Verjüngen von Aluminium-, Kupfer-, Stahl- und Edelstrahlrohren mit radial ultraschallerregter Matrize
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die im Rahmen dieses Projekts durchgeführten Untersuchungen konzentrierten sich auf den Einfluss von Ultraschall beim Verjüngen von Rohren aus Aluminium (AiMgSiO,5-T4), Kupfer (Cu99,9). Stahl (St35) und Edelstahl (X5CrNil8.9). Dabei lag besonderes Augenmerk auf der Erweiterung der Verfahrens grenzen, die beim Verjüngen von Rohren, beim Durchdrücken durch eine Matrize, durch Aufstauchen, Ausknicken und Faltenbildung gegeben sind. Das Durchdrücken gehört nach DIN 8583 zu den Druckumformverfahren, zu denen auch das Strang- und Fließpressen gehört. Das Verjüngen von rohrformigen Querschnitten kann dabei mit oder ohne Dom erfolgen. In diesem Projekt wurde das Verjüngen ohne Dom untersucht. Bei den Versuchen wurde die Umformkraft direkt über das nicht abgestützte Rohr in die Umformzone übertragen und die Matrize in radialer Richtung mit Ultraschall mit einer Frequenz zwischen 18,85 und 20,15 kHz während des Umformprozesses angeregt. Schon frühere Untersuchungen zeigten, dass eine Ultraschallanregung des Umformwerkzeuges eine positive Eigenschaft auf eine Reduzierung der Reibung in der Umformzone, die Oberflächeneigenschaften des Rohres bzw. Rundstabes und auf die Erweiterung der Verfahrens grenzen bewirkt. Der Ultraschalls bewirkt dabei eine Reduzierung der Umformkräfte, d.h. der axialen Druckkräfte aufgrund einer Verringerung der Reibungskräfte in der Matrize und schließlich eine Verringerung der Maschinen- und Werkzeugbelastung, Durch Reduktion der Reibungskräfte lassen sich größere Umformgrade realisieren und durch Verbesserung der Oberflächengüte können Nachbearbeitungsschritte eingespart werden. Die Versuchsreihen im Rahmen des durchgeführten Forschungsvorhabens basierten auf den Ergebnissen aus Vorversuchen, die die prinzipielle Wirkung und Effekte des Ultraschalls auf das Durchdrücken von Stangen und Rohren besitzt. Diese sind neben der Prozessgeschwindigkeit die übertragene Ultraschallamplitude respektive Ultraschallenergie, der verwendete Schmierstoff sowie der Werkstückwerkstoff Weiterhin wurden Versuchsreihen, um quantitative Einflüsse von verschiedenen Schmierstoffen und unterschiedlichen Umformgeschwindigkeiten auf die Umformkräfte zu untersuchen, durchgeführt. Dabei kamen unlegierte Mineralöle, additivierte Mineralöle, vollsynthetische Mineralöle sowie Mineralöle auf Lösungsmittelbasis und weitere zum Einsatz. In Abhängigkeit von diesen eingesetzten Schmierstoffen stellten sich beispielsweise bei einer Umformgeschwindigkeit von 5 mm/sec Umformkräfte zwischen ca. 7900 N und ca. 9800 N für das Durchdrücken eines Kupferrohres mit dem Querschnitt von 23 x 2 mm ein. Bei Erhöhung der Umformgeschwindigkeit auf 35 mm/sec zeigte sich bei allen verwendeten Schmierstoffen eine deutliche Erniedrigung der erforderlichen Umformkräfte. Ein weiterer Teil der durchgeführten Untersuchungen bezog sich auf die Analyse des Ultraschalls bei radialer Anregung der Matrize, um auch hierfür den Einfluss des Ultraschalls auf die Reduzierung der Umformkräfte und mögliche Erweiterung von Verfahrensgrenzen zu eruieren. Dazu wurde zunächst die Struktur der Umformmatrize für den vorgesehenen Leistungsbereich ausgelegt und Durchdrückversuche mit Rohren durchgeführt. Bei der radialen Anregung der Matrize mit Ultraschall im oberen Leistungsbereich und bei Verwendung dünnflüssiger Schmierstoffe stellten sich keine Reduziermengen der Reibungskräfte ein. Aus früheren Untersuchungen ist bekannt, dass bei angestrebten hohen radialen Umformgraden, hohen Druckkräften und dem Einsatz von Schmierstoffen mit geringer Viskosität bei Kontakt mit der schwingenden Matrize sofort verdampfen, der Schmierfilm abreißt und der Umformvorgang erheblich erschwert wird. Zusammenfassend konnte festgestellt werden, dass bei einer Durchmesserreduktion von Stahl-, Aluminium- und Edel stahl röhren von beispielsweise 23 mm auf ca. 20 mm grundsätzlich mit niedrig legierten Kohlenstoff-Stahlrohren die besten Ergebnisse hinsichtlich Reduktion der Umformkräfte und Verbesserung der Oberflächen nach dem Umformen erzielt werden konnten. Die Verfahrensgrenzen für das Durchdrücken von Rohren aus Edelstahl und Kupfer werden zumeist durch die Druck- / Knickstabilität des Werkstücks vor dem Einlauf in die Matrize in Relation zur Umformkraft spezifiziert.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Forschungsschwerpunkte und aktuelle Entwicklungen in der Massivumformung am Institut für Umformtechnik (IFU) der Universität Stuttgart. In: Liewald, M. (Hrsg.): Neuere Entwicklungen in der Massivumformung. 08.-09. Mai 2007 in Fellbach. Frankfurt/M.: MAT-INFO Werkstoff-Informationsgesellschaft, 2007. ISBN 978-3-88355-358-0
Liewald, M.
- Forschungstrends in der Kaltumformung, 7. Kundentagung Massivumformung - Produkte Partner Perspektiven, Industrieverband Massivumformung Euroforge, Leonberg, 26.-27.09.2007
Liewald, M.
