Presshärten in wirkmedienbasierten Umformprozessen II
Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Welf-Guntram Drossel, Dipl.-Wirt.-Ing. Alexander Paul, Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Chemnitz
220 Seiten - 94,00 EUR (sw, 223 teils farbige Abb., 47 Tab.)
ISBN 978-3-86776-433-9
Zusammenfassung
Im Rahmen des Projektes wurde das IHU-Presshärten mit verschiedenen Werkstoffen, darunter 22MnB5, 26MnB5, 34MnB5, LH®800 und MW1000L durchgeführt. Die Verfahrenskombination des
wirkmedienbasierten Presshärtens wurde für verschiedene Demonstratorgeometrien mit unterschiedlichen Werkstoffen erfolgreich getestet. Dabei wurden Festigkeiten in Abhängigkeit des Werkstoffes von 1.150 N/mm² bis zu 1.870 N/mm² bei sehr hohen Formgenauigkeiten erzielt. Abhängig von Werkstoff und Temperaturregime konnten bei experimentellen Untersuchungen komplexe Bauteilgeometrien mit Innendrücken zwischen 20 – 70 MPa vollständig ausgeformt werden, was etwa einem Drittel des Innendruckes für vergleichbare Geometriemerkmale bei Raumtemperatur entspricht.
Weiterhin wurden im Kapitel theoretische Grundlagen mögliche Werkzeug- bzw. Halbzeugwerkstoffe sowie Werkzeug- bzw. Halbzeugbeschichtungen für das IHU-Presshärten erarbeitet und Empfehlungen für die Praxis abgeleitet. Ein wichtiger Schwerpunkt war die numerische Betrachtung des Umformprozesses. Mit Hilfe der thermo-mechanisch gekoppelten FEM-Simulation war eine Abschätzung der Prozessparameter möglich, zeigte aber im gleichen Zuge die Komplexität des Simulationsmodells auf. In den praktischen Versuchen konnte mittels innovativer Werkzeugtechnik die Umsetzbarkeit des IHU-Presshärtens nachgewiesen werden. Gleichzeitig wurden durch eine gezielte Temperierung des Versuchswerkzeugs bzw. der Rohrhalbzeuge Bauteile mit definierten Festigkeitseigenschaften hergestellt. Durch den Einsatz angepasster Messtechnik konnten Parameter wie die Werkzeugtemperatur und die Bauteiltemperatur vom Einlegen des Bauteils bis zur Entnahme prozesssicher erfasst werden.
Mittels statistischer Versuchsplanung wurde ein analytisches Modell entwickelt, welches die funktionellen Zusammenhänge zwischen Eingangsgrößen (Werkzeugtemperatur, Druckaufbaugeschwindigkeit, maximaler Innendruck, Ofentemperatur) und Ausgangsgrößen (Härte, Bauteilradien, Bauteilversagen) beschreibt. Der IHU-Presshärte-Prozess lässt sich robust führen, was anhand der mit hoher Wiederholgenauigkeit reproduzierbaren Bauteileigenschaften (Festigkeit, Härte, Formgenauigkeit) nachweisbar ist. Die Herstellung von Bauteilen mit gleicher Güte kann gewährleistet werden. Hierbei ist jedoch darauf zu achten, dass sowohl Umformdruck als auch Ofentemperatur richtig ausgewählt werden.
Die in dieser Arbeit ermittelten Daten zum IHU-Presshärten zeigen, dass dieses Verfahren ein hohes Potential besitzt, Bauteile in einer Umformstufe herzustellen, die Dehnungen über 60 Prozent aufweisen dürfen und ein nahezu vollständig durchgehärtetes Gefüge haben. Weiterhin wurde der Einfluss der Ofentemperatur auf den Gefügezustand ermittelt. Bei einer Ofentemperatur von größer 985 °C tritt bei gleicher Haltezeit ein Korngrößenwachstum ein.
Eine abschließende Kostenkalkulation lieferte das Ergebnis, dass das Verfahren im Vergleich zu mehrstufigen IHU-Prozessen wirtschaftlich arbeiten kann. Es können Kosteneinsparpotenziale bis zu 15 Prozent erreicht werden.
Die Ergebnisse des Projekts bilden eine breite wissenschaftliche Basis für die Anwendung dieser innovativen Umformtechnologie in der Praxis. Die Ergebnisse sind durchweg positiv und versprechen für die Zukunft eine Technologie, die zur Erfüllung der Leichtbauziele und zu CO2-Reduzierungen der Anwender, einen hohen Beitrag leisten kann. Im Rahmen der bisherigen Untersuchungen wurden Verfahrensgrenzen detektiert sowie Prozessparameter optimiert und in Verbindung mit der numerischen Prozessauslegung verifiziert.
Das Ziel des Forschungsvorhabens, der Nachweis der Einhaltung der Formgenauigkeiten sowie der Feststellung und Eingrenzung erforderlicher Prozessparameter bzw. Randbedingungen am Beispiel eines mehrfach gebogenes Demonstratorbauteiles, wurde erreicht.
Das IGF-Vorhaben „Presshärten in wirkmedienbasierten Umformprozessen II“ wurde unter der Fördernummer AiF 16961BR von der Forschungsvereinigung EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 390 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Inhaltsverzeichnis
1 Abbildungsverzeichnis
2 Tabellenverzeichnis
3 Einleitung
4 Stand der Technik
4.1 Innenhochdruck-Umformung
4.2 Presshärten und temperierte Innenhochdruck-Umformung
4.3 Werkzeugheizung
4.4 Werkzeugkühlung
4.5 Temperaturmessung
5 Problemstellung und Arbeitsprogramm
6 Theoretische Grundlagen
6.1 Abdichtungstechnik
6.2 Werkstoffe für das IHU-Presshärten
6.2.1 Werkzeug-Werkstoffe
6.2.2 Halbzeug-Werkstoffe
6.3 Aufheizmöglichkeiten
6.3.1 Gasofen
6.3.2 Elektroofen mit mittelbarer Widerstandserwärmung
6.3.3 Elektroofen mit unmittelbarer Widerstandserwärmung
6.4 Beschichtung
6.4.1 Werkzeug-Beschichtung
6.4.2 Halbzeug-Beschichtung
7 Numerische Betrachtung IHU-Presshärten
7.1 Thermische und mechanische Kennwertermittlung
7.1.1 34MnB5
7.1.2 22MnB5
7.1.3 LH®800
7.1.4 MW1000L
7.2 Zyklisch thermo-mechanisch gekoppelte 2D-Simulation am Demonstrator DP2
7.2.1 Aufbau Modell
7.2.2 Auswertung Einschwingverhalten
7.3 Thermo-mechanisch gekoppelte 3D-Simulation am Demonstrator DP2
7.3.1 Aufbau Modell
7.3.2 Auswertung Temperaturverteilung im Bauteil
7.3.3 Auswertung plastischer Vergleichsumformgrad
7.3.4 Auswertung des Wanddickenverlaufes
7.3.5 Auswertung Werkzeugtemperatur
8 Anlagen- und Werkzeugtechnik
8.1 Anlagen- und Sicherheitstechnik
8.2 Werkzeugtechnik
8.2.1 Aufbau Test-Werkzeug DP2
8.2.2 Implementierung Sensortechnik
8.2.3 Implementierung Kühlung
8.2.4 Implementierung Temperierung
9 Bestimmung Prozessparameter am Demonstrator DP2
9.1 Versuchsvorbereitung und -durchführung
9.2 Einflussgrößen auf den IHU-Presshärteprozess
9.3 Screening Plan LH®800
9.3.1 Versuchsplanung
9.3.2 Analyse Bauteilversagen und Betrachtung der Versagenswahrscheinlichkeit
9.3.3 Härteverlauf
9.3.4 Härte im kleinen Radius – Zone 4
9.3.5 Härte im ebenen Bereich – Zone 3
9.3.6 Formgenauigkeit
9.3.7 Wanddickenverlauf
9.4 Faktorieller Plan 22MnB5
9.4.1 Versuchsplanung
9.4.2 Analyse Bauteilversagen und Betrachtung Versagenswahrscheinlichkeit
9.4.3 Härteverlauf
9.4.4 Härte im kleinen Radius – Zone 4
9.4.5 Härte im ebenen Bereich – Zone 3
9.4.6 Formgenauigkeit
9.4.7 Wanddickenverlauf
9.5 CCD LH®800
9.5.1 Versuchsplanung
9.5.2 Härteverlauf
9.5.3 Formgenauigkeit - Response surface for Rmin
9.5.4 Formgenauigkeit - Response surface for Rmax
9.5.5 Wanddickenverlauf
9.6 Wiederholgenauigkeit IHU-Presshärten
9.7 Ermittlung der mechanischen Kennwerte nach der Umformung für 22MnB5, 34MnB5, LH®800, MW1000L
9.8 Rückkopplung mit den Experimenten
9.9 Prozessüberwachung
9.9.1 Bestimmung der Bauteiltemperatur beim Handling
9.9.2 Bestimmung der Bauteiltemperatur während der Umformung
9.9.3 Ermittlung der Werkzeugtemperatur während der Umformung
10 Analyse der Formgenauigkeit am Demonstrator B16
10.1 Versuchsplanung
10.2 Versuchsdurchführung
10.3 Formgenauigkeit
10.4 Härte und Wanddicke
10.5 Gefüge
10.5.1 BT16-20-2, 865 °C – 50 MPa
10.5.2 BT16-20-6, 900 °C – 65 MPa
10.5.3 BT16-20-14, 985 °C – 50 MPa
10.5.4 BT16-20-24, 1070 °C – 65 MPa
10.5.5 BT16-20-26, 1105 °C – 50 MPa
10.5.6 Messung der Entkohlungsschicht
11 Einstellung von gradierten Bauteileigenschaften am Demonstrator DP2
11.1 Temperiertes Werkzeug
11.1.1 Versuchsplanung und -durchführung
11.1.2 Härteverlauf
11.1.3 Wanddickenverlauf
11.1.4 Gefüge
11.2 Partielle induktive Erwärmung
11.2.1 Versuchsplanung und -durchführung
11.2.2 Prozessfenster
11.2.3 Temperaturprofil
11.2.4 Formgenauigkeit
11.2.5 Härteverlauf
12 Betrachtung der Wirtschaftlichkeit und der Sicherheit / Prozessrichtlinien
12.1 Vorbetrachtungen
12.2 Kostenkalkulation
12.3 Sicherheitsbetrachtung
12.4 Prozessrichtlinien
13 Nutzung und Verwertung der erzielten Forschungsergebnisse
13.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse
14 Innovativer Beitrag der erzielten Ergebnisse
15 Literaturverzeichnis
