Forschungsprojekts lag auf der Entwicklung von simulativen Methoden zur Prognose Flittergratbildung sowie in der Entwicklung von Ansätzen zur Flittergratreduktion. Eine Prognose von Flittergratbildung ist nunmehr durch zwei alternative Prognosemethoden möglich. Eine Flittergratreduktion konnte zum einen durch werkzeugintegrierte Dichtungskonzepte und zum anderen durch eine automatisierte Vorformoptimierung mittels evolutionärer Algorithmen erreicht werden.

Veröffentlichungen zum Projekt

Beim gratlosen Schmieden von Aluminium kann in die Spaltbereiche zwischen den Werkzeugelementen ungewollt Werkstoff eindringen und damit sogenannter Flittergrat entstehen. Flittergrat erschwert die Handhabung und die Positionierung der Bauteile in nachfolgenden Schmiede- oder Zerspanungsoperationen und führt so zu Lage- und Toleranzfehlern am Bauteil.

In dieser Arbeit wurden daher zwei verschiedene Methoden zur erstmaligen numerischen Prognose von Flittergratbildung erarbeitet. Für spezifische Fertigteilbereiche konnte Flittergratbildung in allen betrachteten Bereichen qualitativ prognostiziert werden. Des Weiteren wurde eine Methode zur Flittergratreduktion durch eine geometrische Optimierung von Vorformen mittels evolutionärer Algorithmen entwickelt. Die optimierten Vorformen erfüllten oder übertrafen die etablierten Qualitätsanforderungen im Vergleich zu konventionell entwickelten Vorformen bei einer signifikant verkürzten Optimierungsdauer von weniger als zehn Minuten.

Massivumformung, gratloses Schmieden, Flittergrat, Prognose, Optimierung

In diesem Paper ist die Entwicklung von Methoden zur Vorhersage der Flittergratbildung beim gratlosen Schmieden basierend auf der Finite Elemente Methode (FEM) beschrieben. Flittergratbildung erschwert das Handling und die Positionierung der Bauteile in nachfolgenden Prozesschritten und führt zu Lage- und Toleranzfehlern. Damit beeinflusst Flittergratblidung die Qualität von Prozess und Bauteil negativ. Eine direkte Berechnung des Flittergrats mittels FEM ist derzeit nicht möglich.

Zu Untersuchungszwecken wurden drei volumengleiche Vorformen unterschiedlicher Geometrie verwendet, um dieselbe Fertigteilgeometrie zu erzeugen. Anschließend wurde die vorformabhängige Flittergratbildung durch experimentelle Schmiedeversuche ermittelt. Die experimentell ermittelte Flittergratbildung wurde mit dem durch FEM-Simulationen berechnenten Druck in den Bereichen nahe des Fließspalts verglichen. Ausgehend vom FE-Knoten, der der Kante des Fließspalts am nächsten ist, wurden alle FE-Knoten entlang einer fiktiven Messlinie betrachtet, um Druckfunktionen P mittels polynomialer Regression zu bilden. Durch einen Vergleich der so ermittelten Druckfunktionen mit der experimentellen Flittergratbildung konnten die folgenden Schlüsse gezogen werden:

  1. In spez. Fertigteilbereichen weisen hohe Anstiege der simulativ ermittelten P-Funktionen in der unmittelbaren Nähe des Fließspalts auf geringere Flittergratbildung im praktischen Schmiedeversuch hin.
  2. In spez. Fertigteilbereichen weisen höhere Absolutwerte des Drucks in fließspaltnahen Bereichen auf geringere Flittergratbildung im praktischen Schmiedeversuch hin.
  3. Durch Analyse des Drucks in den fließspaltnahen Bereichen unmittelbar vor Erreichen der Formfüllung, können Bauteilbereiche, in denen Flittergratbildung entsteht, prognostiziert werden.

Schmieden, Gratloses Schmieden, FEM, Aluminium, Simulative Prognosemethode

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

Die Untersuchung der Flittergratbildung in einem gratlosen Präzisionschmeideprozess von einem lenkerähnlichen Aluminiumlangteil mittels FEM und experimentellen Umformversuchen wurde im Vortrag beschrieben. Flittergratbildung erschwert das Handling und die Positionierung der Bauteile in nachfolgenden Prozesschritten 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, konnten auch Flittergratbildung experimentell nachgewiesen werden. Vorfomen mit höherer Formfüllungssynchronität zeigten geringere Flittergratbildung. 

Schmieden, gratlos Schmieden, Aluminium, FEM, Flittergrat, Prognose

Schmiedeteile eignen sich für den Gebrauch in der Automotiveindustrie, da sie die Anforderungen des Leichtbaus erfüllen und zugleich hohen Belastungen standhalten. Um eine hohe Prozessgüte zu erreichen, muss beim gratlosen Präzisionschmieden die Flittergratbildung zwischen den formgebenden Elementen (Gesenkhälften und Stempeln) vermieden werden. Nach aktuellem Stand der Forschung ist die zur Vermeidung notwendige Vorheresage der Flittergratbildung nicht möglich.

In diesem Paper ist die Entwicklung eines Modells zur Vorhersage der Flittergratbildung, basierend auf der Finite Elemente Methode (FEM), beschrieben. Dazu wurden verschiedene Analyseparemeter aus der FEM hinsichtlich ihrer Korrelation (Signifikanz und Effekt) zu den Prozessparametern Umformtemperatur, Umformgeschwindigkeit und Gratspaltbreite untersucht. Unter allen untersuchten Analyseparametern wurden der Hydrostatische Druck und die Umformkraft in Hauptumformrichtung als die zur Flittergratprognose am meisten geeigneten Parameter identifiziert.

Aluminiumschmieden, gratloses Präzisionsschmieden, gratloses Schmieden, FEM

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

Am IPH wurde in der Vergangenheit intensiv am gratlosen Präzisionsschmieden von Stahlwerkstoffen geforscht. Beim gratlosen Aluminiumschmieden bildet sich häufig der sogenannte Flittergrat, ein dünner Metallkranz, der sich in den Spaltbereichen zwischen den formgebenden Elementen bildet und sich negativ auf die Bauteilqualität auswirkt. Aus diesem Grund konnte das Gratlosschmieden für Aluminiumteile bisher nicht umgesetzt werden. In dieser Veröffentlichung wird die Projektvorgehensweise zur Untersuchung der Flittergratbildung erläutert. Zudem wird das erstellte FEM-Modell eines einstufigen Stauchprozesses im geschlossenen Gesenk zur Untersuchung der Flittergratentstehung beschrieben. Mit Hilfe des Modells wird der Einfluss der Parameter Werkstücktemperatur, der Umformgeschwindigkeit, der Breite des Fließspaltes und der Presskräfte auf die Flittergratbildung untersucht. Letztlich soll durch diese Untersuchungen das Gratlosschmieden von Aluminiumbauteilen ermöglicht werden.

Gratlosschmieden, Flittergrat, Aluminium, FEM

Förderer

Das Projekt mit dem Förderkennzeichen 233760094 wurde mit Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

Ihr Ansprechpartner

Mareile Kriwall
Dipl.-Ing.

Abteilungsleiterin Prozesstechnik