Grundlagenuntersuchung zur ultraschallunterstützten Umformung metallischer Werkstoffe mittels Druck- und Scherbeanspruchung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der Einsatz hochfester metallischer Werkstoffe im stofflichen Leichtbau prägt die Entwicklungen der Kaltmassivumformung. Diese Werkstoffe bedingen erhöhte Prozesskräfte bei verringertem Formänderungsvermögen. Die Warmumformung zur Reduzierung der Umformkräfte und zur Erweiterung der Umformgrenzen ist nicht immer geeignet. Ein vielversprechender Ansatz besteht in der Überlagerung der Werkzeugzustellung mit einer hochfrequenten Schwingung. Auf diese Weise wird eine signifikante Kraft- bzw. Spannungsreduktion erwirkt, wie sie erstmals 1955 beobachtet wurde. Die Schwingungsüberlagerung birgt somit das Potenzial, Werkzeug- sowie Werkstückbelastungen zu verringern und ermöglicht hinsichtlich des Leichtbaus schlankere Werkstückgeometrien. Trotz zahlreicher Studien sind die zugrundeliegenden Wirkzusammenhänge der schwingungsbedingten Kraftreduktion sowie deren Auswirkungen auf das Formänderungsverhalten metallischer Werkstoffe nach wie vor unklar. Das Ziel des Forschungsvorhabens bestand in der Charakterisierung der schwingungsbasierten Entfestigung sowie der Untersuchung der Formänderungsgrenzen metallischer Werkstoffe unter Ultraschalleinwirkung bei Druck-, Zug- und Scherbeanspruchung. Ferner sollten auf Basis der erzielten Erkenntnisse bestehende Erklärungsansätze überprüft und die Entfestigungsmechanismen separiert werden. Im Rahmen der Forschungsarbeiten wurden die dynamischen Eigenschaften des Prüfaufbaus als wesentliche Einflussgröße auf schwingungsüberlagerte Prozesse identifiziert. Moderat angeregte Oszillationen in feststehenden Werkzeugkomponenten sind erheblich von der Anregungsfrequenz abhängig und verstärken oder schwächen die Nennamplitude. Der erzielbare Entfestigungseffekt wird wiederum maßgeblich von der Schwingweite bestimmt. Ferner wurde der Einfluss der Prozessgeschwindigkeit analysiert. Längere Schwingungsintervalle führen in diesem Zusammenhang zu einer ausgeprägteren Probenerwärmung, die damit den Entfestigungseffekt verstärkt. Mit der Berücksichtigung des frequenzabhängigen Übertragungsverhaltens konnten die Erklärungsansätze um das Spannungssuperpositionsprinzip reduziert und auf Grenzflächen- und Volumeneffekte eingeschränkt werden. In diesem Kontext wurde für das genutzte Prüfkonzept nachgewiesen, dass werkstoffunabhängig etwa ein Drittel des Entfestigungseffekts auf die thermische Fließspannungsreduktion zurückzuführen ist. Anhand schwingungsüberlagerter Zugversuche wurde die anteilige Spannungsreduktion auf Basis der Flächeneffekte näher eingeschränkt. Aufgrund der engen Wechselwirkung der Grenzflächenreibung mit der Probenerwärmung war in diesem Kontext keine exakte Abgrenzung zur thermisch basierten Entfestigung realisierbar. Analysen zum Formänderungsvermögen bei Ultraschallunterstützung ergaben sowohl bei Scher- als auch Zugbeanspruchung eine Reduzierung gegenüber den konventionellen Verfahren. Als Ursachen wurden die zyklische Wechselbelastung bzw. eine Dehnungslokalisierung ermittelt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Residual effects of ultrasonic-assisted compression testing on pure copper. In Pedro Arrazola, Eneko Saenz de Argandona, Nagore Otegi, Joseba Mendiguren, Mikel Saez de Buruaga, Aitor Madariaga, Lander Galdos (Eds.), AIP Conference Proceedings. Vitoria-Gasteiz, ES: American Institute of Physics Inc.
Jäckisch, M., Michalski, M. & Merklein, M.
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Investigation of thermal effects during ultrasonic-assisted upsetting. Procedia Manufacturing, 50, 220-225.
Jäckisch, Manuel & Merklein, Marion
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Influence of Ultrasonic Assistance on the Forming Limits of Steel. The Minerals, Metals & Materials Series, 1281-1290. Springer International Publishing.
Jäckisch, Manuel & Merklein, Marion
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A novel ultrasonic-assisted staking process for mechanical fasteners. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part L: Journal of Materials: Design and Applications, 236(6), 1176-1186.
Jäckisch, M. & Merklein, M.
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Residual effects of ultrasonic assistance in metal forming. In Lucas F M da Silva (Eds.), Proceedings of the 1st International Conference on Engineering Manufacture 2022 (EM 2022) (pp. 31). Porto, PT.
Jäckisch, M. & Merklein, M.
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Ultrasonic-assisted forming - Influence of unavoidably induced tool oscillations. In Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Martin Stockinger (Eds.), Proceedings of the XL. Conference on Metal Forming (pp. 110-115). Zauchensee, AT.
Jäckisch, M. & Merklein, M.
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Mechanical joining of high-strength multi-material systems − trends and innovations. Mechanics & Industry, 24, 16.
Merklein, Marion; Jäckisch, Manuel; Kuball, Clara-Maria; Römisch, David; Wiesenmayer, Sebastian & Wituschek, Simon
