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Auslegung einer Prozessroute für das Thixo-Schmieden metallischer Rohrhalbzeuge unter Berücksichtigung der auftretenden Materialströmungen
(Stuttgart : Institut für Umformtechnik, 2018) Riedmüller, Kim Rouven; Liewald, Mathias (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. MBA)
Am Institut für Umformtechnik (IFU) der Universität Stuttgart werden seit mehr als zwanzig Jahren Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der Formgebung im teilflüssigen Materialzustand durchgeführt. Bei den hierbei untersuchten Formgebungsverfahren, insbesondere der Verfahrensvariante Thixo-Schmieden, werden metallische Rohteile zunächst induktiv in den Temperaturbereich zwischen der Solidus- und der Liquiduslinie erwärmt und anschließend mithilfe einer hydraulischen Hochgeschwindigkeitspresse geformt. Nach der Erwärmung weisen die teigigen, aber dennoch formstabilen Metallhalbzeuge Flüssigphasenanteile zwischen 30 % und 50 % auf und besitzen hervorragende Fließeigenschaften. Diese Fließeigenschaften erlauben die Herstellung komplexer, endkonturnaher Bauteile mit mechanischen Eigenschaften, die annähernd mit denen von Schmiedeteilen vergleichbar sind, mittels eines einzigen Formgebungsschritts. Darüber hinaus ist es aufgrund der für das Thixo-Schmieden charakteristischen Fließeigenschaften teilflüssiger Metallwerkstoffe möglich, sowohl neuartige Metalllegierungen mit immer höheren Festigkeiten und/oder Härtegraden zu verarbeiten, als auch Hybrid- und Verbundbauteile herzustellen. Diese prozesstechnischen Vorteile qualifizieren das Thixo-Schmieden in besonderem Maße dafür, die stetig zunehmenden Produktionsanforderungen, die unter anderem durch die Energie und Rohstoffverknappung, die fortschreitenden Produktindividualisierung sowie den ansteigenden Leichtbautrend bedingt sind, zu erfüllen. Trotzdem besteht bei den produzierenden Unternehmen der metallverarbeitenden Industrie bis heute nur eine geringe Akzeptanz gegenüber diesem Formgebungsverfahren. Ein wesentlicher Grund für diese geringe Akzeptanz liegt in der relativ komplexen Prozessführung sowohl bei der Rohteilerwärmung als auch bei der anschließenden Formgebung der teilflüssigen Metallwerkstoffe, sodass meist ein umfangreiches Expertenwissen zur Einstellung der idealen Anlagenparameter erforderlich ist. Ein weiterer Grund besteht in der hohen Sensibilität des Thixo-Schmiedens gegenüber prozesstechnischen Randbedingungen wie Rohteil- und Werkzeugtemperaturen sowie Stößel- bzw. Fließgeschwindigkeiten. Diese müssen relativ genau bestimmt und eingehalten werden, um eine möglichst hohe Prozesssicherheit zu gewährleisten. Vor diesem Hintergrund bestand die wesentliche Zielsetzung der in dieser Arbeit dargestellten Forschungsaktivitäten darin, die Konkurrenzfähigkeit des Thixo-Schmiedens gegenüber konventionellen Schmiede- und Gießverfahren zu steigern und somit einen Beitrag zu leisten, das Verfahren als Fertigungsalternative für produzierende Unternehmen der Metallindustrie attraktiver zu machen. Hierfür wurden im Rahmen der Auslegung einer Prozessroute für das Thixo-Schmieden metallischer Rohrhalbzeuge Maßnahmen zur Erhöhung der Prozessrobustheit sowie zur Vereinfachung der Prozessführung umgesetzt. Zudem wurden potentielle Anwendungsmöglichkeiten des Verfahrens dargestellt, mit denen den beschriebenen Produktionsanforderungen zukünftig noch besser begegnet werden kann. Im Einzelnen wurden dabei die nachfolgend zusammengefassten Forschungsinhalte bearbeitet. Zunächst wurde im Rahmen experimenteller Untersuchungen zur induktiven Erwärmung metallischer Rohrhalbzeuge in den teilflüssigen Materialzustand gezeigt, dass der Einfluss des bei der induktiven Erwärmung auftretenden Skin-Effekts durch den Einsatz von rohrförmigen anstelle von zylindrischen Rohteilen vernachlässigbar gering wird. Daraus resultierend konnte die Rohteilerwärmung für rohrförmige Halbzeuge im Vergleich zu Vollkörpern robuster gestaltet und die Ermittlung der hierfür erforderlichen Anlagenparameter vereinfacht werden. Ein weiterer Beitrag zur Erhöhung der Prozesssicherheit konnte mit dieser Arbeit durch die Optimierung der simulativen Prozessauslegung im Hinblick auf die Vorhersage kritischer Materialströmungen geleistet werden. Diese Optimierung wurde im Wesentlichen durch die Entwicklung eines neuen Viskositätsmodells erreicht. Mit diesem Modell wurden einphasige Formfüllsimulationen aufgebaut, mit deren Hilfe prozessbedingt auftretende, kritische Materialströmungen beim Thixo-Schmieden und dadurch zu erwartende Bauteilfehler prognostiziert werden konnten. Zudem konnten anhand dieser Simulationen Aussagen darüber getroffen werden, ob diese kritischen