Beitrag zur Erweiterung der Verfahrensgrenzen des Quer-Fließpressens

Abstract

Zur Gewichtsreduktion von Bauteilen können prinzipiell die folgenden zwei Wege beschritten bzw. kombiniert werden. Zum einen kann die Masse durch Verwendung eines Werkstoffs mit geringerem spezifischem Gewicht und zum anderen durch topologische Optimierung reduziert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei technologische Methoden untersucht, die zur Herstellung von hochfesten eichtbaukomponenten mittels Quer-Fließpressen eingesetzt werden können. Es wurde das Quer-Fließpressen mit Überlagerung einer Druckspannung einerseits und das Hohl-Quer-Fließpressen von rohrförmigen Halbzeugen andererseits betrachtet. Die wissenschaftliche Herausforderung bildete hierbei die Gestaltung und Führung der beiden Quer-Fließpressprozesse zur Verarbeitung spröder Werkstoffe bzw. zur Herstellung von geometrisch komplexen hohlen Bauteilen. Hochfeste, metallische Werkstoffe mit geringem spezifischem Gewicht weisen häufig eine stark limitierte Duktilität auf und stellen somit besondere Ansprüche an einen Umformprozess. So zeigte von Kármán [Kar11] bereits 1911 auf, dass die Duktilität eines spröden Werkstoffs durch die Überlagerung eines hydrostatischen Drucks gesteigert werden kann. Für die Untersuchung des Quer-Fließpressens mit Druckspannungsüberlagerung wurde ein Werkzeug entwickelt, das eine Gegenkraft im Bereich der sonst freien Werkstückflächen aufbringt. Der Betrag der Gegenkraft konnte in einem weiten Bereich variiert werden. Mit Hilfe dieses neu entwickelten Werkzeugs erfolgte eine gezielte Variation des Spannungszustands während des Umformens und ermöglichte damit, dessen Einfluss auf das Prozessergebnis beim Quer-Fließpressen zu analysieren. Als Werkstückgeometrie für die Untersuchungen im Rahmen dieser Arbeit wurde beispielhaft ein Gelenkkreuz mit vier lateralen Zapfen herangezogen. Für die experimentellen Untersuchungen wurden die Aluminiumlegierung EN AW-7075 im Zustand T6, die Magnesiumlegierung AZ31 und verschiedene Sinterstähle ausgewählt. Bei der Magnesiumlegierung wurde neben dem Spannungszustand auch die Umformtemperatur im Rahmen der Untersuchungen dieser Arbeit variiert. Die Beurteilung der Wirksamkeit des jeweiligen Spannungszustands auf das Ergebnis der Umformung erfolgte anhand von Schliffbildanalysen. Zudem wurde der Einfluss der jeweiligen Gegenkraft auf den Spannungszustand im Bauteil mittels Berechnungen der Finite-Elemente-Methode untersucht. Der zweite Untersuchungsgegenstand dieser Arbeit war die Betrachtung des Verfahrens HohlQuer-Fließpressen von rohrförmigen Werkstücken. Bei diesem Umformprozess handelte es sich um die Verfahrensentwicklung einer speziellen Form des Quer-Fließpressens, die nach derzeitigem Kenntnisstand bisher noch nicht realisiert wurde. Ausgehend von einem rohrförmigen Halbzeug wird ein Werkstück mit hohler Hauptform und ebenfalls hohlen Nebenformelementen, auch Zapfen genannt, hergestellt. Zunächst wurden für verschiedene Werkstückgeometrien des Hohl-Quer-Fließpressens von rohrförmigen Werkstücken entsprechende Werkzeugkonzepte entwickelt. Hierzu erfolgte die Konstruktion von Umformwerkzeuge für Werkstücke mit einem, zwei bzw. vier hohlen Zapfen und darauf folgend der Aufbau eines dazugehörigen Werkzeugsystems. Dieses Werkzeugsystem orientierte sich an der konventionellen Werkzeugtechnik des beidseitigen Quer-Fließpressens auf einfach-wirkenden Umformmaschinen. Zusätzlich eingesetzte Werkzeugachsen erlaubten jedoch die Positionierung von Innendornen im Bereich der lateralen Nebenformelemente. Die dabei gewonnenen experimentellen Versuchsergebnisse zeigten die grundsätzliche Machbarkeit des Verfahrens HohlQuer-Fließpressen von rohrförmigen Werkstücken auf. Somit konnten geometrisch komplexe, hohle Werkstücke mit einem Verfahren der Kaltmassivumformung hergestellt werden. Verschiedene Versuchsreihen demonstrierten zudem die Grenzfälle des Werkstoffflusses bei unterschiedlichen geometrischen Verhältnissen bzw. Geometrien des Werkstücks. So kommt es z. B. bei zu geringen Querschnittsreduktionen bei Halbzeugen mit zwei Nebenformelementen zur Bildung einer Falte an der Innenoberfläche der Zapfen oder zu nicht ausgefüllten Werkstückbereichen an der Innen- sowie Außenkontur. Zusätzlich zum Werkstofffluss wurden unterschiedliche Designvarianten der Verbindung der Innendorne untersucht. Die verschiedenen Grenzfälle des Werkstoffflusses ließen sich zuverlässig anhand von Berechnungen mit der Finite-Elemente-Methode reproduzieren. Bei der Validierung berechneter Pressstempelkräfte mit gemessenen Prozessdaten wurde jedoch festgestellt, dass der Verlauf der Stempelkraft, aufgetragen über dem Stempelweg, nicht exakt reproduziert werden konnte. Dies wurde mit der nicht exakten Abbildung der Reibungsverhältnisse in der Simulation begründet und erklärt. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass die beiden untersuchten Verfahrensvarianten erhebliches Potential für die wirtschaftliche Herstellung von hochfesten und geometrisch komplexen Leichtbaukomponenten durch Fließpressen aufweisen. Auf Grund der praxisbezogenen Werkstückgeometrien und Werkzeugtechniken soll diese Arbeit als Leitfaden für die Erweiterung der Verfahrensgrenzen des Quer-Fließpressens hinsichtlich des Umformwerkstoffs und der Bauteilgeometrie dienen. Für Hersteller von Kaltmassivumformteilen werden hierfür entsprechende Lösungswege aufgezeigt und Empfehlungen gegeben.