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EFB-Forschungsbericht Nr. 497

Laserunterstütztes Kragenziehen hochfester Bleche

efb497

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Bleck, Dr.-Ing. Christian Haase, M. Sc. Seyedamirhossein Motaman, Institut für Eisenhüttenkunde, RWTH Aachen - Prof. Dr.-Ing. Christian Brecher, Dipl.-Ing. Thomas Storms, M. Sc. Florian Schmidt, Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie Aachen

78 Seiten (sw, 47 teils farbige Abb., 3 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-549-7

Preis (Digital) EUR 51,18

Preis (Print) EUR 64,77

Zusammenfassung

Projektziel war die Erforschung des laserunterstützten Kragenziehens (LuK). Das Kragenziehen ermöglicht die Funktionsintegration in Blechbauteile, indem z.B. ein Gewinde eingebracht oder die zylindrische Krageninnenseite, die zusätzlich gehärtet sein kann, direkt als Führungsfläche für eine Welle genutzt wird. Für die Unternehmen ergeben sich produktionstechnische Vorteile durch Prozessintegration bzw. Prozesskettenverkürzung und den Wegfall von Zusatzbauteilen (z.B. Stanzmuttern oder Lagerbuchsen).

Im Forschungsvorhaben wurden, mittels gefügebasierter Simulation, die beim laserunterstützten Kragenziehen von hochfesten Stahlwerkstoffen (DP1000, 1.4310, SZBS800) auftretenden Mechanismen identifiziert. Durch Mikrostruktursimulation des laserunterstützten Kragenziehprozesses konnten für die verwendeten Werkstoffe Temperaturbereiche mit optimierter Umformbarkeit abgeleitet werden. Weiterhin wurde das LUK experimentell auf einem Grundlagenprüfstand und einer Pressenlinie erforscht.

Durch die Umformung im halbwarmen Zustand können die Prozessgrenzen verschoben, d.h. die maximalen Aufweitverhältnisse gesteigert werden. Durch schnelle und lokale Energieeinbringung mittels Laserstrahl ist das Verfahren in Folge-Prozesse integrierbar und damit energiesparend, da nur ein geringer Teil des Bauteilvolumens direkt vor dem Ziehen erwärmt werden muss.

Im Forschungsprojekt wurde bei den verwendeten Werkstoffen eine Steigerung der Aufweitverhältnisse um bis zu 133% erzielt. Damit können bei gleichem Kragendurchmesser gesteigerte Kragenhöhen, die als Funktionsfläche dienen, realisiert werden.

Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich für Hersteller von Blechbauteilen z. B. Automobilzulieferer, indem das laserunterstützte Kragenziehen sowie die zugehörige Systemtechnik für die industrielle Serienanwendung weiterentwickelt werden. Durch die entwickelten Simulationsmodelle kann der Aufwand bei der Prozessentwicklung verringert werden. Ein weiterer Vorteil kann durch Anschlussforschung zur Schädigungssimulation geschaffen werden.

Das IGF-Vorhaben „Laserunterstütztes Kragenziehen hochfester Bleche" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 18277N 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. 497 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

The aim of the project was to investigate laser-assisted flange forming (LuK). Flange forming enables functional integration in sheet metal components, e.g. by inserting a thread or using the cylindrical inside of the flange, which can also be hardened, directly as a guide surface for a shaft. For the companies, there are technical production advantages through process integration or shortening of the process chain and the elimination of additional mechanical components (e.g. punched nuts or bearing bushes).

In the research project, the mechanisms occurring during laser-assisted flange forming of high-strength steel materials (DP1000, 1.4310, SZBS800) were identified using microstructure-based simulation. By microstructure simulation of the laser-assisted collar drawing process, temperature ranges with optimized formability could be derived for the materials used. Furthermore, the LUK was experimentally investigated on a basic test bench and a press line. The process limits can be shifted, i.e. the maximum expansion ratios can be increased, by forming in the semi-hot state.

Due to fast and local energy input by means of a laser beam, the process can be integrated into subsequent processes and thus saves energy, since only a small part of the component volume has to be heated directly before drawing. In the research project, an increase of up to 133% in the expansion ratios of the materials used was achieved. This allows increased collar heights, which serve as functional surfaces, to be achieved with the same collar diameter.

Application possibilities arise for manufacturers of sheet metal components, e.g. automotive suppliers, by further developing laser-assisted collar drawing and the associated system technology for industrial series application. The simulation models developed can significantly reduce the effort involved in process development. A further advantage can be created by follow-up research for including fracture models into the simulation.

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
Abkürzungsverzeichnis
Formelzeichen
1 Einleitung
1.1 Stand der Forschung und Entwicklung
1.1.1 Hochfeste Stähle
1.1.2 Kragenziehen
1.1.3 Laserunterstützte Blechbearbeitung
1.1.4 Gefügesimulation für thermomechanische Belastung
2 Gegenüberstellung der durchgeführten Arbeiten und des Ergebnisses mit den Zielen
3 Wichtigste wissenschaftlich-technische Projektinhalte
3.1 Anforderungsdefinition & Machbarkeitsnachweis
3.2 Experimentelle Prozessentwicklung Kragenziehen
3.3 Gefüge- und Geometrieuntersuchung
3.4 Mechanische Charakterisierung der erstellten Kragen
3.5 Werkstoffanalyse
3.6 FE-Simulation des Kragenziehens
3.7 Validierung auf industrieller Presse
4 Ergebnisse und Ausblick
4.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für KMU
4.1.1 Wissenschaftlich-technischer Nutzen
4.1.2 Wirtschaftlicher Nutzen
4.1.3 Mikrostruktursimulation
4.1.4 Prozess & System: Laserunterstütztes Kragenziehen
4.2 Anwenderrichtlinie (Merkblatt)
4.3 Ausblick
5 Literaturverzeichnis