Materialströmungen durch eine frühzeitige Erstarrung oder durch einen inhomogenen, instabilen Materialfluss des teilflüssigen Metallwerkstoffes bedingt sein würden. Die Simulationsergebnisse wurden mithilfe von realen Formgebungsversuchen validiert und somit die Eignung des neu entwickelten Viskositätsmodells im Hinblick auf eine verbesserte simulative Auslegung des betrachteten Thixo-Schmiedeprozesses nachgewiesen. Für die Versuche wurde ein modulares Formgebungswerkzeug konstruiert und angefertigt, welches die kostengünstige Herstellung verschiedener rotationssymmetrischer, hohler Bauteilformen mit im Wesentlichen fertigen Funktionsflächen ermöglichte. Mit diesem Werkzeug wurden des Weiteren Formgebungsversuche durchgeführt, mit welchen die Potentiale des Thixo-Schmiedens hinsichtlich der Herstellung von hohlen Leichtbauteilen aus Werkstoffen mit erhöhten Festigkeits- bzw. Härtewerten sowie der ressourceneffizienten Wiederverwertung von Metallspänen aufgezeigt werden konnte. Mit diesen abschließenden Formgebungsversuchen wurde schlussendlich nachgewiesen, dass mit dem betrachteten Thixo-Schmiedeprozess insbesondere für Nischenanwendungen eine material- und ressourceneffiziente Fertigungsalternative zu den etablierten Schmiede- und Gießverfahren besteht.
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Beitrag zur Bestimmung der statischen Torsionsfestigkeit von umformgefügten Welle-Nabe-Verbindungen
(Stuttgart : Institut für Umformtechnik, 2023) Meißner, Robert; Liewald, Mathias (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. MBA)
Im sich stetig weiterentwickelnden Mobilitätssektor sind innovative und effiziente Fertigungskonzepte für Bauteile und Komponenten zur Übertragung von Torsionskräften in modernen Fahrzeugen unverzichtbar. Neuartige Konzepte müssen nicht nur die Herstellungskosten verringern, sondern auch die Kohlenstoffemissionen sowohl während der Produktion als auch im Betrieb reduzieren. Für die Übertragung von Torsionskräften werden in Antriebssträngen jeglicher Art Welle-Nabe-Verbindungen eingesetzt. Ein vielversprechendes Fertigungskonzept stellt dafür das Fügen durch Umformen dar. Insbesondere das Verbinden von Wellen und Naben mittels Querfließpressen, in Verbindung mit neuartigen und komplexen Nabenprofilen, ist ein seit langem erforschter Ansatz, um die Produktivität zu steigern. Hierbei lassen sich die Vorteile eines Reibschlusses (Ansprechverhalten unter dynamischer Last) mit denen eines Formschlusses (Übertragung hoher Torsionsmomente) vereinen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Vorbereitung der Fügepartner durch konventionelle Fertigungstechniken wie Zerspanen oder Kaltumformung erfolgen kann. Anhand von experimentellen Untersuchungen in vorangegangen Arbeiten konnte gezeigt werden, dass die aufnehmbaren Torsionsbelastungen teilweise weit über die Materialgrenzen der Welle hinausgehen können. Bei diesen Untersuchungen zeigte sich, dass nicht die komplexen Nabenprofile der WNV den Schwachpunkt darstellten, sondern ein Torsionsbruch der Welle auftrat. Der Einsatz numerischer Bauteil- und Fertigungsmodelle zur Steigerung der Komponentenleistungsfähigkeit und zur Erschließung weiterer Leichtbaupotenziale sowie die Integration digitaler Entwicklungsaktivitäten geraten bei der Entwicklung neuer Fertigungskonzepte für die Umsetzung einer ganzheitlichen Betrachtung vermehrt in den Fokus. Das Potenzial dieser neuartigen umformgefügten Q-WNV sowie ein erster experimenteller Leistungsnachweis kann den Forschungsarbeiten von Dörr und Funk entnommen werden. Hierbei wurden jedoch bisher noch keine numerischen bzw. analytischen Modelle zur Abbildung der statischen bzw. dynamischen Leistungsfähigkeit entwickelt, noch sind Methoden zur Bestimmung von erreichbaren Torsionsmomenten bekannt, die eine rechnerische Prognose der sicher übertragbaren statischen Torsionsfestigkeit ermöglichen. Die für den statischen Anwendungsfall relevante Kaltverfestigung der Welle wurde bisher nicht untersucht und wird in den heute bekannten Berechnungsvorschriften nicht berücksichtigt. Daher bestand das wissenschaftliche Ziel dieser Arbeit zum einen in der Untersuchung des Einflusses der Kaltverfestigung auf die statische Torsionsfestigkeit von mittels Querfließpressen gefügten WNV. Zum anderen galt es, die Frage zu beantworten, wie sich die durch die Umformung hervorgerufene Kaltverfestigung in die numerische strukturmechanische Belastungsrechnung in Bezug auf Grenzdrehmomente integrieren lässt. Derzeit werden für den Umform- bzw. Fügevorgang und die nachfolgende strukturmechanische Bestimmung der Torsionsfestigkeit in der Entwicklung von Komponenten unterschiedliche physikalische Ansätze angewendet, welche in speziellen FE-Programmen entweder zur Umformsimulation oder zur strukturmechanischen Simulation implementiert sind. Der Einsatz unterschiedlicher Finite-Elemente-Codes erschwert die vollständige Kopplung von Umformprozess und Belastungsanalyse. Daher wird in dieser Arbeit ein ganzheitlicher Ansatz verfolgt, bei dem die Geometrie- und Werkstoffdaten über eine relativ einfache Schnittstelle übertragen werden. