Erweiterung des Geometriespektrums beim Freiformschmieden durch überlagerte Spannungszustände
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das übergeordnete Ziel des Gesamtvorhabens bestand darin, ein Freiformschmiedeverfahren für längsorientierte Formteile basierend auf dem Prinzip der Spannungsüberlagerung zu entwickeln, um so dessen Geometriespektrum deutlich zu erweitern. Da hier Biegespannungen den Druckspannungen zwischen den Freiformschmiedewerkzeugen im plastischen Zustand während des Reckschmiedens überlagert werden, erscheint der Begriff „Biegereckschmieden“ geeignet, diesen Prozess vom konventionellen Schmiedeprozess abzugrenzen. In der 1. Förderperiode wurde der Fokus des Projekts auf die Grundlagen des Biegereckschmiedens gelegt, wobei die Untersuchung der Biegung in horizontaler Ebene und auch der überlagerten Torsion während des Reckschmiedehubs betrachtet werden sollten. In einem ersten Schritt erfolgte mittels FEM sowie skalierter Proben eine Untersuchung der plastomechanischen Grundlagen des Biegereckschmiedens. Die Ausgangshypothese, dass der Stofffluss während des Schmiedehubes mit vergleichsweise geringen überlagerten Spannungen signifikant beeinflusst werden kann, wurde bestätigt. Dies ermöglicht es, auch mit den bei üblichen Manipulatoren heute verfügbaren Kräften vergleichsweise große Schmiedestücke prozessintegriert zu krümmen. Es wurde zudem gezeigt, dass numerische Simulationen zuverlässig dazu genutzt werden können, um sowohl die Biegekräfte als auch den auftretenden Materialfluss hervorsagen zu können. Als Haupteinflussgrößen für das erforderliche Biegemoment bei Krümmung in der horizontalen Ebene wurden das Bissverhältnis, die Höhenabnahme und die Biegegeschwindigkeit identifiziert. Ein elementares Stoffflussmodell ermöglicht eine Prozessplanung für einmalige Überschmiedungen zur gezielten Einstellung unterschiedlicher Krümmungen. Es wurden Strategien entwickelt, mit denen in einer zweiten Überschmiedung wahlweise die Bogenlänge bei gleicher Krümmung erhöht oder die Krümmung gezielt geändert werden kann. Es wurde ein minimaler Krümmungsradius von 257 mm und ein maximaler Winkel von 270° für ein Werkstück aus Aluminium erreicht und das Verfahrensprinzip vorzeitig auf die Warmumformung von Stahl übertragen. Die Untersuchungen zur Torsion ergaben, dass unter Auswahl geeigneter Parameter eine homogene Torsion der Bauteile erreicht werden kann, wobei ein maximaler Torsionswinkel von 370° erreicht wurde. Die Reproduzierbarkeit der Torsionsbewegung der Manipulatorzange war aufgrund der Momentenbegrenzung des Manipulators eingeschränkt und es bestehen geometrische Restriktionen aus der Werkzeug- und Bauteilgeometrie. In der 2. Förderperiode bestand der Schwerpunkt des Projekts maßgeblich in der Untersuchung weiterer Biegerichtungen für eine weitere Vergrößerung des Geometriespektrums, in einer detaillierten Analyse der Prozessgrenzen sowie der Entwicklung von Strategien zur Überwindung derselben. Zunächst wurde die Biegung in vertikaler Ebene umfassend untersucht. Anhand einer elementaren Betrachtung am Einzelhub wurde das Verkippen des Werkstücks zwischen den Schmiedesätteln und ungewollter Doppelkontakt von Werkstück und Bauteilkrümmung als Prozessgrenzen identifiziert. Basierend auf numerischen Simulationen, elementaren Betrachtungen und mit experimenteller Validierung konnten für beide Prozessgrenzen Kriterien und ein geeignetes Prozessfenster für die Vertikalbiegung hergeleitet werden. Ein weiterer Schwerpunkt bestand in der Untersuchung der Raumbiegung, bei der die Biegeachse beliebig im Raum orientiert werden kann und die somit eine Kombination aus vertikaler sowie horizontaler Biegung darstellt. Mittels numerischer Simulation wurde zunächst als maßgebliches Charakteristikum der Raumbiegung ermittelt, dass die Festlegung der Biegeachse die Ausrichtung des Querschnittes auf dem Kreisbogen des resultierenden Bauteils festlegt. Somit lässt sich die Raumbiegung u.a. für die Fertigung konischer Ringsegmente nutzen. Basierend darauf wurde der Einfluss der einzelnen Prozessgrößen für verschiedene Biegeachsen sowie Schmiedeparameter untersucht. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass in Abhängigkeit der gewählten Biegeachse sich ähnliche Prozesscharakteristika wie für die Horizontal- und Vertikalbiegung ergeben. Abschließend wurden die Prozessgrenzen für die Horizontalbiegung näher untersucht. In einem ersten Schritt konnten sog. inkrementelle Doppelstiche genutzt werden, um den eingebrachten Biegewinkel zu homogenisieren und eine gleichmäßigere Durchschmiedung des Bauteils sicherzustellen, was für eine industrielle Realisierung von großer Bedeutung ist. In einem zweiten Schritt wurde geprüft, wie die geometrischen Prozessgrenzen insgesamt für die verschiedenen Verfahrensvarianten erweitert und die gezielte Fertigung spezifischer Bauteilgeometrien mit hoher Genauigkeit realisiert werden können. Die Verwendung verschiedener Sattelgeometrien wurde im Antrag als ein möglicher Lösungsansatz thematisiert, erwies sich jedoch als nicht vielversprechend und als sehr aufwändig. Daher wurde ein Konzept entwickelt und in die Realität umgesetzt, bei dem eine optische Messung von Geometrieabweichungen im Versuch erfolgt. Anhand eines Beispielprozesses wurde eine Geometriekorrektur im Experiment vorgenommen und somit ein vielversprechendes Konzept vorgestellt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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„Experimental and numerical simulation on controlling the material flow in open-die forging through superimposed manipulator displacements“; Key Engineering Materials Vols. 651-653, S. 272-277, 2015
Wolfgarten, M.; Rosenstock, D.; Freitag, J.; Hirt, G.
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„Untersuchung zur Herstellung gekrümmter Bauteile beim Freiformschmieden durch überlagerte Biegespannungen“; Schmiedejournal, Vol. 9, S.42-45, September 2015
Wolfgarten, M.; Rosenstock, D.; Hirt, G.
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„Freiformschmieden gekrümmter Bauteile durch überlagerte Manipulatorbewegungen“; Aachener Stahlkolloquium: Ideen Form geben, S. 133-142, 2016
Wolfgarten, M.; Rosenstock, D.; Hirt, G.; Schwarz, R.; Schäfer, H.
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„Krumme Dinger mittels Freiformschmieden“; MM Maschinenmarkt, Vol. 49, S.28-30, 2016
Wolfgarten, M.; Hibbe, P.; Hirt, G.
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„New method for the manufacturing of curved workpieces by opendie forging“; CIRP Annals Manufacturing Technology, Vol. 65/1, S. 285-288, 2016
Wolfgarten, M.; Hirt, G.
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„Process integrated production of complex workpieces in open-die forging“; 20th International Forgemasters Meeting – IFM 2017, Graz, Austria, S.580-589, 11.-15. September 2017
Wolfgarten, M.; Hibbe, P.; Hirt, G.
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„Near-net shape open-die forging of complex workpieces through superimposed manipulator displacements“; 8th JSTP International Seminar on Precision Forging, Nagoya, Japan, 2018
Wolfgarten, M.; Hirt, G.
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„Analysis of process limits for open-die forging with superimposed manipulator displacements in vertical direction“; Production Engineering, Vol. 13/6, 2019
Wolfgarten, M.; Reinisch, N.; Hirt, G.
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„Erweiterte Formenvielfalt im Freiformschmieden durch gezielte Lenkung des Materialflusses“; 33. ASK Umformtechnik „Ideen Form geben“, S.87-100, 2019
Wolfgarten, M.; Rudolph, F., Hirt, G., Schwarz, R., Schäfer, H.
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„Gezielte Fertigung längsorientierter Formteile im Freiformschmieden durch überlagerte Spannungszustände“, Verlagshaus Mainz, Aachen, 2019
Wolfgarten, M.
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„Analysis of process forces and geometrical correlations for open-die forging with superimposed manipulator displacements“; Journal of Materials Processing Technology, Vol. 276, 2020
Wolfgarten, M.; Rudolph, F.; Hirt, G.
