Verbundfließpressen von fließgepressten Halbzeugen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Aufbauend auf den Ergebnissen der ersten Projektphase konnte gezeigt werden, dass das Leichtbaupotenzial des Verbundfließpressens durch die Verwendung von Magnesiumkernen oder die Verwendung granularer verlorener Kerne weiter gesteigert werden kann. In experimentellen Untersuchungen wurden Verbundwellen aus einem Stahlmantel und einem Magnesiumkern mit unterschiedlichen Wandstärken und Umformgraden erfolgreich hergestellt. Die zum Verbundfließpressen genutzten Halbzeuge wurden durch Napf-Rückwärts-Fließpressen eines C15 Einsatzstahl und Strangpressen der Magnesiumlegierung AZ31 hergestellt. Auftretende Prozessfehler beim Verbundfließpressen sind pfeilförmige Anrisse an der Innenseite des Stahlmantels bei kleinen Umformgraden und hohen Wandstärken, sowie ein Aufreißen des Mantels bei hohen Umformgraden und geringen Wandstärken. Durch die hohen hydrostatischen Drücke in der Umformzone kann der Magnesiumkern über das Umformvermögen von Magnesium bei Raumtemperatur hinaus umgeformt werden, sodass der Prozess einzig durch das Versagen des Stahlmantels begrenzt wird. Es konnte ein breites Prozessfenster für die Herstellung variabler Geometrien aufgestellt und die Prozessgrenzen durch die ermittelten Fehler- und Versagensfälle bestimmt werden. Einen negativen Einfluss stellt die Minderung der Verbundfestigkeit durch Kontaktkorrosion dar. Dieser muss bei der Auslegung von Stahl-Magnesium-Verbundwellen berücksichtigt werden. Das maximale Leichtbaupotenzial beim Verbundfließpressen wird durch die Verwendung granularer Kerne erreicht. Diese werden nach der Umformung entfernt, sodass Hohlwellen produziert werden können. Es wurde gezeigt, dass granulare Medien wie Zirconiumoxid mit hohem Kompressionsmodul und geringer Scherfließgrenze eine erfolgreiche Umformung für verschiedene Wandstärken und Umformgrade ermöglichen. Je nach Einsatzzweck müssen durch Verbundfließpressen mit granularem Kern hergestellte Hohlwellen nachbearbeitet werden, um die entstandenen Eindrücke der Granulatpartikel auf der inneren Oberfläche zu entfernen. Durch die Materialmodellierung des granularen Kerns mittels eines modifizierten Drucker-Prager Models kann die Kompressibilität des Granulats in FEM- Simulationen berücksichtigt werden, und somit die Wandstärke der Hohlwellen prädiktiv ermittelt werden. Eine numerische Bauteilauslegung und Vorhersage des Prozesserfolges ist somit möglich. Durch experimentelle Untersuchungen zum Verbundfließpressen mit Kupfernäpfen und Stahl- bzw. Aluminiumkernen konnte gezeigt werden, dass es bei der Verwendung von Werkstoffkombinationen mit einem geringeren Fließbeginn im Mantelwerkstoff als im Kernwerkstoff zu einer Ausdünnung des Mantels beim Einfließen des Kerns in die Umformzone kommen kann. Zusammenfassend lassen sich folgende Kriterien zur erfolgreichen Herstellung von Verbund- oder Hohlwellen mittels Verbundfließpressen von fließgepressten Halbzeugen ableiten: • Hohe Wandstärken bei hohen Umformgraden (φ ≥ 1,0) • Geringe Wandstärken bei kleinen Umformgraden (φ ≤ 0,5) • Verwendung von inkompressiblen Kernwerkstoffen • Mantelwerkstoff mit höherer Festigkeit als der des Kernwerkstoffs. Da in der Kaltmassivumformung häufig Wärmebehandlungen zwischen oder nach der Umformung stattfinden wurde der Einfluss von Wärmebehandlungen auf die mechanischen Eigenschaften von Stahl-Aluminium-Verbundwellen untersucht. Es wurde gezeigt, dass die Eigenschaften des Kerns negativ beeinflusst werden. Es bilden sich Lunker bei Behandlungen oberhalb der Schmelztemperatur des Aluminiums. Bei einem Spannungsarmglühen, welches unterhalb der Schmelztemperatur von Aluminium stattfindet, wird die Härte des Kerns negativ beeinflusst, sowie die Verbundfestigkeit reduziert. Basierend auf den erzielten Erkenntnissen bietet das Verbundfließpressen mit granularem Kern einen vielversprechenden Ansatz zur Herstellung hohler Wellen. Diese bieten im Vergleich zu Verbundwellen ein höheres Leichtbaupotenzial, eine höhere Korrosionsbeständigkeit, sowie die Möglichkeit zur uneingeschränkten Wärmebehandlung. So stieß das Verfahren beim 52. Plenary Meeting der International Cold Forging Group (ICFG) in San Sebastian, Spanien, auf besonderes Interesse. Hier wurde die im Rahmen des Projektes entstandene Veröffentlichung „Producing Hollow Shafts by Composite Extrusion Utilizing Granular Cores“ mit dem „ICFG International Prize 2019“ ausgezeichnet. Im Weiteren ist es sinnvoll, das Verfahren hinsichtlich komplexerer Geometrien und mehrstufiger Umformoperationen zu untersuchen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Producing Hollow Shafts by Composite Extrusion Utilizing Granular Cores. In: Proceedings of the 52nd ICFG Plenary Meeting, Donostia-San Sebastián, Spain, 5–18 September 2019
Kolpak, F., Hering, O., Dahnke, C., Tekkaya, A.E.
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2020. Increasing the Lightweight Potential of Composite Cold Forging by Utilizing Magnesium and Granular Cores. Metals 11 (1), 32
Gitschel, R., Kolpak, F., Hering, O., Tekkaya, A. E.