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit bestand in der Erzeugung von fugendruckhomogenisierten reibschlüssigen Naben zur Erhöhung des Fugendrucks gegenüber konventionellen thermisch gefügten Querpressverbänden bei gleichzeitiger Reduzierung der Spannungsspitzen an den Nabenkanten. Hier galt es, eine Nabenkontur in Wechselwirkung mit dem Werkstofffluss der Welle zu erzeugen, welche eine ballige Außenkontur durch das Querfließpressen beim Fügen aufweist. Um das Ziel dieser Arbeit zu erreichen und die sich daraus abgeleiteten Fragen beantworten zu können, wurde die Baugruppe der WNV in ihren Einzelkomponenten betrachtet. Die systematische Aufteilung ermöglichte die Entwicklung einer Methode zur Integration der Kaltverfestigung in die numerische Torsionsberechnung für WNV. Die Problemstellung dieser Arbeit wurde auf Basis der Erkenntnisse aus dem Stand der Technik hergeleitet (Kapitel 3), konkretisiert und der Forschungsbedarf zunächst an numerischen und experimentellen Untersuchungen zum Vollvorwärtsfließpressen verdeutlicht. Anschließend erfolgte die Betrachtung dieser offenen Fragen zum Umformfügen von WNV mittels Querfließpressen unter der Verwendung von fugendruckbasierten Nabenkonturen. Zur Durchführung dieser Untersuchungen wurden die Werkstoffkennwerte des Naben- und Wellenwerkstoffs ermittelt und die Prüfstände sowie die eingesetzte Messtechnik festgelegt (Kapitel 4). Im Kapitel 5 wurde die Integration der Kaltverfestigung in die numerische Berechnung der statischen Torsionsfestigkeit untersucht, indem der Einfluss der Kaltverfestigung aus dem Fügeprozess herausgelöst und kaltgeformte Wellen durch VVFP hergestellt wurden. Um den Einfluss der Kaltverfestigung auf die erreichbare statische Torsionsfestigkeit von abgesetzten Wellen zu ermitteln, wurden eine Prüfgeometrie und ein Prüfaufbau entwickelt, um fließgepresste und zerspante Wellen statisch zu tordieren. Hierbei wurde eine Steigerung der Torsionsfestigkeit infolge der Kaltverfestigung der im Rahmen dieser Arbeit fließgepressten Wellen von 50 % bis 90 % gegenüber zerspanten Wellen experimentell ermittelt. Um den Einfluss der Kaltverfestigung in der numerischen strukturmechanischen Berechnung der maximal erreichbaren Torsionsfestigkeit zu berücksichtigen, wurde eine Vorgehensweise zur Übertragung numerisch berechneter Eigenspannungen und Dehnungen aus dem Umformprozess entwickelt. Dies ermöglicht den Datentransfer (Geometrie und lokale Bauteileigenschaften) von Deform3DTM (FE-Umformsimulation) zu ANSYS Workbench (FE-Strukturmechaniksimulation). Für diesen Bauteil- und Werkstoffdatentransfer wurde eine hohe Abbildungsgenauigkeit der umformtechnisch erzeugten Spannungen und Dehnungen in ANSYS Workbench erzielt und die Vorhersage der statischen Torsionsfestigkeit von fließgepressten Wellen unter Einfluss der Kaltverfestigung signifikant verbessert. Insbesondere gegenüber gedrehten Wellen wurde mit diesem Datentransfer eine signifikante Verringerung der Abweichung bei der numerischen Bestimmung der statischen Torsionsfestigkeit von 58 % (Drehteil) auf 2 % (Fließpressteil) für den Werkstoff 16MnCr5 und einen Zapfendurchmesser von 26 mm erzielt. Die Untersuchung zur Ermittlung der statischen Torsionsfestigkeit von fugendruckbasiert ausgelegten reibschlüssigen Nabenkonturen für WNV unterteilt sich in zwei weitere Abschnitte. Kapitel 6 fokussierte sich auf die numerische Gestaltung rotationssymmetrischer, hinterschnittiger Nabenkonturen durch die numerische und experimentelle Umsetzung eines iterativen werkstoff- und geometrieintegrierten Gestaltungsansatzes. Hierbei wurde das Ziel verfolgt, nach dem Fügen eine homogene Fugendruckverteilung in der Fuge zwischen Welle und Nabe zu erhalten und den maximal einstellbaren Fugendruck in Abhängigkeit des Wellenwerkstoffs zu ermitteln. Die eingesetzte Welle lag als zylindrischer Körper vor und es wurde ausschließlich die Nabeninnenseite konturiert, wodurch sich zusätzlich ein Hinterschnitt in axialer Richtung einstellte. Die numerischen und experimentellen Untersuchungen zur Gestaltung eines homogenen und maximalen Fugendrucks zeigten, dass eine gezielte fertigungstechnische Herstellung derartiger Verbindungen erfolgen kann. Für den Wellenwerkstoff 16MnCr5 wurde ein maximaler Fugendruck