Prozessgrenzenerweiterung des IHU-Presshärtens durch Materialvorverteilung mit axialen Rohrstauchoperationen
Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Martin Dix, M. Sc. Rico Haase, Dipl.-Ing. Markus Werner, Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Chemnitz - Prof. Dr.-Ing. Sebastian Härtel, Dr.-Ing. Artem Alimov, Dr.-Ing. Alexander Sviridov, Fachgebiet Hybride Fertigung, Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg
60 Seiten - 67,00 EUR (sw, 23 teils farbige Abb., 3 Tab.) 
ISBN 978-3-86776-649-4
Zusammenfassung
Die Kombination aus dem Innenhochdruckumformverfahren (IHU) und der Presshärtetechnologie ermöglicht die wirtschaftliche Herstellung von rohr- und profilförmigen Bauteilen mit außerordentlicher Festigkeit und entsprechendem Leichtbaupotential. Das Anwendungsgebiet umfasst derzeit Wellen- und Antriebsbauteile ebenso wie tragende, crashrelevante Strukturbauteile.
Zur weiteren Ausweitung des Anwendungsbereiches ist insbesondere das Umformpotenzial der rohr- bzw. profilförmigen Halbzeuge ein maßgebliches Kriterium. Die Dehnung und somit Wanddickenabnahme wird in longitudinale und tangentiale Anteile untergliedert. Während in der kalten Innenhochdruckumformung ein gezieltes Nachschieben von Material in die Umformzone möglich ist, wird diese Option beim Presshärten durch die geringe Knickfestigkeit der Halbzeuge in Zusammenspiel mit den signifikant höheren Reibkoeffizienten praktisch auf ein Minimum reduziert.
Der in dem Forschungsprojekt umfassend untersuchte Lösungsansatz besteht in einer vorgelagerten Materialverteilung durch axiale Stauchoperationen am noch kalten Halbzeug. Das Zusammenspiel der geometrischen Parameter Rohrdurchmesser und Wanddicke, Knicklänge und Stauchweg sowie die Materialeigenschaften ergeben ein mehrdimensionales Prozessfenster, das eine Vielzahl industrieller Anwendungen und Bauteile abdeckt.
Durch den Einsatz von Stützwerkzeugen wurde eine bisher nicht dargestellte Skalierbarkeit in der gezielten Materialanhäufung als axiales Dehnungsreservoir in der Umformzone erreicht.
Durch eine durchgängig simulativ-experimentelle Prozesskettenbetrachtung wurden Wechselwirkungen zwischen den Bearbeitungsschritten identifiziert und eine exemplarische Auslegungsstrategie aufgezeigt. Anhand einer industriegetriebenen Demonstratorgeometrie konnte das beeindruckende Potenzial des axialen Rohrstauchens zur Vorformgebung von IHU-Presshärtekomponenten auch praktisch nachgewiesen werden.
Durch die deutlich gesteigerte Umfangsdehnung von bis zu 40% werden bisher nicht realisierbare Querschnitte ermöglicht, die insbesondere für die Gestaltung der Profilenden neue Freiräume eröffnen und so zur weiteren Verbreitung des IHU-Presshärtens und dessen Sekundäreffekten wie Materialeinsparung und Leichtbau beitragen.
Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben „Prozessgrenzenerweiterung des IHU-Presshärtens durch Materialvorverteilung mit axialen Rohrstauchoperationen" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 21359BR über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 590 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Summary
The combination of the hydroforming process and press hardening technology enables the economic production of tubular and profile-shaped components with exceptional strength and corresponding lightweight design potential. The field of application currently includes shaft and drive components as well as load bearing, crash-relevant structural components. The forming potential of the tubular or profile-shaped semi-finished products is a decisive criterion to expanded application fields.
The elongation and thus wall thickness reduction is subdivided into longitudinal and tangential components. While in cold hydroforming it is possible to push material into the forming zone selectively, this option is practically reduced to a minimum in press hardening due to the low buckling strength of the semi-finished products in combination with the significantly higher friction coefficients.
The solution comprehensively investigated in the research project consists of a preliminary material distribution through axial compression operations on the still cold semi-finished product. The interaction of the geometric parameters of tube diameter and wall thickness, buckling length and upsetting path as well as the material properties result in a multi-dimensional process window that covers a multitude of industrial applications and components.
By the use of support tools, a scalability in the targeted accumulation of material as an axial strain reservoir in the forming zone was achieved that had not been presented before.
Through a continuous simulative-experimental process chain consideration, interactions between the processing steps were identified and an exemplary design strategy was shown. Using an industrially driven demonstrator geometry, the impressive potential of axial tube upsetting for preforming IHU press hardening components could also be demonstrated in practice.
Due to the significantly increased circumferential elongation of up to 40%, previously unrealisable cross-sections are possible, which open up new spaces especially for the design of the profile ends and thus contribute to the further spread of IHU press hardening and its secondary effects such as material savings and lightweight construction.
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
1 Einleitung
2 Stand der Technik
3 Projektdurchführung
3.1 AP1 Demonstratoren und Werkstoffe
3.1.1 AP1.1 Festlegung von Werkstoffen und Demonstratoren in der Abstimmung mit dem PbA
3.1.2 AP1.2 Konzepterstellung der Demonstratorgeometrie
3.2 AP2 Methoden für die simulative Prozessauslegung
3.2.1 AP2.1 Simulative Untersuchung der Herstellbarkeit unterschiedlicher Vorformen durch axiales Rohrstauchen
3.2.2 AP2.2 FEM-Simulation des IHU-PH auf Basis der Vorformgeometrien
3.2.3 AP2.3 Aufbau einer durchgängigen Prozesssimulation
3.2.4 AP2.4 Übertragung auf nicht-achsensymmetrische Geometrien
3.3 AP3 Entwicklung des axialen Stauchens zur Materialvorverteilung
3.3.1 AP3.1 Werkzeugaufnahme mit definierter Schließposition
3.3.2 AP3.2 Entwicklung von Werkzeugeinsätzen zur Herstellung von axialsymmetrischen und nicht-axialsymmetrischen Vorformen
3.3.3 AP3.3 Versuchsdurchführung und Auswertung
3.4 AP4 Entwicklung der Prozesskette: Axiales Stauchen - IHU-Presshärten
3.4.1 AP4.1 Entwicklung und Fertigung der Werkzeuge und Vorrichtungen für das IHU-PH
3.4.2 AP4.2 Statistische Versuchsplanung
3.4.3 AP4.3 Praktische Ermittlung des Prozessfensters IHU-Presshärten
3.4.4 AP4.4 Geometrische Analyse und Wanddickenverlauf
3.4.5 AP4.5 Metallographische Untersuchungen Härte/ Gefüge
3.5 AP5 Umsetzung der Erkenntnisse und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
3.5.1 AP5.1 Auswertung Ergebnisse und Rückkopplung zur Simulation
3.5.2 AP5.2 Herstellung von Demonstratoren
3.5.3 AP5.3 Wirtschaftliche Betrachtung
4 Ergebnisse und Ausblick
4.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für KMU
5 Literaturverzeichnis
