Untersuchungen des Werkstoffverhaltens bei der Warm-Innenhochdruck-Umformung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Eine Fließkurve stellt den Zusammenhang zwischen der für die Umformung notwendigen Spannung im Bauteil und der hierbei herrschenden äquivalenten Dehnung dar. Die auftretende Spannung ist dabei vom Umformgrad und vom Werkstoff sowie von der Umformtemperatur und der Umformgeschwindigkeit abhängig. Fließkurven bilden die Grundlage für analytische Berechnungen und für die Vorhersage des Umformverhaltens von Bauteilen mit Hilfe von Computer-Simulationen. Allerdings hängt die Güte und somit die Realitätsnähe dieser Berechnungen sehr stark von der Aufnahme der Fließkurven ab. Die Aufzeichnung von Fließkurven kann mit mehreren Verfahren erfolgen, die jedoch die Proben unterschiedlich belasten, was zum Auftreten von verschiedenen Spannungszuständen führt. Generell geht man davon aus, dass das Prüfverfahren den Spannungs- und Dehnungszustand des auszulegenden Umformverfahrens möglichst nahe abbilden sollte. Eine Prüfmethodik, die es erlaubt, die bei der Innenhochdruckumformung auftretenden Spannungs- und Dehnungszustände abzubilden, konnte in der ersten Projektphase realisiert werden. Mit diesem Prüfverfahren wurden Fließkurven der Aluminiumlegierung EN-AW 6060 T66 in einem Temperaturbereich zwischen 480 °C und 580 °C sowie der Stahllegierung S235JR zwischen 900 °C und 1200 °C bei einer konstanten Umformgeschwindigkeit von 0,05/s bis 0,15/s aufgenommen. Weiterhin wurde eine Methode entwickelt, mit der die Berechnung von Fließkurven aus einer relativ geringen Anzahl an Experimenten mit sehr hoher Genauigkeit möglich ist. Eine Anwendung der aufgestellten mathematischen Beschreibung in einer numerischen Prozesssimulation führt zu einer sehr guten Übereinstimmung des Berechnungsergebnisses mit dem Resultat experimenteller Ausformuntersuchungen. Auf Grund der Tatsache, dass Fließkurven der Aluminiumlegierung bisher noch nicht bei so hohen Temperaturen bestimmt wurden, war es bisher nicht möglich die aufgenommenen Fließkurven zu vergleichen, um damit das entwickelte Prüfverfahren zu validieren. Aus diesem Grund wurden in der zweiten Projektphase Fließkurven der Aluminiumlegierung bei den gleichen Temperaturen und Umformgeschwindigkeiten in verschiedenen Prüfverfahren aufgenommen. Ein Vergleich von Stauch- und Zugversuchen, die beide einen uniaxialen Spannungszustand aufweisen, zeigte eine sehr gute Übereinstimmung in der Beschreibung des Spannungsniveaus. Eine Abweichung konnte nur im elastischen Bereich festgestellt werden, die auf die unterschiedliche Messung der Dehnung in den Prüfverfahren zurückgeführt wird. Beim Vergleich von Stauch- und Schichtstauchversuch konnte ebenfalls nur eine geringe Abweichung festgestellt werden. Bei der Gegenüberstellung des in der ersten Projektphase entwickelten Berstversuchs mit Stauchversuchen, die einen unterschiedlichen Spannungszustand aufweisen, konnte ein im Durchschnitt um 20 % gesteigertes Fließspannungsniveau beim Zylinderstauchversuch bei einem Umformgrad von 0,4 festgestellt werden. Des Weiteren wurde mit einer Approximationsgleichung und einer Simulation herausgefunden, dass von dieser Differenz 7 % auf die nicht konstante Umformgeschwindigkeit und 4 % auf die auftretende Reibung im Stauchversuch zurückzuführen sind. Es konnte zusätzlich ein pneumatischer Tiefungsversuch konzipiert, konstruiert und in Betrieb genommen werden, der einen sehr ähnlichen Spannungszustand zu dem entwickelten Berstprüfstand aufzeigt. Ein Vergleich der so gewonnenen Daten erbrachte eine um 12 % höhere Fließspannung beim Tiefungsversuch gegenüber dem Berstversuch. Aus der sehr geringen Abweichung kann der Schluss gezogen werden, dass mit dem Berstversuch ein validiertes Prüfverfahren zur Gewinnung von Fließkurven für die Innenhochdruck-Umformung in Bereichen hoher Temperaturen entwickelt werden konnte. Die Abweichung von 20 % zeigt aber auch, dass das Prüfverfahren zur Gewinnung der Fließkurven dem späteren Umformverfahren möglichst ähnlich sein sollte. Des Weiteren konnte festgestellt werden, dass in den Prüfverfahren Effekte auftreten, die einen Einfluss auf die Fließspannung haben und insbesondere bei hohen Temperaturen beachtet werden müssen. Hierzu zählen: keine konstante Umformgeschwindigkeit, auftretende Reibung, keine konstante Temperatur oder die Verwendung von unterschiedlicher Prüftechnik.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- 2008. Warm-Innhochdruck-Umformen von Aluminiumrohren. wt Werkstatttechnik online Jahrgang 98 H.10
Elsenheimer, D.; Taplick, C.; Groche, P.
- 2009. Determination of material properties for hot hydroforming. Prod. Eng. Res. Devel. (2009) 3:165–174
Elsenheimer, D.; Groche, P.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s11740-009-0156-2) - Entwicklung eines Verfahrens zur Untersuchung des Halbzeug- und Materialverhaltens bei der Warm-Innenhochdruck-Umformung. Berichte aus Produktion und Umformtechnik, Band 78, Shaker Verlag, Aachen 2010
Elsenheimer, D.
- 2011. Modeling of the material behaviour during hot hydroforming. Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, 42, No. 8
Elsenheimer, D.; Taplick, C.; Groche P.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/mawe.201100720) - Material Characterization of Aluminium at Elevated Temperatures for Hot Hydroforming, Internationale Konferenz „Hydroumformung von Blechen, Rohren und Profilen“ 2012, Stuttgart, Deutschland
Wießner L.; Groche P.