von 350 MPa und für den Wellenwerkstoff 42CrMo4 ein maximaler Fugendruck von 450 MPa ermittelt. Für beide Werkstoffe lag der maximale Fugendruck damit ca. 100 MPa unter der jeweiligen Zugfestigkeit. Der Einsatz einer fugendruckbasierten reibschlüssigen Nabenkontur führte unter Verwendung des gleichen Wellenwerkstoffs zu einer Steigerung der statischen Torsionsfestigkeit um 54 % im Vergleich zu einem thermisch gefügten Pressverband. Unter Verwendung des höherfesten Wellenwerkstoffs 42CrMo4 und eines hohen Fugendrucks von 450 MPa wurde sogar eine Steigerung um 76 % ermittelt. Ebenso wurde für fugendruckbasierte reibschlüssige WNV eine Formfüllung von bis zu 98 % gezeigt, welche sich durch eine präzisere zerspanende Fertigung an den Nabenkanten sogar zu einer vollständigen Formfüllung ausbauen lässt. Aufgrund des axialen Hinterschnitts der Nabenkontur wurden die axialen Abziehkräfte um 14 % bzw. um 22 % je nach Wellenwerkstoff und Fugendruck gegenüber zylindrischen Nabenkonturen gesteigert. In Kapitel 7 erfolgte die Ermittlung eines validierten FE-Umformmodells zur Erhöhung der numerischen Abbildungsgenauigkeit der zuvor experimentell gefügten Proben. Hierfür wurde eine Parameterstudie zur Ermittlung der tribologischen Wechselwirkungen und Reibungszahlen der Fügeverbindung, des Werkstück-Werkzeug-Kontakts und des Werkzeug-Werkzeug-Kontakts in Verbindung mit den geometrischen Fertigungstoleranzen der eingesetzten Halbzeuge durchgeführt. Die Studie zeigte anhand einer mit dem validierten FE-Umformmodell entwickelten Nabenkontur, dass die numerisch ermittelte Geometrie der gefügten Komponente um weniger als 0,1 µm an der Nabenaußenseite vom experimentell ermittelten Ergebnis abweicht und somit der numerisch anvisierte Fugendruck auch in der Realität erreicht wurde. Damit wurde erfolgreich gezeigt, dass mit dem entwickelten FE-Modell fugendruckbasierte reibschlüssige WNV entwickelt und gefertigt werden können. In Kapitel 8 wurden die bisherigen FE-Simulationsmodelle und -methoden zur experimentellen und numerischen Bestimmung der statischen Torsionsfestigkeit für fugendruckbasierte reib- und formschlüssige Nabenprofile verwendet und der Einfluss des zusätzlichen Formschlusses herausgearbeitet. Die Untersuchung zur statischen Torsionsfestigkeit von fugendruckbasierten reib- und formschlüssigen Nabenprofilen zeigte, dass diese Nabenprofile gegenüber bisher bekannten reib- und formschlüssigen Nabenprofilen vergleichbare statische Übertragungsfähigkeiten unter der Berücksichtigung eines deutlich geringeren Formschlusses sowie einer homogeneren Fugendruckverteilung aufwiesen. Die Ergebnisse zeigen, dass die numerische Modellierung der statischen Torsionsfestigkeit von fließgepressten Wellen durch die Integration der Kaltverfestigung mit dem entwickelten Datentransfer deutlich verbessert wurde. Die fugendruckbasierten Nabenkonturen ermöglichen höhere Fugendrücke im Vergleich zu konventionellen thermisch gefügten Querpressverbänden und erzielen dadurch deutlich höhere statische Torsionsmomente. Zudem erfordern WNV-Fügeprozesse keine Temperierung der Fügepartner, und die Halbzeuge können durch (Fein-)Drehen hergestellt werden. Fugendruckbasierte Nabenkonturen bieten gegenüber zylindrischen Nabenkonturen den Vorteil geringerer maximaler radialer und tangentialer Spannungen im Nabenkörper bei nahezu identischer statischer Torsionsfestigkeit. Außerdem wurde eine erhöhte axiale Abziehkraft durch axialen Formschluss nachgewiesen. Der Einfluss der Kaltverfestigung für die in dieser Arbeit untersuchten Wellengeometrien war von untergeordneter Bedeutung. Es wurden FE-Umformmodelle für die fugendruckbasierte Auslegung von reibschlüssigen Nabenkonturen sowie reib- und formschlüssigen Nabenprofilen entwickelt und validiert, die als Grundlage für weitere Untersuchungen zum umformtechnischen Fügen mittels Querfließpressen dienen. Diese Arbeit fokussiert sich maßgeblich auf den Herstellungsprozess fugendruckbasierter reibschlüssiger Nabenkonturen bzw. reib- und formschlüssiger Nabenprofile und insbesondere auf den Einfluss der Kaltverfestigung auf die statische Torsionsfestigkeit der hier untersuchten WNV für die Werkstoffe 16MnCr5 und 42CrMo4 mit einem Wellendurchmesser von 22 mm sowie einem Nabeninnendurchmesser von 25 mm und einem Nabenaußendurchmesser von 50 mm. Die Ermittlung der dynamischen Torsionsfestigkeit der entstandenen Versuchsproben betrachtet und analysiert Hr. Daniel Ulrich (Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, IKTD, Universität Stuttgart). Diese Arbeit entstand in enger Zusammenarbeit mit dem IKTD im Rahmen eines gemeinsamen Forschungsprojektes, das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert wurde.
