Optimierte Vorform- und Prozessführung für das IHU-Presshärten komplexer Geometrien
Verfasser:
Dipl.-Ing. André Albert, Dipl.-Wirtsch.-Ing. Alexander Paul, Prof. Dr.-Ing. Reinhard Mauermann, Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Dresden
114 Seiten - 77,00 EUR (sw, 65 teils farbige Abb., 22 Tab.)
ISBN 978-3-86776-555-8
Zusammenfassung
Im Rahmen der Vorgängerprojekte (AiF 161182BR und 16961BR) wurde die Verfahrenskombination des wirkmedienbasierten Innenhochdruck-Umformens (IHU) und des Presshärtens (PH) mit verschiedenen Werkstoffen durchgeführt. Das IHU-PH wurde dabei erfolgreich getestet. Abhängig von Werkstoff und Temperaturregime konnten bei experimentellen Untersuchungen komplexe Bauteilgeometrien vollständig ausgeformt werden. Hierbei wurden in Abhängigkeit von Radius, Ausgangswanddicke und Werkstoff Wanddickenreduzierungen von bis zu 60 % ermittelt.
Die in diesen Arbeiten ermittelten Erkenntnisse zum IHU-Presshärten zeigen, dass dieses Verfahren ein hohes Potential besitzt, Bauteile in einer Umformstufe mit einem nahezu vollständig durchgehärteten Gefüge herzustellen. Die Projektergebnisse zeigen aber auch Defizite im Stand der Technik auf dem Gebiet der Prozessführung hinsichtlich der Homogenität der Wanddicke in kritischen Radienbereichen und des Fließverhaltens des Werkstoffs bei wechselnden Temperaturregimen in Kombination mit komplexen umzuformenden Bauteilgeometrien. Der Einfluss verschiedener Vorformgeometrien bzw. einer günstigen Materialvorverteilung wurde im Rahmen dieses Projektes untersucht.
Grundlage hierfür bilden die beiden Arbeitshypothesen:
1. Eine günstige Materialvorverteilung (Oberflächenerweiterung) sollte einen für die weitere Ausformung konstanten Abstand zur Gravur aufweisen, um eine homogene Temperaturverteilung während der Umformung zu erreichen.
2. Hohe Dehnraten, welche durch kurze Druckaufbauzeiten verursacht werden, wirken einer starken Ausdünnung während der Umformung entgegen und unterstützen die prozesssichere Ausformung der Bauteilgeometrie.
Ziel des Forschungsprojektes ist die Untersuchung der beiden Hypothesen mit dem Zweck, beide Phänomene zu kombinieren. Es gilt ein Prozessmodell zur Gestaltung optimierter Vorformgeometrien sowie geeigneter Prozessführungsstrategien für das IHU-Presshärten zu entwickeln.
Im Stand der Technik werden die aktuellen Möglichkeiten zum IHU-PH und insbesondere zur Vorformherstellung aufgezeigt. Die zugrundeliegenden beiden o.g. Arbeitshypothesen wurden aufgestellt und ein zielführender Lösungsweg erarbeitet. In Arbeitspaket (AP) eins erfolgt zunächst eine Klassifizierung möglicher IHU-PH-Teile bzgl. potentieller Vorformstrategien. Basierend darauf erfolgten umfangreiche Simulationen bzgl. verschiedener umfangsgleicher Vorformen zur Realisierung eines rechteckigen Bauteilquerschnittes sowie bzgl. verschiedener Prozessstrategien hinsichtlich des Einflusses von Bauteilumfang und Vorformgeometrie auf die Fertigung von Bauteilen mit einem trapezförmigen Querschnitt.
Die Simulationen dienten als Basis für die Auswahl der vielversprechendsten Prozessstrategien. Diese wurden an den trapezförmigen Bauteilen einerseits in AP zwei einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung unterzogen und andererseits in den Arbeitspaketen AP drei (Festlegung der Realversuche und Versuchsplanung mittels DoE für die Testgeometrie), AP vier (Konstruktion sowie Fertigung des Testwerkzeuges und Herstellung der Vorformgeometrien) und AP fünf (experimentelle Untersuchungen von verschiedenen Vorformen sowie Variation der Prozessparameter für die Testgeometrie) experimentell realisiert.
