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EFB-Forschungsbericht Nr. 463

Qualifizierung der impulsmagnetischen Umformung zur Herstellung komplexer Bauteile aus Magnesium-Legierungen

efb463

Verfasser:
Prof. Dr. h. c. Dr.-Ing. Eckart Uhlmann, Dr.-Ing. Lukas Prasol, Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb, Fachgebiet Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik der Technischen Universität Berlin

70 Seiten (sw, 22 teils farbige Abb., 7 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-513-8

Preis (Digital) EUR 46,76

Preis (Print) EUR 58,88

Zusammenfassung

Im Rahmen des IGF-Forschungsvorhabens 18443N1 „Qualifizierung der impulsmagnetischen Umformung zur Herstellung komplexer Bauteile aus Magnesiumlegierungen" wurde ein geeigneter Versuchsstand konzipiert, wodurch die Untersuchung des Werkstoffversagens im Belastungszustand der ebenen Dehnung bei impulsmagnetischer Umformung ermöglicht wird. Grundsätzlich weisen metallische Werkstoffe die minimal erträgliche Belastung im ebenen Dehnungszustand auf, sodass hieraus geschlussfolgert wird, dass beim Überschreiten dieses Wertes, ohne Werkstoffversagen, ein gesteigertes Formänderungsvermögen des Werkstoffs gegeben ist. Die hierbei erzielten Ergebnisse zeigen das Potenzial der impulsmagnetischen Umformung der Magnesiumlegierung AZ31 bei Raumtemperatur TR = 20 °C. Es wurde eine Steigerung des Formänderungsvermögens um ca. 60 %, dargestellt durch die Hauptformänderung φ1 ≈ 0,12, gegenüber der quasi-statischen Umformung bei Raumtemperatur TR = 20°C im Belastungszustand der ebenen Dehnung erzielt [UHL14, UHL16, PRA17]. Der quasi-statische Vergleichswert φ1 ≈ 0,045 wurde unter Verwendung des NAKAJIMA-Tests ermittelt.

Die grundsätzliche Übertragbarkeit der Grundlagenergebnisse auf industriell relevante Bauteile wurde anhand der Umformung einer definierten Komponente der Firma HANS BERG GMBH & CO. KG, Mitglied im Projektbegleitenden Ausschuss (PbA), vorgenommen. Dieses Bauteil wird gegenwärtig in sieben Fertigungsschritten gefertigt. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden die Machbarkeitsgrenzen der impulsmagnetischen Fertigung in einem Fertigungsschritt untersucht, wobei die Zielkontur in einem Fertigungsschritt nicht vollständig gefertigt werden konnte.

Der gesamte impulsmagnetische Umformprozess wurde numerisch untersucht. Die numerische Optimierung aller Einflussparameter erfolgte in einem geeigneten FE Modell. Die Validierung der numerischen Ergebnisse erfolgte an einem experimentellen Versuchsstand [PRA16, UHL16, PRA17]. Die industrielle Nutzbarkeit der impulsmagnetischen Blechumformung der Magnesiumlegierung AZ31 ist für sphärige, respektive kugelige Konturen besonders geeignet. Die fertigungstechnische Erzeugung kleiner Radien ist nicht realisierbar. Abweichend zur Ausgansgeometrie mit einem Innendurchmesser d = 60 mm, einer Werkstückhöhe hM,Z = 14,8 mm und einem Ziehkantenradius rZ = 1,5 mm, wurde eine maximale Werkstückhöhe hM,Z = 10,8 mm bei einem Ziehkantenradius rZ = 6 mm realisiert.

Die gesamte Prozesszeit inklusive Vor- und Nachbearbeitung beträgt beim impulsmagnetischen Umformen tP = 23 s und ermöglicht die Realisierung hoher Taktzeiten im Vergleich zum beheizten Tiefziehen, tP = 46 s, wodurch eine Ausbringungsmenge von 156 Stück/h beim impulsmagnetischen Umformen möglich ist. Hierzu wurde die prinzipielle Implementierung in eine Fertigungsprozesskette vorgenommen. Der impulsmagnetische Blechumformprozess hat eine intensive thermische Belastung der Werkzeugspule zur Folge, welche ein mechanisches Versagen dieser zur Folge hat. Diesbezüglich wurde eine simulative thermische Untersuchung der Werkzeugspule durchgeführt, welche aufzeigt, dass bei einer Taktzeit tP = 23 s der Aspekt einer kritischen, thermischen Erwärmung beim kombinierten Einsatz von drei Werkzeugspulen vernachlässigt werden kann.

Anhand der erzielten Ergebnisse erfolgte eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung des impuls-magnetischen Umformprozesses bei Raumtemperatur TR = 20 °C mit einem quasi-statischen, beheizten Umformprozess. Die quantitative Bewertung des gesteigerten Formänderungs-vermögens der Magnesiumlegierung AZ31 bei Raumtemperatur TR = 20 °C zeigt, dass hierdurch – Vergleich von je einem Zug – eine Kostenersparnis von 0,36 €/Stück möglich ist.

Das IGF-Vorhaben „Qualifizierung der impulsmagnetischen Umformung zur Herstellung komplexer Bauteile aus Magnesium-Legierungen" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 18443N1 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. 463 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

The main focus of the IGF research project 18443N1 „Qualifizierung der impulsmag-netischen Umformung zur Herstellung komplexer Bauteile aus Magnesiumlegierungen" was to investigate the material behavior of magnesium alloy AZ31 in load condition of plane strain at pulse magnetic forming. In general, metallic materials exhibit the minimal load in plane strain state. So it is concluded if this value is exceeded an increased formability of the material without material failure occurs. The project results show the potential of the pulse magnetic forming of the magnesium alloy AZ31 at room temperature TR = 20 °C. A significant increase of formability of 60 % was achieved, compared to quasi-static forming at room temperature TR = 20 °C. The formability, describe by major strain φ1, achieves at pulse magnetic forming φ1 ≈ 0.12 in comparison to quasi-static forming φ1 ≈ 0.045 [UHL14, UHL16, PRA17]. Quasi-static values were identified by NAKAJIMA test.

The transferability of the achieved results to industrial relevant components was carried out by forming a well-defined component of HANS BERG GMBH & CO. KG, member of the project accompanying committee. This component is currently manufactured in seven production steps. Within the scope of the research project, the feasibility limits of pulse magnetic production were investigated in one production step. The target contour of the well-defined component could not be completely manufactured.

The entire pulse magnetic forming process was numerically estimated. The numerical optimization of all influencing parameters was testified by using a suitable FE model. The numerical results were validated in an experimental setup [PRA16, UHL16, PRA17]. The industrial usability of the pulse magnetic sheet metal forming of the AZ31 magnesium alloy is particularly suitable for spherical contours. Production of small radii is not feasible. A maximum work piece height hM,Z = 10.8 mm with a drawing edge radius rZ = 6 mm was manufactured, in comparison with the starting geometry with an inner diameter d = 60 mm, workpiece height hM,Z = 14.8 mm and a drawing edge radius rZ = 1.5 mm.

The entire process time tP, including pre-processing and post-processing, is tP = 23 s during pulse magnetic forming and enables the realization of high cycle times compared to heated deep-drawing, tP = 46 s. For this purpose, the basic implementation was carried out in a production process chain. The pulse magnetic sheet metal forming process results in an intensive thermal load on the tool coil, which can result in a mechanical failure of the tool coil. In this respect, a simulative thermal examination of the tool coil was carried out, which shows that the aspect of a critical thermal heating can be neglected at cycle time tP = 23 s using three tool coils combined.

On the basis of the achieved results, a profitability analysis of the pulse magnetic forming process at room temperature TR = 20 °C with quasi-static, heated forming process was done. The quantitative evaluation of the increased formability of the magnesium alloy AZ31 at room temperature TR = 20 °C allows cost savings of 0.36 €/piece in comparison to heated deep-drawing.

Inhaltsverzeichnis

Formel- und Kurzzeichen
Formelzeichen Lateinisch
Formelzeichen Griechisch
Kurzzeichen
Abbildungen und Tabellen
Abbildungen
Tabellen
1 Motivation
2 Zusammenfassung
3 Stand der Erkenntnisse
4 Durchgeführte Arbeiten und Ergebnisse im Berichtszeitraum
4.1 „Ermittlung der umformtechnischen Randbedingungen"/ Arbeitspaket 1
4.1.1 Durchgeführte Arbeiten
4.1.2 Erzielte Ergebnisse
4.2 „Simulation und Konzeption einer der Bauteilgröße angepassten Flachspule"/ Arbeitspaket 2
4.2.1 Erzielte Ergebnisse
4.3 „Konzeption und Konstruktion eines Demonstratorbauteils"/ Arbeitspaket 3
4.3.1 Durchgeführte Arbeiten
4.3.2 Erzielte Ergebnisse
4.4 „Simulation des Umformprozesses mit dem Ziel der Parameteroptimierung"/ Arbeitspaket 4
4.4.1 Durchgeführte Arbeiten
4.4.2 Erzielte Ergebnisse
4.5 „Versuchsdurchführung und -auswertung"/ Arbeitspaket 5
4.5.1 Durchgeführte Arbeiten
4.5.2 Resümee
4.5.3 Erzielte Ergebnisse
4.6 „Standzeituntersuchung der Flachspule"/ Arbeitspaket 6
4.6.1 Durchgeführte Arbeiten
4.6.2 Erzielte Ergebnisse
4.7 „Prinzipielle Implementierung in Produktionsketten"/ Arbeitspaket 7
4.7.1 Durchgeführte Arbeiten
4.7.2 Erzielte Ergebnisse
4.8 „Wirtschaftlichkeitsbetrachtung, verglichen mit dem Tiefziehen"/ Arbeitspaket 8
4.8.1 Durchgeführte Arbeiten
4.8.2 Fixkosten
4.8.3 Variable Kosten
4.8.4 Erzielte Ergebnisse
5 Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit
6 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der erzielten Ergebnisse insbesondere für KMU
6.1 Innovativer Beitrag und ihre industrielle Anwendungsmöglichkeit
Literaturverzeichnis