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Entwicklung einer Regelungsmethodik für den Tiefziehprozess während des Umformhubs
(Stuttgart : Institut für Umformtechnik, 2021) Barthau, Martin; Liewald, Mathias (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. MBA)
Die Fertigung von Karosseriebauteilen steht aus Gründen des Leichtbaus heute vor großen Herausforderungen. Das Gewicht der stets umfangreicheren Komfortausstattung der Fahrzeuge sowie die Akkus zukünftiger, elektrisch angetriebener Fahrzeuge müssen durch den Karosserieleichtbau ausgeglichen werden. Gewichtseinsparungen in modernen Karosseriekonzepten sollen durch den Einsatz von Aluminiumlegierungen sowie hochfesten Blechgüten deren Formänderungsvermögen jedoch eingeschränkt ist, erreicht werden. Auf Grund rascher Modellwechsel im Automobilbau nimmt der Verwendungszeitraum der Umformwerkzeuge kontinuierlich ab. Des Weiteren wird das Design der Bauteile durch markante Karosseriekanten und Designlinien umformtechnisch stets anspruchsvoller. Diese Herausforderungen werden durch den ständig steigenden Kostendruck in der Automobilindustrie aufgrund zunehmender Globalisierung noch weiter verschärft. Um diesem Kostendruck zu begegnen, werden heute in der Automobilindustrie eingesetzte Produktionstechnologien deutlich verbessert und in ihrer Effizienz gesteigert. Dazu gehört auch die Entwicklung neuer Methoden für das Tiefziehen der Karosseriebauteile, um den Ausschuss im Presswerk zu reduzieren und Anlaufprozesse zu beschleunigen. In dieser Arbeit wurde eine neuartige Methode zur Regelung des Tiefziehprozesses während des Hubs entwickelt und bezüglich ihrer Einsatzfähigkeit untersucht. Sie ermöglicht es den Platinenkanteneinzug beim Tiefziehen während des Hubs zu verändern und auf die aktuelle Prozesssituation anzupassen. Damit kann auf Prozessstörungen wie beispielsweise eine fehlerhafte Schmierung der Platine oder Abweichungen der Werkstoffparameter etc. reagiert und diese ausgeglichen werden. Hierdurch kann eine signifikante Reduzierung der Ausschussraten beim Tiefziehen erreicht werden. Dies wird gerade im Hinblick auf die vermehrte Verwendung von hochfesten Stahl- und Aluminiumlegierungen bedeutsamer, da diese Blechwerkstoffe gegenüber konventionellen Tiefziehgüten teuerer sind. Der hier verwendete Regelungsansatz beruht auf dem Konzept einer vorgesteuerten Trajektorienfolgeregelung auf Basis eines Meta-Modells. Dieses Meta-Modell wird aus Simulationen mit stochastisch verteilten Parametern gewonnen. Die Zustandsgröße des in dieser Arbeit entworfenen Regelungsansatzes bildet die sog. Zargenspannung. Sie wird dazu verwendet, den Zustand des aktuellen Umformvorgangs während des Hubs abzuschätzen, um anschließend den Platinenkanteneinzug anzupassen. Dieser Regelungsansatz ermöglicht es, zusätzlich zur Steigerung der Prozessrobustheit, eine eigenschaftsgesteuerte Regelung des Tiefziehprozesses zu realisieren. Die Solltrajektorien können beispielsweise in Abhängigkeit von der gewünschten plastischen Dehnungsverteilung im Bauteil in Grenzen variiert werden. Die entworfene Regelung wird mithilfe einer SPS-Steuerung mittels eines Versuchswerkzeugs erprobt. Diese Umsetzung erlaubt einen späteren Einsatz des Konzepts in der Presswerksumgebung. In Anbetracht der stark gestiegenen Anforderungen an den Karosseriebau kann das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Verfahren einen Beitrag zur Reduktion des Ausschusses im Presswerk, sowohl im Normalbetrieb, beim Anfahren, bei Chargenwechsel, als auch beim Wiederanfahren nach Prozessstörungen und Pausen, leisten. Durch diese Eigenschaften trägt der entworfene Regelungsansatz zur Lösung der genannten Herausforderungen bei.
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A new criterion to determine wrinkling in deep drawing and stretch forming processes
(Stuttgart : Institut für Umformtechnik, 2021) Han, Fei; Liewald, Mathias (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. MBA)
At present, in order to improve the global warming effect and the deterioration of the environment, series of solutions have been proposed for the automotive industry that uses fossil fuels as the driving energy source. The lightweight of cars is one of the most important solutions. The light weight of a car implies that the car's body weight should be reduced as much as possible while ensuring the strength and safety performance of the car, thereby improving the power of the car, reducing fuel consumption, and reducing exhaust pollution. However, thinner and lighter sheet formed parts, although successfully reducing the weight of the body, they have presented unprecedented challenges and requirements for the metal forming technology.The major problems faced by the forming technology applied in automotive industry are, for example, how to use lightweight materials to maintain the structural properties, or to get even better properties than traditional formed parts, and how to avoid and reduce the defects often appearing in forming processes. For this reason, the accuracy of finite element analysis (FEA) in metal forming technology is more important than ever, since the used new lightweight materials and the thin sheet materials usually have reduced bending resistance which can easily lead to surface defects like wrinkles during manufacturing process like deep drawing and stretch forming. If such surface defects can be predicted in production design stage and SE-stage (Simultaneous Engineering), the manufacture period and cost of a new car model will be reduced by changing the part and structure design in advance. This work focuses on the wrinkling criteria used in FEA to predict surface defects in forming process. For that reason, two kinds of conventional wrinkling criteria were first reviewed in Chapter 4. The first conventional wrinkling criteria mentioned in this work was based on force-displacement curve determined from experiments, for example “turning point” approach and “gradient of wrinkling height development” approach was reviewed in Chapter 4.1. However, these approaches cannot be used in FEA to predict surface defects caused by wrinkling. Furthermore, the second conventional wrinkling criteria discussed in this work was based on the wrinkling limit curve (WLD) in forming limit diagram (FLD). The feasibility of this kind of strain-based wrinkling criterion is also discussed in Chapter 4.1. Experiments at the Institute for Metal Forming Technology (IFU) have shown that this strain-based wrinkling criterion does not accurately reflect the wrinkles in the complex deep drawing situations. Only simple geometry like conical-cup test (CCT) and car-fender-based geometry (KVG) can be validated with strain-based wrinkling criterion under limited conditions. As shown in this work, firstly, conventional wrinkling criteria do not accurately predict wrinkles during the forming process. Secondly, traditional wrinkling criteria cannot predict changes in surface quality during the forming process. Therefore, a new criterion that can predict wrinkles and changes in surface quality during manufacturing process was developed in this work. For that reason, this new criterion aims to establish a new approach for predicting the surface quality of sheet metal parts, taking into consideration tool contact. This newly developed criterion is called “Double-Surface Compressive-Stress-Approach” (DSCS-approach). By using this approach, not only wrinkles, but also wrinkling initiation and slight surface defects, like surface lows and buckling effects, can be predicted using FEA. Two essential time points, namely “wrinkling initiation” (WI) and “developed wrinkle” (DW), can be defined using DSCS-approach by evaluating the surface stress difference between outer side and inner side of component in FEA. By using these two time points, the development of surface defects caused by wrinkling phenomenon can be observed according to reference experiments at IFU. The introduced and performed reference experiments are, buckling tests with modified Yoshida specimens and mini-conical-cup tests. In the time point “wrinkling initiation”, the investigated part region, which reveals wrinkling tendency, shows the maximum buckling height and tends to change surface defect type from “buckling” to “wrinkling”. When the local bending resistance is high, the surface profile remains in a buckling state. The phenomenon was observed during buckling tests with G-Series modified Yoshida specimen (M-YBT-G, “G” means specimen with large shoulder radius) and by performing mini conical cup tests with thick materials. On the other hand, when the local bending resistance is low, a typical wrinkled surface profile occurs. This phenomenon was observed during buckling tests with K-Series modified Yoshida specimen (M-YBT-K, “K” indicates specimens with small shoulder radius), and by performing mini conical cup tests with thin sheet metal materials. The concept of DSCS-approach was continuously developed as regression model considering the effecting parameters “sheet metal thickness” and “local curvature” in this work. Finally, regression model was prepared as User-Defined-Variable-Files (UDV-Files) which can be implemented in FEM software like AutoForm R6 and R7. The DSCS-approach was validated. The validation results show that the DSCS-approach can accurately predict the location of surface defects. In addition, by using the DSCS-approach, the first wrinkles can be predicted at the correct drawing depth. In addition, by setting the critical strain value in the UDV-file, it is possible to detect the wrinkles in the elastic deformation stage (small effective strain value). Since the DSCS-approach is a stress-based criterion, there is no need to consider the effects of non-linear strain paths in UDV-files. In future, if enough sheet metal materials are validated, an individual model should be developed to calculate the critical value of stress between outer side and inner side at defined “wrinkling initiation” and “developed wrinkles”. By using this stress-based wrinkling criterion, the wrinkling position actually cannot be stored in AutoForm software. In this work, the wrinkling positions were manually marked at corresponding drawing depth.