Bei der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung zeigte sich, dass ein separater Prägeschritt als Vorform bei Raumtemperatur günstiger ist, als eine Bauteilumformung beim Schließen des IHU-PH-Werkzeuges zu realisieren. Ursache hierfür ist der erwartete hohe Werkzeugverschleiß beim Vorformen der heißen Teile im IHU-PH-Werkzeug. Die Werkzeuge waren mit Sensorik ausgestattet, um insbesondere Bauteiltemperatur und Innendruckkurven über den gesamten Prozessverlauf detektieren zu können.
Diese Informationen dienten später in AP sieben für den Vergleich der realisierten Bauteile mit den Simulationsergebnissen. Die gefertigten Bauteile wurden in AP sechs hinsichtlich der Zielgrößen Ausformung und Wanddickenreduzierung in den Eckenradien analysiert.
In AP acht erfolgten die Ableitung funktionaler Zusammenhänge und die Erstellung eines empirischen Prozessmodelles. Es wurde festgestellt, dass die Wahl der Prozessstrategie (Durchmesser des Ausgangshalbzeuges, Vorformkonzept) einen großen Einfluss auf die geometrische Querschnittsvorverteilung vor dem IHU-Schritt und damit auch auf die Wanddickenreduzierung der Bauteile in den Radien hat. Die Prozessparameter beim IHU-PH, wie Kalibrierdruck und Druckaufbauzeit) haben hingegen hauptsächlich einen Einfluss auf die Bauteilausformung.
Basierend auf den Ergebnissen wurde gemeinsam mit dem projektbegleitenden Ausschuss (PbA) eine Demonstratorgeometrie für weitere experimentelle Versuche in AP neun festgelegt. Diese hat zusätzlich zum trapezförmigen Querschnitt der bis dato untersuchten Geometrie eine Durchbiegung entlang der Bauteillängsachse sowie wahlweise Domgeometrien im konkaven sowie im konvexen Bauteilbereich. Die Untersuchung der Vorformung für die Realisierung der Durchbiegung des Bauteiles erfolgte beim Schließen des Werkzeuges sowohl mit als auch ohne Innendruck.
Die, nach einem zuvor auf Basis von Desgin of Experimentes (DoE) ausgearbeiteten Versuchsplans, realisierten Bauteile wurden gemessen und in AP zehn hinsichtlich des Einflusses der Prozessparameter auf die Ausformung und Wanddickenreduzierung der Bauteile ausgewertet. Dabei zeigte sich zusätzlich zu den Erkenntnissen aus AP acht, dass insbesondere die Druckaufbauzeit einen signifikanten Einfluss auf die Wanddickenreduzierung der Bauteile hat und bei der gewählten Bauteilgeometrie und Prozessführung nach Möglichkeit maximal 1,5 s betragen soll.
Des Weiteren konnte der Einfluss der geometrischen Querschnittsvorverteilung durch den Vorformprozess auf die Wanddickenreduzierung aufgezeigt werden. Die Projektergebnisse wurden in AP elf zusammengefasst. Dabei wurden insbesondere Aussagen zur Gestaltung geeigneter Vorformgeometrien und Prozessführungsstrategien abgeleitet.
Die Arbeitshypothese eins „Eine günstige Materialvorverteilung sollte einen für die weitere Ausformung konstanten Abstand zur Gravur aufweisen" konnte in AP eins basierend auf Simulationen widerlegt werden. Hypothese zwei „Kurze Druckaufbauzeiten wirken einer starken Ausdünnung während der Umformung entgegen" konnte hingegen bestätigt werden. Das notwendige Wissen und die Erfahrung für die Auslegung von IHU-Presshärteprozessen für Bauteile mit komplexen Geometrien konnte im Projekt intensiv erweitert werden.
Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht.
Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben „Optimierte Vorform- und Prozessführung für das IHU-Presshärten komplexer Geometrien" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 17940BR über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 502 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Summary
The process combination of Hot Metal Gas Forming and Press Hardening (HMGF-PF) with various materials was carried out as part of the predecessor projects (AiF 161182BR and 16961BR). HMGF-PH was successfully realised in this projects. Depending on the material and temperature regime, complex component geometries could be completely formed in experimental investigations. However, the thinning was at a maximum of 60 percent, depending on radius, initial wall thickness and material.
