Production of bead-shaped parts by cold extrusion of semi-finished products fabricated by composite hot extrusion
Final Report Abstract
In diesem Projekt wurde ein Verfahren zum Verbundstrangpressen und nachfolgenden Kaltfließpressen von Hybridbauteilen mit rohrförmig eingebetteten Verstärkungselementen entwickelt. In experimentellen Untersuchungen wurden Halbzeuge aus einer Aluminium EN AW-6060 Matrix mit rohrförmigen Verstärkungselementen versehen und stranggepresst. Die Verstärkungselemente bestanden aus Aluminium EN AW-7075, Stahl C15 und Kupfer EN CW-352H. In Kombination mit Simulationen und analytischen Modellen konnten Prozessfenster entwickelt werden. Während die Aluminium-Aluminium Kombination nur durch den Durchmesser des Verstärkungselementes sowie dem Abstand zur Matrize beschränkt wird, sind die beiden anderen Werkstoffkombinationen zusätzlich durch Grenzen in der Länge beschränkt. Zum Prozessversagen während des Verbundstrangpressens kommt es bei der Kombination von Aluminium-Aluminium, wenn die Verstärkungselemente in Kontakt mit der Scherzone kommen. Bei den Kombinationen Aluminium-Stahl und Aluminium-Kupfer dürfen gewisse Längen der Verstärkungselemente nicht überschritten werden, da ansonsten die Zugspannung den Wert der Fließspannung überschreitet und Versagen in Form von Einschnüren eintritt. Zusätzlich darf der Durchmesser des Verstärkungselementes nicht größer sein als der Durchmesser der Matrize, da eine fehlende Plastifizierung ein Aufstauchen des Rohres vor der Matrize zur Folge hat. Anhand eines physikalischen Modells und Push-Out Tests konnten die Verbundfestigkeiten nach dem Strangpressen ermittelt werden. Bei der Kombination Aluminium-Aluminium konnte eine stoffschlüssige Verbindung bei großen Durchmessern der Verstärkungselemente erzielt werden, generell ziehen größere Durchmesser höhere Verbundfestigkeiten nach sich. Aufgrund der fehlenden Plastifizierung der Rohre bei den anderen Werkstoffkombinationen mit größeren Fließspannungsdifferenzen zwischen Matrix- und Verstärkungselementwerkstoff konnte keine stoffschlüssige Verbindung erzielt werden. Für die nachfolgende Kaltumformung der verbundstranggepressten Halbzeuge zu flanschförmigen Hybridbauteilen wurden experimentelle Untersuchungen anhand der beiden Prozesse Bundanstauchen und Querfließpressen durchgeführt. Beim Bundanstauchen zeigte sich die Delamination zwischen Matrixwerkstoff und Verstärkungselement als maßgebende Versagenserscheinung. Simulative Untersuchungen zeigten, dass mit zunehmendem Durchmesser des Verstärkungselements Zug-Normalspannungen in der Grenzfläche zu Delamination führten. Beim Querfließpressen hingegen war die Bildung von Oberflächenrissen im Flansch die maßgebende Versagensart. Mit kleinerem Durchmesser des Verstärkungselements konnten die Prozessgrenzen hin zu größeren Deformationen verschoben werden. Für die gemessene Scherfestigkeit in Push-Out Tests zur Untersuchung der Struktureigenschaften zeigte sich der Flächenanteil des Verstärkungselementwerkstoffs im Scherquerschnitt maßgebend. Demnach konnte mit großem Verstärkungselementdurchmesser bei der Kombination Aluminium-Aluminium eine bis zu 15 % höhere Scherfestigkeit im Vergleich zum monolithischen Bauteil erreicht werden. Bei den weiteren Werkstoffkombinationen Aluminium-Stahl und Aluminium-Kupfer zeigten sich insbesondere Form und Lage der eingebetteten Verstärkungselemente als entscheidend für die Ausformung des Verstärkungselements beim Bundanstauchen. Beim Querfließpressen konnten die Verstärkungselemente in jedem Fall erfolgreich in den Flansch eingeformt werden. Dennoch wurden die Prozessgrenzen wie auch bei den Aluminium-Aluminium Kombinationen durch Oberflächenrisse im Flansch bestimmt.
Publications
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2020. Introduction of Composite Hot Extrusion with Tubular Reinforcements for Subsequent Cold Forging. In: Proceedings of the 10th Congress of the German Academic Association for Production Technology (WGP), Dresden, Germany
Kotzyba, P., Grötzinger, K. C., Hering, O., Liewald, M., Tekkaya, A. E.
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2021. Fließpressen von Hybridbauteilen mit Eigenschaftsvariation. In: wt-online, Ausgabe 10-2021, S.660-664
Grötzinger, K.C., Liewald, M.; Kulagin, R.
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2021. Manufacture of hybrid components with tubular reinforcement by composite hot extrusion and subsequent cold forging. In: MEFORM 2021, Freiberg, Germany
Grötzinger, K.C., Benko, K.,Kotzyba, P., Hering, O., Liewald, M., Tekkaya, A.E.
