Hybrid-Forging: Combined Forming and Joining of Sheet and Bulk Metal
Final Report Abstract
Im ersten Zeitraum wurden die Grundlagen des Hybridschmiedens simulativ und experimentell erforscht. Fokussiert wird die gemeinsame Umformung von Massiv- und Blechelementen in einem Gesenk, die Art der Fügung zwischen Massiv- und Blechelement sowie deren Wechselwirkungen bezüglich der Parameter Geometrie, Bauteiltemperatur, Reibung und Werkstoff. Es wurden 3 Modellversuche entwickelt, um die Umformung und Fügung mittels Stoffschluss und Formschluss untersuchen zu können. Zur Untersuchung des Stoffschlusses wurde ein Würfel, der sich nur in eine Raumrichtung ausbreiten kann, auf einen Blechstreifen aufgeschmiedet (HS1). In der zweiten Versuchsanordnung wurde ein zylindrischer Rohling auf ein Blech geschmiedet (HS2). Um die Möglichkeit einer formschlüssigen Verbindung zu untersuchen, wurde einem Niet ähnlich ein zylindrischer Rohling durch ein Blech-Element geführt und mit diesem verschmiedet (HS3). Auf Basis der in der ersten Förderperiode erarbeiteten Erkenntnisse wurde im zweiten Zeitraum das Hybridschmieden weiterführend untersucht. Die Grundlagen wurden dahingehend erweitert, dass die Qualität der Fügeverbindung erhöht wird. Die Verformung sollte durch Bleche mit einer höheren Festigkeit und größeren Stärke sowie durch die Verwendung von Niederhaltern reduziert werden. Dabei sollte die Fügequalität durch eine geometrisch erzwungene Relativbewegung von Massivund Blechelement erhöht werden. Es wurde ein Beispielbauteil (Demonstrator) in Anlehnung an einen Zweipunktlenker entwickelt. Weiterhin wurde mit diesem Bauteil die unterschiedlichen Fertigungsoperationen, Umformen von Blech- und Massivelementen sowie das Fügen (Formschluss und Stoffschluss) der Elemente ermittelt. Weiteres Ziel war die FEM-basierte Ermittlung der Wechselwirkung zwischen den Parametern Bauteiltemperatur, Festigkeit der Blechelemente und Blechstärke und ihres Einflusses auf die Ausbeulung und Stärkenreduzierung des Bleches sowie die Formgebung des Massiv- und Blechelements. Metallografische Charakterisierungen der hybridgeschmiedeten Bauteile sollten auch untersucht werden. Dazu wurde ein Werkzeugsystem zur experimentellen Untersuchung entwickelt und konstruiert. Zusätzlich wurden in dieser Arbeit mit Hilfe einer Zugmaschine die Verbundkräfte untersucht. Im Rahmen dieser Untersuchungen konnten die Metallografieergebnisse bestätigt werden. Die durchgeführten Versuche für die Demonstratorbauteile haben gezeigt, dass bei hohen Temperaturen ein partieller stoffflüssiger Verbund zwischen Blech und Massivteil mit dem konstruierten Schmiedewerkzeuge nachweisbar ist. Bei 1200 °C ist der stoffflüssige Anteil der Verbindung um ca. 17 % höher als bei 200 °C. Allerdings ist im Bereich der Werkzeugentwicklung und -optimierung für das Hybridschmieden weitere Forschung erforderlich, um eine statistisch analytische Auswertung bei unterschiedlichen Temperaturen zu ermöglichen. Weiterhin müssen die Werkzeuge optimiert und Versuche mit unterschiedlichen Umformkräften durchgeführt werden. Auf Grundlage der in diesem Forschungsvorhaben gewonnenen Erkenntnisse können in Zukunft die Gestaltungsmöglichkeiten von Bauteilen mit dem Hybridschmieden so erweitert werden, dass gering belastete Bereiche eines Bauteils partiell verstärkt werden können. Durch die gleichzeitige Massiv- und Blechumformung einschließlich Fügen wird – im Vergleich zu konventionellen Verfahren – die Prozesskette zur Bauteilherstellung deutlich verkürzt.
Publications
- Blech- plus Massivumformung. In: Umformtechnik, Meisenbach, 2011, S. 28-29
Kache, H.; Krause, A.; Stonis, M.; Nickel, R.
- Hybrid forging – New combined sheet and bulk metal forming technology. In: 6th International CTI Forum „Cabriolets“, Conference Proceedings, 24th – 25th October, Munich, EROFORUM Deutschland SE, 2011
Kache, H
- Hybridschmieden – Monoprozessuales Umformen und Fügen metallischer Blech- und Massivelemente. In: wt Werkstattstechnik online, 103. Jg. (2013), H.3, S. 257-262
Kache, H.; Stonis, M.; Behrens, B.-A.
- Simulation study on the influence of process parameters on the hybrid forging quality of a control arm. In: 2016 IEEE International Conference on Industrial Engineering and Engineering Management (IEEM), (2016), p. 491 - 495
Ross, J.; Knust, J.; Jagodzinski, A.; Stonis, M.; Behrens, B.-A.
(See online at https://dx.doi.org/10.1109/IEEM.2016.7797924)