The data on HMGF-PH determined in these studies show that this process has a high potential to produce components in one forming stage with an almost completely hardened microstructure. However, the project results also shows deficits in the state of the art in the field of process control with regard to the homogeneity of the wall thickness in critical radius areas and the flow behaviour of the material under changing temperature regimes in combination with complex component geometries to be formed.
The influence of different preform geometries and a favourable material pre-distribution was investigated within the scope of this project. The two working hypotheses form the basis for this are:
1. A favourable material pre-distribution (surface expansion) should have a constant distance to the engraving for further forming in order to achieve a homogeneous temperature distribution during the forming.
2. High strain rates, which are caused by short pressure build-up times, work against a high thinning during the forming and support the process-safe forming of the component geometry.
The aim of the research project is to investigate the two hypotheses with the aim of combining both phenomena. The aim is to develop a process model for the design of optimized preform geometries and suitable process control strategies for HMGF-PH.
In the state of the art the current possibilities for HMGF-PH and in particular for preforming are shown. The two underlying working hypotheses mentioned above and a goal-oriented solution has been developed. In work package (WP) one, a classification of possible HMGF-PH parts with regard to potential preforming strategies is carried out. Based on this, extensive simulations were carried out regarding different circumferential preforms for the realization of a rectangular component cross-section as well as regarding different process strategies regarding the influence of component circumference and preform geometry on the production of components with a trapezoidal cross-section.
The simulations served as a basis for the selection of the most promising process strategies. On the one hand, these were subjected to an economic feasibility study on the trapezoidal components in WP two, and on the other hand, they were experimentally implemented in the work packages WP three (definition of the real tests and test planning using DoE for the test geometry), WP four (design and manufacture of the test tool and manufacture of the preform geometries) and WP five (experimental investigations of various preforms and variation of the process parameters for the test geometry).
The economic feasibility study showed that a separate embossing step as a preform at room temperature is cheaper than realizing a forming step when closing the HMGF-PH tool. The reason for this is the expected high tool wear when pre-forming the hot parts in the HMGF-PH tool. The moulds were equipped with sensors to detect component temperature and internal pressure curves over the entire process. This information was later used in WP seven to compare the realized components with the simulation results.
The manufactured components were analysed in WP six with regard to the target parameters of shaping and wall thickness reduction in the corner radii. In WP eight, functional correlations were derived and an empirical process model was created.
It was found that the choice of the process strategy (diameter of the starting semi-finished product, preform concept) has a large influence on the geometric cross-sectional pre-distribution before the HMGF-PH step and thus also on the wall thickness reduction of the components in the radii. The process parameters of the HMGF-PH, such as calibration pressure and pressure build-up time, however, mainly have an influence on the component forming.
Based on the results, a demonstrator geometry for further experimental tests was defined in WP nine together with the project-accompanying committee (PbA). In addition to the trapezoidal cross-section of the geometry investigated to date, this has a deflection along the longitudinal axis of the component as well as optional dome geometries in the concave and convex component area. The investigation of the preforming for the realization of the deflection of the component was carried out when the tool was closed, both with and without internal pressure.
The components realized according to a test plan previously developed on the basis of Desgin of Exerimentes (DoE) were measured and evaluated in WP ten with regard to the influence of the process parameters on the shaping and wall thickness reduction of the components. In addition to the results from WP 8, it was shown that the pressure build-up time in particular has a significant influence on the wall thickness reduction of the compo-nents and should, if possible, not exceed 1.5 s for the selected component geometry and process control.
Furthermore, the influence of the geometric cross-sectional pre-distribution through the preforming process on the wall thickness reduction could be demonstrated. The project results were summarized in WP eleven. In particular, statements on the design of suitable preform geometries and process control strategies were derived.
The working hypothesis one "A favorable material pre-distribution should have a constant distance to the engraving for further shaping" could be refuted in WP one based on simulations. Hypothesis two "Short pressure build-up times counteract strong thinning during forming", however, was confirmed. The necessary knowledge and experience for the design of HMGF-PH processes for components with complex geometries could be intensively expanded in the project. The goal of the research project was achieved.
