Prevention of thin flash along the process chain for the precision forging of aluminum
Final Report Abstract
Das Forschungsprojekt hatte zum Ziel, das gratlosen Präzisionsschmieden für Aluminiumknetlegierungen entlang einer Schmiedeprozesskette zu realisieren. Dazu sollte ein Prozessfenster zum gratlosen Fertigschmieden von Aluminiumlangteilen ermittelt und entsprechende Werkzeugkonzepte zur gratlosen Vorund Fertigformung entwickelt werden. Im Zielfokus des Projektes stand zudem die Entwicklung von allgemeingültigen Methoden zur Prognose und Vermeidung von Flittergratbildung beim Aluminiumschmieden. Im Projekt wurde zunächst ein FE-Modell zur Flittergratprognose anhand eines Stauchversuches im geschlossenen Gesenk erstellt und experimentell zu verifizieren versucht. Dabei wurden die Eingangsparameter Tb, wg und vf sowie die verwendete Aluminiumlegierung variiert. Zusammenfassend wurde festgestellt, dass eine Flittergratprognose auf Basis des entwickelten Versuchsaufbaus nicht möglich ist. Die direkte Berechnung des Flittergrates mittels FEM konnte nicht realisiert werden. Die Auswertung der experimentellen Schmiedeversuche zeigte zudem zu geringe Unterschiede in der Ausprägung der Flittergratbildung in Abhängigkeit aller Eingangsparameter außer der Fließspaltbreite. Die Flittergratbildung in Abhängigkeit von (Tb, wg und vf) wurde experimentell lediglich reduziert aber nicht gänzlich vermieden. In der Folge wurden zwei alternative Methoden zur Flittergratprognose anhand eines gratlosen Fertigschmiedeprozess eines querlenkerähnlichen Bauteils entwickelt. Diese Methoden basieren auf der FEM, werten jedoch nicht den Stofffluss im Werkzeugspalt aus, sondern indirekte Flittergratindikatoren wie auftretende Spannungszustände im Werkstück. Der betrachtete Schmiedeprozess wurde sowohl mittels FEM- Simulationen als auch experimentell untersucht. Aufgrund der vorherigen Ergebnisse wurde der Prozess hinsichtlich der der vorformgeometrieabhängigen Flittergratbildung und deren Prognose analysiert. Zudem wurde die Vermeidung der Flittergratbildung durch werkzeugintegrierte Dichtungskonzepte untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass selbst geringe Änderungen der Vorformgeometrie bei gleichem Volumen zu signifikanten Änderungen der Flittergratbildung führte. Die Flittergratbildung konnte über zwei entwickelte Methoden zuverlässig qualitativ prognostiziert werden. In allen Fertigteilbereichen, in denen Flittergrat simulativ prognostiziert wurde, konnte Flittergratbildung experimentell ermittelt werden. Prognosemethode 1 basiert auf der simulativen Analyse der zeitlichen Formfüllungs-Synchronität in Abhängigkeit der Vorformgeometrie. Die aufgestellte Hypothese, dass Vorformgeometrien die zu einer hohen Formfüllungs-Synchronität führen eine reduzierte Flittergratbildung im Experiment aufweisen, konnte verifiziert werden. Prognosemethode 2 basiert auf der Analyse des FEM-Ergebnisparameters hydrostatischen Drucks p. Für bestimmte Bereiche des Fertigteils und unter Variation der Vorformgeometrie weisen höhere Gradienten der P-Funktion sowie höhere absolute p-Werte in fließspaltnahen Bereiche eindeutig auf eine reduzierte Flittergratbildung hin. Zusammenfassend ermöglicht die Verwendung der entwickelten Methoden zwei verschiedene allgemeingültige Prognoseinformationen über Flittergratbildung in Schmiedeprozessen. Erstens: Die qualitative Prognose von Fertigteilbereichen mit erhöhter Wahrscheinlichkeit der Flittergratbildung bei Verwendung einer bestimmten Vorform. Zweitens: Die qualitative Prognose von Flittergratbildung in spezifischen Fertigteilbereichen in Abhängigkeit von verschiedenen verwendeten Vorformgeometrien. Der Vorteile der Analyse-Methode basierend auf dem hydrostatischen Druck gegenüber der Methode der Analyse der Formfüllungs- Synchronität liegt in der schnellen und automatisierten Betrachtung jeder gewünschten Schnittebene eines jeden Bauteilbereiches basierend auf einer einzigen Schmiedesimulation. Die Vermeidung der Flittergratbildung durch werkzeugintegrierte Dichtungskonzepte konnte nicht 100 % erreicht werden. Dennoch konnte eine signifikante Gratreduzierung zwischen 48 und 80 % (Vergleich mit bzw. ohne Dichtung) erzielt werden. Mit dem Wissen über die genauen Bauteilbereiche der Flittergratentstehung ist die Erzeugung eines idealen (kein Flittergrat) Schmiedeteil nicht zwingend erforderlich. Spezifische Handlingsmaßnahmen können im Vorfeld geplant werden, um Lage und Toleranzfehler in nachfolgenden Prozessschritten zu vermeiden. Aktuell wird eine Methode zur automatisierten Vorformoptimierung zur Flittergratvermeidung für flache Aluminiumvorformen mittels evolutionären Algorithmen entwickelt. Unternehmen können sich zukünftig aus den vorgestellten und zukünftigen Methoden der Prognose und Vermeidung von Flittergrat anwendungsspezifisch auswählen, um sowohl die Prozess- als auch die Teilequalität deutlich zu steigern.
Publications
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(2018) Development of a predictive simulation method for thin flash generation in flashless precision forging processes of aluminum parts using FEA and experiments. Prod. Eng. Res. Devel. (Production Engineering) 12 (3-4) 419–429
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Numerical and Experimental Investigations of thin flash generation in Aluminum Forging. International Conference on Plasticity, Damage, and Fracture, 08.01.2016, Kalua Kona, Hawaii (USA)
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Quality optimization for aluminum precision forging processes in completely enclosed dies of long forging parts by prediction and avoidance of thin flash generation, 12th International Conference on Technology of Plasticity, 20.09.2017, University of Cambridge, Cambridge (UK)
Richter, J
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Quality optimization for aluminum precision forging processes in completely enclosed dies of long forging parts by prediction and avoidance of thin flash generation. In: Procedia Engineering. Elsevier, vol. 207 (2017), pp. 484-489
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