Inkrementelle Umformung hybrider Halbzeuge mittels Querkeilwalzen

Projekttitel Inkrementelle Umformung hybrider Halbzeuge mittels Querkeilwalzen (SFB 1153 B1)
Laufzeit 01.07.2015 – 30.06.2019
Projektwebseite www.sfb1153.uni-hannover.de
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Das übergeordnete Ziel des Sonderforschungsbereichs „Tailored Forming“ ist es, die Potentiale für hybride Massivbauteile auf der Basis eines neu zugeschnittenen Fertigungsprozesses unter Verwendung von gefügten Halbzeugen zu erschließen. Im Gegensatz zu bestehenden Herstellungs- und Fertigungsprozessen von hybriden Massivbauteilen, bei denen der Fügeprozess erst während der Umformung oder am Ende der Fertigungskette erfolgt, werden im SFB maßgeschneiderte Halbzeuge verwendet, welche vor dem Formgebungsprozess gefügt werden. Gegenüber den bestehenden Fertigungsverfahren erleichtert die einfache Geometrie der Halbzeuge die Handhabung sowie die prozesssichere Herstellung einer stoffschlüssigen Fügezone. Im Teilprojekt B1 geht es um die inkrementelle Umformung hybrider Halbzeuge mittels Querkeilwalzen.
  • Keine aktuellen Termine vorhanden.
  • 07.11.2016
  • PZH – Produktionstechnisches Zentrum Hannover, An der Universität 2, 30823 Garbsen
  • 27.06.2016
  • PZH – Produktionstechnisches Zentrum Hannover, An der Universität 2, 30823 Garbsen
  • 25.04.2016
  • PZH – Produktionstechnisches Zentrum Hannover, An der Universität 2, 30823 Garbsen
  • 01.02.2016
  • PZH – Produktionstechnisches Zentrum Hannover, An der Universität 2, 30823 Garbsen
  • 26.11.2015
  • PZH – Produktionstechnisches Zentrum Hannover, An der Universität 2, 30823 Garbsen
  • 23.07.2015
  • PZH – Produktionstechnisches Zentrum Hannover, An der Universität 2, 30823 Garbsen

Veröffentlichungen zum Projekt

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

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

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

Bauteile effizient umformen, ohne dass Grat entsteht: Dazu eignet sich das Querkeilwalzen. Für hybride Halbzeuge muss es völlig neu erforscht werden: Mit welchen Einstellungen lassen sich Materialkombinationen – beispielsweise aus Stahl und Aluminium – gemeinsam umformen?

Querkeilwalzen, hybride Halbzeuge

Heute bestehen die meisten technischen Bauteile und Komponenten aus monolithischen Werkstoffen. Dennoch erreichen die bisher verwendeten monolithischen Werkstoffe ihre technologischen und konstruktiven Grenzen, so dass eine Verbesserung der Bauteileigenschaften durch Hybridteile realisiert werden könnte. Schmieden der zuvor gefügten Halbzeuge zu präzisen Hybridteilen ist eine vielversprechende Methode, um funktionell angepasste Bauteile in wenigen Prozessschritten herzustellen. Diese neue Prozesskette bietet eine Reihe von Vorteilen im Vergleich zu anderen Herstellungstechnologien. Beispiele sind die Herstellung von spezifischen belastungsangepassten Schmiedeteilen mit einer hohen Materialausnutzung, die eine Verbesserung der Fügezone durch die nachfolgende Umformung erbringt und einfach zu implementierende Fügeverfahren aufgrund der simplen Geometrien der Halbzeuge. Dieser Artikel beschreibt die Herstellungsverfahren für Hybridstahlteile, die durch eine Kombination eines Auftragschweißprozesses mit anschließender Warmumformung (Stauchen) oder Querkeilwalzen hergestellt werden. Es konnte gezeigt werden, dass die innovative Prozesskette die Herstellung von Hybridbauteilen ermöglicht, wobei die Umformung zu einer Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des laserauftraggeschweißten Materials führt.

Prozesskette, Auftragschweißen, Warmmassivumformen, Querkeilwalzen

Förderer

Das Projekt mit dem Förderkennzeichen SFB 1153 – B1 wird mit Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

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Thoms Blohm
Dipl.-Ing.

Projektingenieur

Jens Kruse
Dipl.-Ing.

Projektingenieur

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