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
Abkürzungsverzeichnis
Formelzeichen
1 Einleitung
1.1 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung
1.2 Wirtschaftliche Bedeutung der angestrebten Forschungsergebnisse für KMU
2 Stand der Technik
2.1 IHU-Presshärten
2.1.1 Literatur
2.1.2 Patentsituation zum IHU-Presshärten
2.2 Vorformherstellung und Einfluss der Vorform auf den IHU-Prozess
2.2.1 Gerade Rohre
2.2.2 Gebogene Rohre
2.2.3 Profil
2.3 Vorgängerprojekte
3 Arbeitshypothesen und Lösungsweg
3.1 Arbeitshypothesen
3.1.1 Hypothese 1
3.1.2 Hypothese 2
3.2 Lösungsweg
4 Ergebnisse
4.1 AP 1: Umformsimulationen der Test-Geometrie für die einzelnen Vorformgeometrien
4.1.1 Bauteilklassifizierung / Vorformkonzepte für komplex geformte IHU-pressgehärtete Bauteile
4.1.2 Simulationsrandbedingungen
4.1.3 Umfangsgleiche Vorformen bei Bauteilen mit geringen Änderungen des Bauteilumfanges über die Rohrlänge
4.1.4 Einfluss des Bauteilumfanges und der Vorformgeometrie bei Bauteilen mit geringen Änderungen des Bauteilumfanges über die Rohrlänge
4.1.5 Fazit
4.2 AP 2: Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen
4.2.1 Vorbetrachtungen
4.2.2 Kostenkalkulation
4.3 AP 3: Festlegung der Realversuche und Versuchsplanung mittels DoE für die Test-Geometrie
4.3.1 Prozessmodell
4.3.2 Festlegung der Einflussfaktoren für die geplanten Versuche
4.3.3 Versuchsplan
4.4 AP 4: Konstruktion sowie Fertigung des Test-Werkzeuges und Herstellung der Vorformgeometrien
4.5 AP 5: Experimentelle Untersuchungen von verschiedenen Vorformen sowie Variation der Prozessparameter für die Test-Geometrie
4.5.1 Werkzeugaufbau
4.5.2 Bauteiltemperaturverlauf
4.5.3 Einfluss der Schweißnahtlage
4.5.4 Durchführung der Versuche gemäß DOE
4.6 AP 6: Analyse der umgeformten Bauteile hinsichtlich der Zielgrößen
4.6.1 Zielgrößen und Vorgehensweise
4.6.2 Messung der Halbzeuge
4.6.3 Messung der Werkzeugkontur
4.6.4 Messung von Wanddicke und Ausformung der Bauteile
4.6.5 Einfluss der Prozessstrategie auf die Zielgrößen
4.7 AP 7: Vergleich der numerischen mit den experimentellen Ergebnissen
4.7.1 maximale Ausdünnung in den Radien
4.7.2 Bauteiltemperaturverlauf beim IHU-Presshärten
4.8 AP 8: Ableitung funktionaler Zusammenhänge und Erstellung eines empirischen Prozessmodells
4.8.1 Einflussfaktoren auf die Bauteilausdünnung
4.8.2 Einflussfaktoren auf ausformbare Eckenradien
4.9 AP 9: Experimentelle Versuche mit einer Demonstratorgeometrie
4.9.1 Vorstellung Demonstratorgeometrie
4.9.2 FEM-Simulation / Prozessauslegung Demonstratorgeometrie
4.9.3 Werkzeugkonstruktion und -fertigung
4.9.4 Versuchsplanung und Durchführung
4.10 AP 10: Analyse der umgeformten Demonstratoren sowie Validierung des Prozessmodells aus AP 8
4.10.1 Vorgehensweise
4.10.2 Auswertung aller Bauteile
4.10.3 Bauteile ohne Dom gesamt
4.10.4 Bauteile ohne Dom im konkaven Bereiche (70° Flankenwinkel)
4.10.5 Bauteile ohne Dom im konvexen Bereiche (100 ° Flankenwinkel)
4.10.6 Bauteile mit Dom im konkav gekrümmten Bereich (unten im Werkzeug)
4.10.7 Bauteile mit Dom im konvex gekrümmten Bereich (oben im Werkzeug)
4.11 AP 11: Aussagen zur Gestaltung geeigneter Vorformgeometrien sowie Prozessführungsstrategien
4.11.1 Prozessstrategie
4.11.2 Vorformgeometrie
4.11.3 Prozessparameter
5 Ausblick: Nutzung und Verwertung der erzielten Forschungsergebnisse
6 Literaturverzeichnis