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Prozessentwicklung zur Herstellung stoffschlüssiger Hybridbauteile auf Basis der Formgebung im teilflüssigen Zustand
(Stuttgart : Institut für Umformtechnik, 2021) Seyboldt, Christoph; Liewald, Mathias (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. MBA)
Seit nunmehr zwanzig Jahren werden am Institut für Umformtechnik (IFU) der Universität Stuttgart Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der Formgebung im teilflüssigen Zustand durchgeführt. Bei diesen Formgebungsverfahren liegen die zu verarbeitenden metallischen Werkstoffe in einem Temperaturbereich zwischen Solidus- und Liquidustemperatur der jeweiligen Legierung vor. In diesem Zustand besitzen diese Werkstoffe hervorragende Fließeigenschaften, wodurch komplexe Bauteilkonturen in einem Formgebungsschritt mit near-net-shape Qualität geformt werden können. Erste Forschungsarbeiten in den 2000er-Jahren am IFU befassten sich mit der grundlegenden Verfahrensentwicklung in Bezug auf die induktive Erwärmung der Halbzeuge und der darauffolgenden Formgebung durch experimentelle Untersuchungen [1]-[3]. Anschließend folgten Forschungsarbeiten zur numerischen Abbildung des Formgebungsvorgangs und die Erweiterung des Verfahrens auf die Formgebung hochschmelzender Werkstoffsysteme sowie die Herstellung von Hybrid- bzw. Verbundbauteilen [4]-[6]. Diese vielfältigen Anwendungspotentiale der Formgebung im teilflüssigen Zustand ermöglichen es, den stetig steigenden Anforderungen an die Produktionstechnik zu begegnen. Denn aufgrund steigender Energie- und Rohstoffpreise und immer schärferen Umweltschutzauflagen in Europa kommt dem Leichtbau im allgemeinen Maschinenbau und insbesondere im Mobilitätssektor eine immer größere Bedeutung zu. Die Anforderung an die metallverarbeitende Industrie lautet heute, Fertigungsverfahren und die herzustellenden Bauteile möglichst energie- und ressourceneffizient auszulegen. Ein Lösungsansatz besteht darin, Komponenten, welche im Betrieb komplexen Funktions- und Belastungsprofilen mit lokal unterschiedlichen Beanspruchungen in einzelnen Bauteilbereichen ausgesetzt sind, durch eine Kombination unterschiedlicher Werkstoffe, d. h. hybrid, auszuführen. Solche Hybridbauteile können z. B. durch die Kombination von verschleißresistenten Werkstoffen im Randbereich mit zähen Werkstoffen im Kernbereich erzeugt werden. Die so erzeugten Hybridbauteile besitzen das Potential, unterschiedlichste Belastungsanforderungen an das Bauteil erfüllen zu können. Eine besondere Herausforderung ergibt sich für solche Hybridbauteile in der Gestaltung des Übergangsbereichs zwischen den innerhalb des Bauteilvolumens verwendeten Werkstoffen. So ergibt sich für die Erzeugung eines stoffschlüssigen Übergangsbereichs zwischen diesen Teilvolumina die spezifisch höchste Herausforderung an geeignete Fertigungsverfahren. Diese Problemstellungen eines möglichst homogenen stoffschlüssigen Übergangsbereichs zwischen den beiden Verbundpartnern für solche Hybridbauteile konnte mit den bisher bekannten Fertigungsverfahren noch nicht zufriedenstellend gelöst werden. Ein Ansatz zur Lösung dieser Problemstellung liegt in der Erweiterung der konventionellen Verfahrensgrenzen des Thixoschmiedens hin zum Hybrid-Thixoschmieden. Dabei werden hybride Halbzeuge gemeinsam induktiv bis in den teilflüssigen Zustand erwärmt und nach der Erwärmung zu einem hybriden Bauteil geformt. Zur Herstellung solcher Metall-Metall-Verbundbauteile mittels Hybrid-Thixoschmieden fehlen zum heutigen Zeitpunkt wesentliche Verfahrensgrundlagen. Diese werden jedoch in Zukunft wichtig, um die Funktionalität solcher Komponenten in Kombination mit Leichtbau und Materialeffizienz im Maschinen- und Anlagenbau oder im Mobilitätssektor merklich zu erhöhen. Vor diesem Hintergrund besteht die wesentliche Zielsetzung der im Rahmen dieser Arbeit vorgestellten Forschungsaktivitäten in der Prozessentwicklung des Hybrid-Thixoschmiedens zur Herstellung metallischer Hybridbauteile mit einer stoffschlüssigen Übergangszone zwischen beiden Verbundpartnern. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Entwicklung geeigneter Erwärmungskonzepte für solche hybriden Halbzeuge anhand experimentellen Untersuchungen und der Entwicklung geeigneter numerischer Methoden zur Prozesssimulation des Hybrid-Thixoschmiedens. Zunächst wurden die eingesetzten Versuchswerkstoffe dazu umfassend im Hinblick auf die physikalischen Stoffeigenschaften im teilflüssigen Zustand charakterisiert. Insbesondere die thermischen und elektrischen Kennwerte erfahren eine starke Änderung in diesem Temperaturbereich und beeinflussen somit maßgeblich den Erwärmungs- und den Formgebungsprozess. Diese Materialparameter dienten als Eingangswerte für die neu entwickelte numerische Simulationsmethodik zur Abbildung der Formgebung im teilflüssigen Zustand. Diese Simulationsmethodik, bestehend aus einer zweistufigen Simulation aus induktiver Erwärmung und anschließender Formgebung, wurde zunächst für monolithische Werkstoffe entwickelt. Hier konnte aufgezeigt werden, dass durch diese neuartige Simulationsmethodik mit Berücksichtigung der induktiven Erwärmung eine verbesserte numerische Prozessauslegung mit erhöhter Abbildegenauigkeit im Vergleich zu den bisher eingesetzten numerischen Methoden besitzt. Diese erhöhte Abbildegenauigkeit konnte mittels experimenteller Erwärmungs- und Formgebungsversuche nachgewiesen werden. Anschließend erfolgte eine Übertragung dieser neu entwickelten Simulationsmethodik auf das Hybrid-Thixoschmieden und somit die Möglichkeit der zuverlässigen Abbildung von induktiver Erwärmung und die anschließender Formgebung von hybriden Halbzeugen. Im Anschluss an die numerische Prozessentwicklung erfolgte die experimentelle Herstellung von Hybridbauteilen mittels Hybrid-Thixoschmieden. Anhand dieser experimentellen Untersuchungen konnten die numerischen Modelle validiert und vollständig ausgeformte Hybridbauteile erzeugt werden. Die anschließende Analyse des Übergangsbereichs dieser Hybridbauteile konnte einen vollständigen stoffschlüssigen Übergangsbereich zwischen den Verbundpartnern nachweisen. Weiterhin wurde das Verfahren auf komplexere Bauteilstrukturen und weitere Werkstoffkombinationen übertragen. Durch diesen Übertrag konnte aufgezeiggt werden, dass mit dem Hybrid-Thixoschmieden ein Fertigungsverfahren zur Herstellung stoffschlüssiger Hybridbauteile besteht, um den Anforderungen an energie- und ressourceneffiziente Fertigungsverfahren und Bauteile gerecht zu werden.
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Untersuchungen zum Werkstofffluss der Aluminiumlegierung EN AW 1050A beim kombinierten Fließpressen
(Stuttgart : Institut für Umformtechnik, 2017) Obermaier, Christian; Liewald, Mathias (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. MBA)
Bei der Fertigung von Werkstücken durch kombinierte Fließpressprozesse mit freiem Werkstofffluss kann durch eine gezielte Werkstoffflusssteuerung Material eingespart werden, indem der Werkstoffüberschuss an den Werkstückenden und damit die spanende Nacharbeit minimiert wird. Insbesondere der Einsatz von Umformwerkzeugen mit mehreren bewegten Werkzeugelementen stellt eine Möglichkeit dar, den Werkstofffluss beim kombinierten Fließpressen innerhalb gewisser Grenzen gezielt zu steuern. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Prozesskenntnis hinsichtlich des Werkstoffflusses beim Voll-Vorwärts-Napf-Vorwärts-Voll-Rückwärts-Napf-Rückwärts-Fließpressen mit mehreren bewegten Werkzeugelementen der Aluminiumlegierung EN AW 1050A anhand umfangreicher simulativer und experimenteller Untersuchungen erarbeitet. Die Parameter der in den simulativen Untersuchungen verwendeten Simulationsmodelle wurden zunächst anhand der Daten von vereinfachten Experimenten zum kombinierten Fließpressen mit einem bewegten Werkzeugelement mittels inverser Methoden identifiziert. Die identifizierten Modellparameter wurden im Anschluss daran anhand von experimentellen Untersuchungen mit bewegter Matrize erfolgreich verifiziert. Um den Einfluss von mehreren bewegten Werkzeugelementen auf den Werkstofffluss experimentell ermitteln zu können, war die Entwicklung der dafür benötigten Anlagen- und Werkzeugtechnik erforderlich. Aus Gründen der Modularität wurden im Rahmen dieser Arbeit hydraulische Achsen in Werkzeuggestelle integriert und zusammen mit einem Hydraulikaggregat und entsprechender Regelungstechnik aufgebaut und in Betrieb genommen. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass durch die Wahl des tribologischen Systems, der Stößelgeschwindigkeit, des Verhältnisses aus Matrizen- und Stößelgeschwindigkeit und des Verhältnisses aus Gegenstempel- und Stößelgeschwindigkeit sowie der Fließbundlängen der zum Einsatz kommenden Werkzeugelemente gezielt Einfluss auf den Werkstofffluss genommen werden kann. Die Effekte dieser Prozessparameter auf den Werkstofffluss stehen größtenteils in Wechselwirkung untereinander sowie mit der Rohteilhöhe und den geometrischen Werkstückverhältnissen. Die Prozessauslegung der Verfahrenskombination Voll-Vorwärts-Napf-Vorwärts- Voll-Rückwärts-Napf-Rückwärts-Fließpressen kann mit dem Ziel eines möglichst hohen Materialausnutzungsgrades bei Verwendung von Umformwerkzeugen mit mehreren bewegten Werkzeugelementen anhand der Ergebnisse dieser Arbeit erfolgen. Dabei können einzelne Iterationsschritte im Vergleich mit der Trial-and-Error-Methode vermieden werden. Dies verringert den Aufwand für eine Werkstückentwicklung aus zeitlicher und monetärer Sicht.