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EFB-Forschungsbericht Nr. 493

Fertigung hochfester Aluminiumbauteile durch Umformen unter Abschreckbedingungen

efb493

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, M. Sc. Julia Degner, Lehrstuhl für Fertigungstechnologie der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

90 Seiten (sw, 50 teils farbige Abb., 5 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-545-9

Preis (Digital) EUR 62,00

Preis (Print) EUR 70,00

Zusammenfassung

Das übergeordnete Ziel des Projekts war die Ermittlung eines Prozessfensters für die Verarbeitung hochfester Aluminiumlegierungen in einem kombinierten Abschreck- und Umformprozess, wobei durch eine gezielte Prozessführung die mechanischen Eigenschaften hinsichtlich Festigkeit und Duktilität sowie die Maßhaltigkeit im Vergleich zu konventionellen Prozessketten optimiert werden sollten. Dies wurde erreicht, indem die Prozesseinflüsse systematisch und umfassend identifiziert und analysiert wurden, so dass durch die Integration von Modellierungsansätzen für das Werkstoffverhalten, den Wärmeübergang, die Reibbedingungen und das Auslagerungsverhalten die Abbildungsgenauigkeit der numerischen Umformprozessauslegung und die Vorhersage der finalen Bauteileigenschaften signifikant verbessert wurden.

Im Rahmen des Projekts wurden die hochfesten Aluminiumlegierungen AA6111 und AA7075 mit einer Nennblechdicke von s0 = 2,0 mm untersucht. Nach Charakterisierung des Anlieferungszustands durch Ermittlung der mechanischen Eigenschaften wurden die Einflüsse der Aufheizgeschwindigkeit, der Haltezeit, der Abschreckgeschwindigkeit sowie der Kalt- und Warmauslagerung auf die resultierenden mechanischen Eigenschaften untersucht und somit ein Prozessfenster für die Verarbeitung ausscheidungshärtbarer Aluminiumlegierungen in einem kombinierten Umform- und Abschreckprozess generiert.

Ferner wurde das temperatur- und dehnratenabhängige Fließverhalten der Werkstoffe mithilfe eines thermomechanischen Simulators charakterisiert und darauf basierend ein geeignetes Modell zur Abbildung des Werkstoffverhaltens identifiziert. Ferner wurde auf Basis von Abschreckversuchen mithilfe eines Plattenwerkzeugs der Wärmeübergang von Werkstück zu Werkzeug untersucht und daraus druckabhängige Wärmeübergangskoeffizienten ermittelt und mit geeigneten Modellen approximiert. Die Eignung unterschiedlicher Schmierstoffe für den Einsatz in einem kombinierten Umform- und Abschreckprozess wurde anhand des Napfzugversuchs geprüft und eine Bewertungsmatrix aufgestellt.

Des Weiteren wurden auf Basis der resultierenden Kraft-Weg-Verläufe Reibzahlen ermittelt. Schließlich dienten die experimentell ermittelten Daten dem Aufbau einer thermo-mechanisch gekoppelten Simulation, welche die Modellprozesse Tiefziehen, zur Herstellung eines Rundnapfes, sowie eine biegedominierte Umformung zur Herstellung eines U-Profils abbildete. Eine unabhängige Validierung fand anhand der resultierenden Blechdicke, der Prozesskräfte sowie des Temperatur-Zeit-Verlaufs durch Abgleich der simulativen Ergebnisse mit Realbauteilen beziehungsweise den realen Prozessen statt. Die Übertragbarkeit der Ergebnisse wurde schließlich durch die Auslegung, Herstellung und Analyse eines seriennahen Demonstrators nachgewiesen.

Die im Rahmen des Projekts erzielten Erkenntnisse sowie die angewandte Methodik können zukünftig übernommen werden, um Warmumformprozesse zur Herstellung hochfester Aluminiumbauteile unter Abschreckbedingungen auszulegen. Das im Rahmen des Projekts gesetzte Forschungsziel wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Fertigung hochfester Aluminiumbauteile durch Umformen unter Abschreckbedingungen" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 18945N 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. 493 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

The overall objective of the project was the identification of a process window for the pro-cessing of high-strength aluminum alloys in a combined quenching and forming process, whereby the mechanical properties with regard to strength and ductility as well as the dimensional accuracy should be optimized in comparison to conventional process chains by means of targeted process control. This was achieved by systematically and comprehensively analyzing the process influences so that the modeling accuracy of the numerical forming process design and the prediction of the final component properties were significantly improved by the integration of modeling approaches with respect to material behavior, heat transfer, friction conditions and aging behavior.

Within the project, the high-strength aluminum alloys AA6111 and AA7075 with a nominal sheet thickness of t0 = 2.0 mm were investigated. After characterizing the as-received state by determining the mechanical properties, the influences of the heating rate, holding time, quenching rate and aging at room temperature as well as under elevated temperatures on the resulting mechanical properties were investigated, thus generating a process window for processing precipitation-hardenable aluminum alloys in a combined forming and quenching process.

In addition, the temperature and strain rate-dependent flow behavior of the materials was characterized using a thermomechanical simulator and, based on this, a suitable model for modeling the material behavior was identified. Furthermore, the heat transfer from workpiece to tool was investigated on the basis of quenching tests with the help of a quenching tool and thus, pressure-dependent heat transfer coefficients were determined and approximated with suitable models. The qualification of different lubricants for use in a combined forming and quenching process was tested by the cup deep drawing test and a rating matrix was set up. Furthermore, friction coefficients were determined on the basis of the resulting force-displacement curves.

Finally, the experimentally determined data were used to set up a thermo-mechanically coupled simulation, which modeled the forming processes for the manufacturing of a cylindrical cup and a bending-dominated forming process for the manufacturing of a hat-profile. An independent validation took place on the basis of the resulting sheet thickness, the process forces as well as the temperature-time-course by comparison of the simulative results with real components and processes. The transferability of the results was finally demonstrated by the design, manufacturing and analysis of a near-series demonstrator.

The findings of the project as well as the applied methodology can be adopted in the future to design hot forming processes for the production of high-strength aluminum components under quenching conditions. The research objectives set in the project have been achieved.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
Formelzeichen
Einleitung
1 Stand der Technik und Forschung
1.1 Ausscheidungshärtbare Aluminiumlegierungen der 6000er und 7000er Serie
1.2 Umformen von Aluminiumlegierungen bei erhöhten Temperaturen
1.3 Umformen unter Abschreckbedingungen
2 Zielsetzung und Lösungsweg
3 Werkstoffe und Prüfverfahren
3.1 Versuchswerkstoffe und Werkstoffcharakterisierung
3.1.1 Versuchswerkstoffe
3.1.2 Werkstoffcharakterisierung
3.2 Prüfverfahren
3.2.1 Prüfverfahren zur Ermittlung des temperatur- und dehnratenabhängigen Fließverhaltens
3.2.2 Prüfverfahren zur Ermittlung des Wärmeübergangs
3.2.3 Prüfverfahren zur Umformung der Werkstoffe
4 Ermittlung eines Prozessfensters für das Umformen unter Abschreckbedingungen
4.1 Ermittlung des Einflusses der Wärmebehandlungs- und Abschreckbedingungen auf die mechanischen Eigenschaften
4.1.1 Variation der Aufheiz- und Abschreckgeschwindigkeiten
4.1.2 Variation der Haltedauer während des Lösungsglühens
4.1.3 Untersuchung der Warmauslagerungsfähigkeit
4.2 Untersuchung des Wärmeübergangs
4.2.1 Ermittlung des Temperatur-Zeit-Verlaufs bei variierendem Anpressdruck
4.3 Fazit
5 Charakterisierung des Umformverhaltens bei erhöhten Temperaturen
5.1 Ermittlung des temperatur- und dehnratenabhängigen Fließverhaltens
5.2 Modellierung des temperatur- und dehnratenabhängigen Fließverhaltens
5.3 Fazit
6 Ermittlung geeigneter Schmierstoffe für das Umformen unter Abschreckbedingungen
6.1.1 Bewertung von Schmierstoffen im Napfzugversuch
6.1.2 Analytische Berechnung von Reibzahlen
6.1.3 Ermittlung des Einflusses des Schmierstoffs auf den Wärmeübergang
6.2 Fazit
7 Untersuchung des Abkühlverhaltens im Realprozess
7.1 Herstellung und Charakterisierung eines U-Profils unter Abschreckbedingungen
7.2 Fazit
8 Numerische Abbildung von Modellprozessen
9 Realteilabpressung und Validierung der Prozessmodelle
9.1 Mechanische Validierung
9.2 Thermische Validierung
9.3 Fazit
10 Auslegung, Herstellung und Analyse eines seriennahen Demonstratorbauteils
10.1 Aufbau des Simulationsmodells
10.2 Herstellung eines seriennahen Demonstratorbauteils
10.3 Fazit
11 Anwenderleitfaden
11.1 Leitfaden für die Wärmebehandlung der Aluminiumlegierungen AA6111 und AA7075
11.2 Leitfaden für die Auslegung eines kombinierten Umform- und Abschreckprozesses
12 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für KMU
13 Literatur