Aluminiumschmieden von Langteilen mit genauer Massevorverteilung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Aluminiumbauteile werden in der Regel infolge der Werkstoffeigenschaften annähernd isotherm und in wenigen Umformstufen hergestellt, wodurch vor allem bei komplexen Teilen wie Langteilen (z. B. Querlenker) hohe Gratanteile auftreten. Die Prozesskette zur umformtechnischen Herstellung von Langteilen wird in (mehrere) Vorformstufen und eine Endformstufe unterteilt. Im Rahmen dieses Projektes wurden neben der Erstellung einer Formenordnung [Doe04] für geschmiedete Aluminiumlangteile Grundlagen für die gesenkgebundene Massevorverteilung von Aluminiumlangteilen erarbeitet, um zukünftig Aluminiumlangteile gratarm oder gratlos schmieden zu können. Dadurch können Schmieden als Zulieferer u. A. der Automobilindustrie der Forderung nach einer erhöhten Materialeinsparung nachkommen. Ergebnis des ersten Antragszeitraumes ist die Kenntnis des Stoffflussverhaltens, der Verfahrensgrenzen und des Werkstoffverhaltens von Aluminium bei einer einfachen Massevorverteilung am Beispiel von AISilMgMn (EN AW-6082) [Doe04]. Diese wurde durch einen gesenkgebundenen Reck- und Stauchprozess mit einfach wirkendem Umfonnaggregat erzielt Dabei konnte u. a. gezeigt werden, dass bei einer Werkstücktemperatur von 550 °C das Material nicht parallel zur Werkzeuggravur fließt. Das Material in der ßauteilmitte fließt schneller als an der ßauteiloberfläche, wodurch sich die Entstehung einer inneren Falte abzeichnet. Ergebnis des zweiten Antragszeitraumes ist eine En/veiterung dieses Wissens hinsichtlich einer Verfahrenskombination von Recken und Stauchen durch ein mehrdirektional wirkendes Werkzeug zur Herstellung von komplexen Langteilen. Mittels dieser Verfahrenskombination können zwei Umformschritte zu einem zusammengeführt werden. Diese Verkürzung der Prozesskette führt zu Einsparungen im Bereich der Anlageninvestition. Der Kern des Projektes stellt dabei die Identifizierung eines geeigneten Werkzeug konzeptes dar, bei dem das Werkstück in mehreren Raumrichtungen umgeformt wird. Die Identifizierung erfolgte mit Hilfe der Methode der Finiten Elemente. Durch die mehrdirektional wirkenden Umformstempel wird die zur Umformung erforderliche Zeit und damit die Auskühlung des Werkstücks in der Vorformung verringert. Dieses erwirkt eine Steigerung der Energieeffizienz der umformtechnischen Prozesskette. Verfahrensbedingt sind nicht alle Verfahrenskombinationen geeignet, mit dem vorgestellten mehrdirektionalen Werkzeugkonzept Langteile umzuformen. Die untersuchten Verfahrenskombinationen wurden anhand Machbarkeit, Faserverlauf, auftretenden Spannungen sowie Temperaturverhältnissen bewertet und eine geeignete Verfahrenskombination wurde auf Basis dieser Erkenntnisse ausgewählt. Bei dieser Verfahrenskombination ist der kinematische Ablauf der Umformung durch die Anordnung der Werkzeugkomponenten (Stempel, Keile, Schieber) vorgegeben. Zunächst findet die vertikale Umformung durch den Stempel statt. Durch eine Umlenkung der Stößelbewegung über Keile wird die Bewegung der horizontal wirkenden Schieber realisiert. Eine Umkehrung oder Kombination der Umformrichtungen ist ohne eine Veränderung der Werkzeugkomponenten nicht möglich. Die Verfahrenskombination wurde in Schmiedeversuchen untersucht. Grundlegend ist die Verwendung eines mehrdirektionalen Schmiedewerkzeugs zur Herstellung von Schmiedevorformen möglich. Es lassen sich für Langteile höhere Umformgrade erreichen, da die Entstehung einer inneren Falte verhindert werden konnte. Beim konventionellen Schmieden im offenen Gesenk werden zwei starre formgebende Elemente (Ober- und Untergesenk) mit geschlossener Gravur verwendet. Beim mehrdirektional wirkenden Werkzeug im teilweise offenen Gesenk werden zusätzlich drei bewegliche Elemente (Stempel und Schieber aus zwei weiteren Raumrichtungen) in die Gesenke eingebracht, wodurch Spalte entlang der Gravuroberfläche entstehen. Da die Auskühlung des Werkstücks hier reduziert wii-d und Aluminium aufgrund der niedrigen Fließspannung in Spalte fließt, konnte eine Bildung von Flittergrat nicht verhindert werden. Eine zukünftige Herausforderung stellt die Verhinderung der Entstehung von Flittergrat dar. Um Aluminiumlangteile gratloses schmieden zu können muss daher eine Prozesskette mit angepassten Vorformverfahren und gratlosem Endformen entwickelt werden. Die Einsparung von Material durch das gratlose Umformen und die Kürzung der umformtechnischen Prozesskette sollen den Forderungen nach erhöhter Material- und Energieeffizienz nachkommen. Eine Lösung könnte die werkzeugseitige Verhinderung einer Flittergratbildung mittels mechanischer Dichtung darstellen. Des Weiteren ist es sinnvoll die Vorform und die Werkzeuge unter Berücksichtigung der gesamten umformtechnischen Prozesskette so auszulegen, dass bei der VeoA/endung eines mehrdirektionalen Werkzeugs das Werkstück erst am Ende der Umformung in die Bereiche der Spalte fließt Numerische Untersuchungen können die Ursachen für die Entstehung von Flittergrat beim Schmieden im geschlossenen Gesenk aufzeigen. Anwendungsgebiet für die Ergebnisse dieses Forschungsvorhabens stellen die aus Aluminiumknetlegierungen geschmiedeten Langteile dar. Zusätzlich kann die Venwendung mehrfacher beweglicher Komponenten in Schmiedewerkzeugen vorangetrieben werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Stonis, M.; Luecke, M.; Nickel, R.: Forging of Long Flat Pieces of Aluminium with a Precise Mass Distribution Operation. In: TMS Annual Meeting and Exhibition: Aluminum Alloys: Fabrication, Characterization and Applications, 9th - 13th March 2008, New Orleans. USA, pp; 61-66. IPH
- Stonis, M.; Telkamp, K.; Nickel, R.: Numerische Untersuchungen zum mehrdirektionalen Gesenkschmieden von Aluminiumlangteilen. In: Schmiede-Journal, Industrieverband Massivumformung e.V., o. Jg. (2007), H. 2. S. 24-26.
