Beeinflussung des Spanungszustandes durch viskose Flüssigkeitsströme beim Innenhochdruckumformen dünnwandiger Halbzeuge
Final Report Abstract
Diese Arbeit liefert grundlagenwissenschaftliche Kenntnisse über die Beeinflussung der Spannungszustände beim IHU von Rohren durch hochviskose Flüssigkeitsströme zur Verringerung der Reibung, Verbesserung des Nachschiebens und Herstellung von Bauteilen mit komplexer Geometrie. Das Konzept zur Beeinflussung des Spannungszustandes durch hochviskose Flüssigkeitsströme in der Umformtechnik eröffnet ein erhebliches Potential zu Erweiterung der Formgebungsgrenzen bei der flexiblen Umformung von Rohren. In dem strömungsbeeinflussten Innenhochdruck-Umformen werden die von einer Flüssigkeit eingeleiteten Schubspannungen und der auf der Rohrmantelfläche wirkende Außendruck die Reibung verringern und das Nachschieben langer, dünnwandiger Bauteile verbessern. Die so zwischen Medium und Werkstück entstehenden Kräfte und Druckverläufe entlasten das Rohr von einer Spannungsüberlagerung im Bereich des Axialstempels und begünstigen dadurch die Umformung des Rohres in der Umformzone. Durch die Gestaltung von Strömungskanälen unterschiedlicher Geometrien und die Steuerung der Drosselventile ist ein variabler Druck und Schubspannungsverlauf entlang des Rohres realisierbar. Um die entwickelte Strategie für das Rohrnachschieben zu bestätigen und ein Kriterium, welches die Anwendung von konventionellen IHU bzw. strömungsbeeinflussten IHU je nach Länge der Führungszone begründet, zu bestimmen, wurden Stauchexperimente durchgeführt und Wandstärkenverteilung und Faltenbildung als Beurteilungskriterien betrachtet. Als Merkmale für das Nachschiebeprozess wurden die Nachschiebegrenze und die Stauchgrenze in einem Prozessfenster definiert. Die FE-Simulation der Umformung mit Innen- und Außendruck unter Berücksichtigung des Einflusses der Flüssigkeitsströmung ist ein physikalisches Problem, welches durch die Kopplung von zwei FE-Programmen bewältigt wurde. Die Arbeit beschreibt systematisch die Ermittlung der Eingabedaten für die FE-Simulation bzw. die notwendigen Schritte zur Charakterisierung der hochviskosen Flüssigkeit. Anhand eines Rohr-Nachschiebeversuchs wurde die Eignung der Glukose hinsichtlich ihrer Schmiereigenschaften geprüft. Das strömungsmechanische und das thermodynamische Verhalten der Glukose wurden mit Comsol-Multiphysics durch die Koppelung der Differentialgleichungen von Navier Stockes und Fourier untersucht. Für die Entwicklung des Umformprozesses wurden die in Comsol-Multiphysics ermittelten Verläufe der Schubspannung für die umformtechnische Simulation in PamStamp2G implementiert. Gemäß den Ergebnissen der Simulation wurde anschließend ein SIHU-Werkzeug für die Produktion eines T-Bauteils konstruiert und schließlich Umformversuche zur Optimierung der Prozessparameter und die Darstellung eines Prozessfensters durchgeführt. Aufgrund der zahlreichen Prozessparameter, die zu berücksichtigen sind, ist die Auslegung des Prozesses hinsichtlich der Steuerung von Innen-, Außendruck und Axialnachschieben sehr umfangreich. Das Optimum hinsichtlich der erreichbaren Höhe des Domes bewegt sich jedoch am Rand des Prozessfensters, wo kleine Parameterschwankungen zum Versagen oder zur Faltenbildung führen können. Die anhand der Umformexperimente erarbeiteten Grundlagen zur Rohrumformung mit hochviskosen Flüssigkeitsströmen legen die Basis für weitergehende Untersuchungen. Die in dieser Arbeit vorgestellten Methoden zur Gestaltung von strömungsbeeinflussten Umformverfahren und zur Prozesssimulation lassen sich auf die industriell hochinteressante Blechumformung übertragen und stellen somit eine gute Basis dar, die Effizienz dieses Verfahrens, insbesondere hinsichtlich des Nachschiebens von sehr langen Halbzeugen und genauer der Beeinflussung der Umformverfahren, für die Erweiterung der Formgebungsgrenzen in der Umformtechnik zu nutzen.
Publications
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Geiger, M.; Vollertsen, F.; Dal Bö, P.: Improvement of formability in tube hydroforming by reduction of friction with a high viscous fluid flow. In: WGP (Hrsg.): Production Engineering. Annals of the German Academic Society for Production Engineering, VOL. Xlll/1,2006, S. 53-56.
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P.; Geiger, M.: Applicability of a magnetorheological fluid to the flow influenced hydroforming process. Proceedings of the 9th Esaform Conference, Glasgow, Großbritannien (2006), S. 391-394.
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P.; Geiger, M.: Behaviour of a High Viscous Fluid and its Effect on the Flow Influenced Hydroforming Process. Tagungsband der Femlab Anwenderkonferenz 2006: Neue Wege der Muitiphysik-Simulation, Frankfurt (2006), S. 102-105.
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P.; Geiger, M.: Effects of viscous dissipation in the flow influenced tube hydroforming. Proc, of the IFHTSE 3rd International conference on thermal process and modeling simulation, Budapest, Ungarn (2006), S. 65, Proceedings auf CD.
