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Umformen gefügter Massivbauteile

März 2020 — Der Sonderforschungsbereich 1153 „Tailored Forming“ am Institut für Integrierte Produktion Hannover erschließt weiteres Potenzial hybrider Massivbauteile. Auf Basis eines neuartigen Fertigungsablaufs sollen maßgeschneiderte, bereits vor der Formgebung gefügte Halbzeuge eingesetzt werden.

Forming joined solid components

The Collaborative Research Centre 1153 (CRC 1153) “Process chain for the production of hybrid high-performance components through tailored forming“ at the Institute for Integrated Production in Hanover/Germany is opening up further potential for hybrid solid components. On the basis of a new type of production process, tailored semi-finished products already joined prior to forming are to be used.

Das übergeordnete Ziel des Sonderforschungsbereichs 1153 „Tailored Forming“ ist es, die Potenziale für hybride Massivbauteile auf der Basis eines neu zugeschnittenen Fertigungsprozesses unter Verwendung von gefügten Halbzeugen zu erschließen. Im Gegensatz zu bestehenden Herstellungs- und Fertigungsprozessen hybrider Massivbauteile, bei denen der Fügeprozess erst während der Umformung oder am Ende der Fertigungskette erfolgt, werden im Sonderforschungsbereich (SFB) 1153 maßgeschneiderte Halbzeuge verwendet, die vor dem Formgebungsprozess gefügt werden. Gegenüber den bestehenden Fertigungsverfahren erleichtert die einfache Geometrie der Halbzeuge die Handhabung sowie die prozesssichere Herstellung einer stoffschlüssigen Fügezone.

Teilprojekt Querkeilwalzen

Das Ziel des Teilprojekts B1 des SFB 1153 ist die Ermittlung der Umformbarkeit neuartiger hybrider Halbzeuge mittels des inkrementell umformenden Querkeilwalzens. Hauptaspekt ist die Umformung verschieden hergestellter Hybridhalbzeuge aus Stahl, Aluminium und Hartwerkstofflegierungen. Darüber hinaus sollen Prozessgrößen – wie Temperatur und Kraft - im Werkzeug-Werkstück-Kontakt gemessen, sowie die Funktionsintegration der Bauteile durch eingebrachte Verzahnungen erhöht werden.

Grundsätzlich werden im SFB 1153 zwei unterschiedliche Werkstoffanordnungen erforscht: koaxial und seriell, siehe Bild 1. Diese Anordnungsprinzipien lassen sich wie folgt auf Realbauteile übertragen: Zur Reduktion des Bauteilgewichts ist es möglich, Segmente eines zuvor monolithischen Bauteils aus einem Leichtmetall zu fertigen – so entsteht ein serielles Hybridbauteil mit geringerer Bauteilmasse, siehe Bilder 1 und Bild sowie Welle 3. Zur Erhöhung des Verschleißwiderstands kann beispielsweise ein Segment - etwa ein Lagersitz - eines Bauteils mit einem Hartwerkstoff ummantelt werden.

Eine Herausforderung ist die für die Umformung notwendige Erwärmung der Halbzeuge, da das Hybridhalbzeug aufgrund der verschiedenen Werkstoffe unterschiedliche Fließwiderstände besitzt und ggf. inhomogen erwärmt werden muss, um eine gleichmäßige Umformung zu ermöglichen. Hierfür wird eine induktive Erwärmungsanlage am Institut für Integrierte Produktion Hannover (IPH) verwendet, siehe Bild 2.

Die Walzprozesse werden mittels FEM-Simulation ausgelegt und experimentell untersucht. Die Ergebnisse werden ausgewertet und eine Auslegungsmethode entwickelt sowie die Prozesse zielgerichtet hinsichtlich Stabilität und Qualität verbessert. Das Ziel ist es, für hybride Halbzeuge aus verschiedenen Kombinationen diverser Werkstoffe – unter anderem 20MnCr5, 41Cr4, C22.8, EN AW-6082, X45CrSi9-3, 100Cr6, Stellite-6, Delcrome 253, Inconell 625 und X5CrNi18-10 - sowohl simulativ als auch experimentell Hybridbauteile mittels Querkeilwalzen herzustellen. 

Ergebnisse der Förderperiode 1

Forschungsschwerpunkte der ersten Förderperiode waren die Erstellung eines ersten Simulationsmodells zur Berechnung des Querkeilwalzens hybrider Halbzeuge (Mehrmaterial-Simulation) sowie die Auslegung von Querkeil-Walzwerkzeugen, um die Geometrie des Demonstrators „Welle“ walzen zu können. Anschließend wurde sowohl simulativ als auch experimentell die Untersuchung der Qualität der Fügezone und des Einflusses des Fügeverfahrens auf die Fügezonengestalt und -stabilität sowie auf die Güte des Umformprozesses nach Toleranzeinhaltung, Prozessfehler und Qualität untersucht. Darüber hinaus wurde der Einfluss der unterschiedlichen Fließwiderstände der Werkstoffe und damit verbunden die geeignete Bauteiltemperatur für eine kontrollierte Umformung betrachtet. 

Es hat sich herausgestellt, dass mit einer inhomogenen Bauteilerwärmung hybrider Aluminium-Stahl-Halbzeuge das beste Umformergebnis erzielt wird. Die Geometrie und Position der Fügezone können durch die Umformparameter beeinflusst werden. Besonders hohe Umformgrade im Bereich des koaxialen Auftragwerkstoffs erzeugen ein gleichmäßiges, feinkörniges Gefüge. Die grundsätzliche Anwendbarkeit des „Tailored Forming“ auf den Querkeilprozess konnte somit im Rahmen der ersten Förderperiode ermittelt werden.

Ausblick Förderperiode 2

Die aktuelle Forschung umfasst die Entwicklung einer Prozessüberwachung, die es ermöglicht, Prozessgrößen wie Temperatur und Kraft im Kontakt zwischen Halbzeug und Werkzeug während des Querkeilwalzens zu messen. Durch eine intelligente Datenbank soll somit im späteren Verlauf eine automatisierte Prozessgrößenkorrektur stattfinden und damit eine Walzparameterregelung, um den Querkeilwalzprozess für eine Vielzahl von Werkstoff- und Geometriekombinationen zu stabilisieren. Insbesondere durch das Einwalzen von Verzahnungen, deren Zähne aus einer anderen Legierung als der Wellenwerkstoff bestehen, wird die Funktionsintegration gesteigert. 

Mit den Ergebnissen dieses Teilprojekts soll eine Auslegung von Querkeil-Walzprozessen für Hybridbauteile ermöglicht werden. Ebenso gehört die Ermittlung der Umformbarkeit der durch andere Teilprojekte hergestellten hybriden Halbzeuge zu den Zielsetzungen.

Institut  für  Integrierte  Produktion Hannover (IPH)
Hollerithallee 6
30419 Hannover
Ansprechpartner ist Jens Kruse
Tel.: +49 511 27976-0
kruse@iph-hannover.de
www.iph-hannover.de

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