Grundlagenuntersuchung zur ultraschallunterstützten Umformung metallischer Werkstoffe mittels Druck- und Scherbeanspruchung

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Marion Merklein
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 393723186

Der stetig zunehmende Einsatz hochfester Werkstoffe in der Kaltmassivumformung sowie die damit verbundene Erhöhung der Prozesskräfte bei gleichzeitiger Reduzierung des Formänderungsvermögens stellen konventionelle Fertigungsverfahren vor große Herausforderungen. Ein vielversprechender Ansatz zur Reduzierung der Umformkräfte und zur Erweiterung der Umformgrenzen ist die Überlagerung der linearen Werkzeugbewegung mit hochfrequenten Oszillationen im Ultraschallbereich. Durch die sogenannte Ultraschallunterstützung werden der Werkstoff temporär entfestigt und Prozesskräfte erheblich reduziert. Dieses Phänomen wurde erstmal von Blaha und Langenecker bei der Dehnung von Zink-Einkristallen nachgewiesen. Seitdem wurde die schwingungsbasierte Entfestigung bereits in einigen Studien für verschiedene Umformprozesse, wie das Drahtziehen, Tiefziehen und das Fließpressen bestätigt. Trotz zahlreicher Erklärungsansätze – wie Spannungssuperposition, reduzierte Reibung und Erwärmung – sind die zugrunde liegenden Wirkzusammenhänge nach wie vor unklar. Daher ist das Ziel dieses Forschungsvorhabens die umfassende Untersuchung des Fließverhaltens und der Formänderungsgrenzen metallischer Werkstoffe unter Ultraschalleinwirkung bei Druck-, Scher- und Zugbeanspruchung. In diesem Zusammenhang wurde innerhalb der ersten Projektphase der Einfluss der Anregungsfrequenz, Amplitude, Prüfgeschwindigkeit und Oszillationsdauer auf die erzielbare Prozesskraftreduzierung untersucht, wobei die Amplitude als maßgeblicher Prozessparameter identifiziert wurde. Neben der temporären Entfestigung wurde auch ein veränderter Verfestigungszustand nach Wegnahme der Schwingungsüberlagerung nachgewiesen. Metallographische Analysen sowie Kleinlasthärtemessungen bestätigten den veränderten Verfestigungszustand anhand ausgeprägterer Gleitbänder und einer inhomogeneren Härteverteilung. Daher sollen in der zweiten Projektphase ultraschallbasierte Einflüsse auf den Verfestigungsvorgang für die Werkstoffe C35, Cu-OFE und CuZn30 untersucht und Wirkzusammenhänge identifiziert werden. Schwingungsüberlagerte Druckversuche mit verschiedenen Umformgraden ermöglichen die stufenweise Analyse des Verfestigungsvorgangs in Abhängigkeit der Oszillationsparameter. Basierend auf den Ergebnissen zu den unterschiedlichen Werkstoffklassen werden übertragbare Erkenntnisse erarbeitet. Darüber hinaus werden die Untersuchungen zur schwingungsbasierten Entfestigung um Zugversuche erweitert, wodurch der Einfluss tribologischer Effekte ausgeschlossen wird. Auf diese Weise wird das Verständnis bezüglich der Entfestigung zugrundeliegenden Mechanismen vertieft. Abschließend erfolgt die Bewertung der identifizierten ultraschallbasierten Effekte mit Bezug auf die untersuchten Werkstoffe und Spannungszustände.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen