Untersuchung der komplexen Wechselwirkungen beim Umformen rohrförmiger Werkstücke mittels Gasdetonation
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Bei der gezielten Anwendung von Gasdetonationen in der Umformtechnik steht das Gasgemisch in unmittelbarem Kontakt zum Werkstück und dient als Energiequelle und Wirkmedium zugleich. Das Verfahren bietet gegenüber heute bekannten Methoden diverse Vorteile. Die verfahrensbedingte homogene Verteilung des Gases ermöglicht eine gut plan- und reproduzierbare Druckverteilung sowie eine einfache Prozessautomation. Der sehr schnelle, von Gasgemisch und Anfangsdruck abhängige Druckanstieg und der erreichbare Enddruck des 15 bis 50fachen Anfangsdruckes ermöglichen die Realisierung sehr hoher Umformgeschwindigkeiten, und die hohe Energiekonzentration erlaubt Gesamt-Umformenergien und damit Werkstückgrößen, die weit über das aus der elektromagnetischen und der elektrohydraulischen Umformung bekannte Maß hinausgehen. Gegenüber der Explosivumformung mit Sprengstoff und hydraulischem Wirkmedium ist neben der einfachen Prozessautomation auch die weitgehend rückstandsfreie Verbrennung zu nennen. Wie andere Hochgeschwindigkeitsverfahren bietet auch die Gasdetonationsumformung die Möglichkeit, aufgrund der Kürze des Druckimpulses die Massenträgheit von Werkzeugelementen auszunutzen und erforderliche Zuhaltekräfte erheblich zu reduzieren. Der Prozess ist durch komplexe Wechselwirkungen an verschiedenen Schnittstellen geprägt: • die Bewegung des Werkstücks bewirkt prinzipiell eine Abnahme des Druckes im verbrannten Gas, die aber aufgrund der geringen Volumenzunahme relativ gering ist, • im Werkstoff führt die hohe Umformgeschwindigkeit zu einer Zunahme der Umformkräfte einerseits und andererseits zu einer homogenen Verteilung von Scherbändern und damit einer später einsetzenden Rissbildung, und • beim Auftreffen des Werkstücks auf der Form finden in beiden Körpern zum Teil erhebliche Trägheits- und Dämpfungsprozesse statt. Ziel des Projektes war es, diese Wechselwirkungen am Beispiel der Rohraufweitung zu untersuchen und Modelle zu entwickeln, mit Hilfe derer eine gesicherte Prozessauslegung ermöglicht wird. In einigen Materialien wurden gegenüber der statischen Rohraufweitung ohne Axialdruck erhebliche Steigerungen des erreichbaren Umformgrades sowie auch eine homogenere Rundheits- und Wandstärkenverteilung erzielt. Mit Hilfe einer Hochgeschwindigkeitskamera wurden die Bewegungsabläufe sowohl bei freier als auch bei lokal begrenzter Aufweitung beobachtet, und mit Hilfe einer im Werkstück installierten Sonde wurden die auf die Werkstückwand wirkenden Druckprofile erfasst. Es konnten eindeutige Zusammenhänge zwischen beiden Messgrößen ermittelt werden. Die bei der Beschleunigung der Rohrwand wirkenden Trägheitskräfte korrelieren zu Beginn mit dem wirkenden Druck, fallen im Verlauf der Aufweitung dann jedoch schnell unter das Niveau der Druckkräfte ab, wobei sie durch Dehnspannungen ersetzt werden. Die optisch beobachtbaren Dehnraten betrugen bis 3000 s-1, wobei mit dem ebenso verwendeten IHU-Formwerkzeug ohne Einsatz der Kamera ein Mehrfaches des Anfangsdruckes und damit auch eine mehrfache Umformrate möglich sind. Es wurde festgestellt, dass die Rückwirkung der Werkstückbewegung auf das Druckprofil mit der Lauflänge zunimmt, was eine positive Auswirkung auf die Gleichmäßigkeit der Druckbeaufschlagung hat, denn bei streng eindimensionaler Ausbreitung von Detonationswellen in starren Rohren nimmt die Zeitkonstante des Druckpulses mit der Lauflänge zu. Im Werkstoff wurde ein Maß an Versetzungsneubildung festgestellt, das weit über das für die statische Umformung bekannte Maß hinausgeht. Für Reinaluminium wurde beobachtet, dass die Versetzungen an den Korngrenzen mit zunehmender Geschwindigkeit immer dichtere Säume bilden. Es wurde ein Modell zur effizienten Simulation der wirkenden Druckprofile mit gitterbasierten Strömungsberechnungsverfahren entwickelt und erprobt. Numerische Simulationen erlaubten die Bestimmung der Aufweitung in qualitativer Übereinstimmung mit dem beobachteten Bewegungsablauf.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Rohrumformung mittels Gasdetonation - Erfassung von Druckprofil und Bewegungsablauf. Kolloquium des SPP1180, 10./11. Okt. 2005, Hannover
Weber M, Olivier H
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Rohrumformung mittels Gasdetonation. SPP1180 Arbeitskreistreifen "Berechnungsmodelle und Algorithmen", 30. Nov./1. Dez. 2005, Hannover
Brosius A, Weber M
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Process Investigation of Tube Expansion by Gas Detonation. In: Kleiner M (ed.): Proceedings of the 2nd International Conference on High Speed Forming, March 2006, Dortmund, pp. 161-174
Weber M, Hermes M, Brosius A, Beerwald C, Gershteyn G, Olivier H, Kleiner M, Bach F-W
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Wechselwirkungen bei der Rohraufweitung mittels Gasdetonation. Kolloquium des SPP1180, 7./8. Jun. 2006, Dortmund
Weber M, Brosius A, Hermes M, Gershteyn G, Olivier H, Kleiner M, Bach F-W
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Tube Expansion by Gas Detonation. Production Engineering, Vol. 1, Nr. 1, August 2007, pp. 9-17
Kleiner M, Hermes M, Weber M, Olivier H, Gershteyn G, Bach F-W, Brosius A
