Servohydraulisches Prüfsystem zur statischen und dynamischen Bauteil- und Werkstoffcharakterisierung
Final Report Abstract
Das servo-hydraulische Prüfsystem zur statischen und dynamischen Bauteilcharakterisierung wird am Lehrstuhl zur Ermittlung der zyklischen Eigenschaften von Werkstoffen verwendet. Untersucht werden sowohl die Eigenschaften von Werkzeugwerkstoffen als auch von Blechwerkstoffen, wie sie beispielsweise in der Automobilindustrie zur Herstellung von Karosserieteilen oder zur Fertigung von Elektromotoren eingesetzt werden. Seit der Inbetriebnahme wurde die beschriebene Anlage verstärkt zur Charakterisierung der dynamischen Beanspruchbarkeit von Werkzeugwerkstoffen für eine Anwendung in der Blechmassivumformung genutzt. Dies ist eine neuartige Verfahrensklasse, welche konventionelle Prozesse aus der Blech- und Massivumformung miteinander kombiniert. Eine derartige Verfahrenskombination führt dazu, dass die Werkzeuge im Einsatz hohen Beanspruchungen unterworfen sind. Gerade im Bereich der formgebenden Aktivteile treten lokal hohe Spannungen und Dehnung auf. Dies führt wiederum zu einer begrenzten Lebensdauer, bedingt durch ein Ermüdungsversagen der Werkzeugaktivteile. Die Prozessklasse der Blechmassivumformung und damit auch die werkzeugtechnischen Fragestellungen werden im Sonderforschungsbereich Transregio 73 SFB/TR73 erforscht. Das Teilprojekt A2 „Herstellung komplexer fließgepresster Funktionselemente an Blechen“ nimmt bei der Charakterisierung der dynamischen Beanspruchbarkeit der Werkzeugwerkstoffe und der Erforschung der grundlegenden Wirkmechanismen eine Schlüsselrolle ein. Um den Anforderungen an die Werkzeuge der Blechmassivumformung gerecht zu werden, ist die Erforschung der Ermüdungskennwerte unterschiedlicher Werkzeugwerkstoffe von großer Bedeutung. Diese sind notwendig, um die hochbeanspruchten Werkzeugaktivteile beanspruchungsgerecht auszulegen. Da die benötigten Werkstoffkennwerte in der Literatur nicht verfügbar sind, liefert das beschriebene Gerät einen entscheidenden Beitrag zur Ermittlung der Kennwerte. Neben der Bestimmung von Ermüdungskennwerten für relevante Werkzeugwerkstoffe stehen Fragestellung im Bereich der Werkzeugherstellung und der Stoffflusssteuerung im Fokus des Forschungsprojektes. Ziel ist die Erweiterung der existierenden Prozessgrenzen in der Blechmassivumformung. Gerade für diese Maßnahmen ist es wichtig, dass die Ermüdungskennwerte charakterisiert werden, da die Beeinflussung der Werkzeuglebensdauer durch entsprechende Maßnahmen nicht bekannt ist. Um Möglichkeiten zur Steigerung der Werkzeuglebensdauer mit dem Prüfsystem zu untersuchen, wurde der Einfluss von unterschiedlichen Vorspannungen auf die Ermüdungsfestigkeit untersucht. Durch derartige Untersuchungen wird im Labormaßstab eine Werkzeugarmierung nachgebildet. Des Weiteren gilt es, zu analysieren, ob eine lokale Laserwärmebehandlung, welche den Eigenspannungszustandes und die Werkstoffzähigkeit beeinflusst, für eine Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit geeignet ist. Beide Maßnahmen sollen im Einsatz die Lebensdauer der Werkzeuge verlängern. Neben rein werkzeugtechnischen Fragestellungen ist ein weiterer Bestandteil des Teilprojektes A2 die Erforschung von Maßnahmen zur Stoffflusssteuerung. Die Wirksamkeit von maßgeschneiderten Oberflächen zur Stoffflusssteuerung und damit zur Verbesserung der Bauteilausformung wurde bereits nachgewiesen. Jedoch gilt es, den Einfluss der Modifikation der Werkzeugoberflächen auf das Ermüdungsverhalten der Werkzeuge noch weiterführend zu erforschen. Das Prüfsystem wird deshalb aktuell genutzt, um den Einfluss unterschiedlicher Werkzeugherstellungsprozesse, wie beispielsweise Fräsen, Schleifen und Hochvorschubfräsen, zu untersuchen. Die mit der Anlage ermittelten Kennwerte liefern insgesamt einen wesentlichen Beitrag zur Weiterentwicklung der Werkzeugtechnik in der Blechmassivumformung und damit zur Erweiterung bestehender Prozessgrenzen. Neben der Charakterisierung von Werkzeugwerkstoffen wurde das Prüfsystem auch zur Ermittlung von Ermüdungskennwerten von Blechwerkstoffen genutzt. In Zusammenarbeit mit dem Institut für Elektrische Maschinen der RWTH Aachen wurde beispielsweise der Einfluss einer mechanischen Belastung auf den magnetischen Fluss von Elektromotoren untersucht. Diese Forschungsarbeiten werden als Vorarbeiten für einen DFG Antrag genutzt. Des Weiteren wurde in Zusammenarbeit mit der Daimler AG der Werkstoffeinfluss auf die Ermüdungskennwerte von Blechen, wie sie im Karosseriebau eingesetzt werden, erforscht.
Publications
- Influence of the mechanical fatigue progress on the magnetic properties of electrical steel sheets. EPNC (Hrsg.): Conf. Proc. 24th Symposium on Electromagnetic Phenomena in Nonlinear Circuits, 2016, S. 109-110
Karthaus, J.; Steentjes, S.; Gröbel, D.; Andreas, K.; Merklein, M.
- Influence of the mechanical fatigue progress on the magnetic properties of electrical steel sheets. Archives of Electrical Engineering 66(2017)2, S. 351-360
Karthaus, J.; Steentjes, S.; Gröbel, D.; Andreas, K.; Merklein, M.; Hameyer, K.
(See online at https://doi.org/10.1515/aee-2017-0026)
