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EFB-Forschungsbericht Nr. 195

Umformen von Magnesiumfeinblechen mit temperierten Werkzeugen

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Eckart Doege, Dipl.-Ing. Gerrit Kurz, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen der Universität Hannover, Prof. Dr.-Ing. habil. Dr.-Ing. h.c. Gerd Walter, Dipl.-Ing. Thomas Meyer, Institut für Wärmetechnik und Thermodynamik der Technischen Universität Bergakademie Freiberg

81 Seiten (sw 62, teils farbige Abb., 6 Tab)

ISBN: 978-3-86776-150-5

Preis (Digital) EUR 57,00

Preis (Print) EUR 64,20

Zusammenfassung

Es sollten Grundlagen für eine sichere Werkzeug- und Prozessauslegung der temperierten Magnesium-Blechumformung durch Untersuchungen geschaffen werden. Nach einer Bewertung praxistauglicher Heiz- bzw. Kühltechniken für Tiefziehwerkzeuge wurde am Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen (IFUM) der Universität Hannover ein temperiertes Werkzeugsystem gefertigt. Die Konstruktion des Werkzeuges stützte sich auf die am Institut für Wärmetechnik und Thermodynamik (IWTT) der Technischen Universität Bergakademie Freiberg durchgeführte thermische Auslegung.

Im ersten Arbeitsschritt wurden die mechanischen Kennwerte von Magnesium- und Aluminiumlegierungen in Abhängigkeit der Temperatur und der Umformgeschwindigkeit im einachsigen Zugversuch ermittelt. Die Ergebnisse aus diesen Untersuchungen machen deutlich, dass die Fließspannungen der untersuchten Werkstoffe mit steigender Temperatur abnehmen und die Formänderungen bis zum Versagen durch Reißer zunehmen. Dies ist bei Magnesiumlegierungen auf eine thermische Aktivierung weiterer Gleitebenen zurückzuführen.

Zudem fallen die Fließspannungen besonders bei Magnesiumlegierungen bei erhöhten Temperaturen bei zunehmenden Formänderungen nach Erreichen eines Maximums wieder ab, was auf Entfestigungsvorgänge im Werkstoff zurückzuführen ist. Im nächsten Arbeitsschritt wurden einerseits mit bereits vorhandenen Modellwerkzeugen und andererseits mit dem im Rahmen des Forschungsvorhabens angefertigten Werkzeug experimentelle Untersuchungen hinsichtlich des Umformverhaltens von Feinblechen aus Magnesiumknetlegierungen am IFUM durchgeführt.

Die Ergebnisse sowohl aus den Versuchen mit rotationssymmetrischer Stempelgeometrie als auch mit rechteckiger Stempelgeometrie machen deutlich, dass das Grenzziehverhältnis mit zunehmender Temperatur zunächst ansteigt. Dabei ist der Anstieg der Grenzziehverhältnisse bei den untersuchten Magnesiumfeinblechen deutlich stärker ausgeprägt als bei der untersuchten Aluminiumlegierung AlMg4,5Mn0,4 (AA5182). Untersuchungen mit partiell beheizbaren Tiefziehwerkzeugen haben gezeigt, dass die Umformgrenzen mit dieser Art der Werkzeugbeheizung im Vergleich zur homogenen Werkzeugbeheizung deutlich gesteigert werden können. Am IWTT wurde parallel dazu das thermodynamische Gesamtsystem, bestehend aus Werkzeug, Umformmaschine und Umgebung hinsichtlich der auftretenden Wärmeströme analysiert. Aus dem Betrieb der beheizten Werkzeuge und der thermodynamischen FE-Simulation des Systems Werkzeug-Tiefziehpressen wurden abschließend Richtlinien für die praktische Auslegung des Systems Werkzeug, Maschine und Umgebung für das temperierte Tiefziehen von Magnesiumfeinblechen erarbeitet.

Die Ergebnisse machen deutlich, dass sowohl aus wärmetechnischen als auch aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten die Werkzeugbeheizung mittels indirekter Widerstandserwärmung am vorteilhaftesten ist. Weiterhin wird deutlich, dass zur thermischen Trennung von Werkzeug und Maschine neben einer Wärmedämmschicht auch der Einsatz einer Wasserkühlung zur Wärmeabfuhr erforderlich ist. Anhand der thermodynamischen Simulation des Gesamtsystems und durch einen Praxisabgleich konnte für das partiell beheizbare Tiefzeihwerkzeug nachgewiesen werden, dass sich durch eine gute thermische Trennung von beheizten Eck- und gekühlten Seitenbereichen auf der Blechoberfläche in den Eckbereichen eine deutlich höhere Temperatur als in den Seitenbereichen einstellt.

Das Forschungsvorhaben „Umformen von Magnesiumfeinblechen mit temperierten Werkzeugen“ wurde unter der Fördernummer AiF 28ZGB von der EFB e.V finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AIF e.V) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWI) gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 195 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.

Inhalt

1 Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Ziel des Forschungsvorhabens
2 Stand der Technik
2.1 Leichtbaupotential von Magnesium
2.2 Magnesiumblechumformung
3 Untersuchungen zum Umformverhalten von Magnesiumfeinblechen
3.1 Ergebnisse aus den Zugversuchen (DIN EN 10002-5)
3.1.1 Einfluss der Temperatur auf die Fließkurve
3.1.2 Einfluss der Ziehgeschwindigkeit auf die Fließkurve
3.2 Tiefziehversuche mit rotationssymmetrischer Stempelgeometrie (Ø 100 mm)
3.2.1 Einfluss der Temperatur auf die Tiefziehfähigkeit
3.2.2 Einfluss der Ziehgeschwindigkeit auf die Tiefziehfähigkeit
3.3 Tiefziehversuche mit kastenförmigen Stempelgeometrie (220 mm x 110 mm)
3.3.1 Untersuchungen mit homogener Beheizung
3.3.2 Untersuchungen mit partiell unterschiedlicher Beheizung
3.4 Tiefziehversuche mit trapezförmiger Stempelgeometrie (220 mm x 300 mm)
3.5 Temperaturabhängiges Versagensverhalten beim Tiefziehen von Magnesiumblechen
4 Anwenderrichtlinien zum Bau von beheizten Tiefziehwerkzeugen für die Magnesium-Blechumformung
4.1 Beurteilung geeigneter Prinzipien zur Werkzeugbeheizung
4.2 Beurteilung geeigneter Prinzipien zur Reduzierung der Wärmeströme von den beheizten Werkzeugaktivflächen in das Werkzeuggestell
4.3 Auslegung, Konstruktion und Fertigung eines partiell beheizbaren Tiefziehwerkzeugs mit Trapezgeometrie
4.3.1 Beheizungseinrichtung
4.4 Kühlperipherie
4.5 Ermittlung der optimalen Anordnung der Heiz- und Kühlelemente im Werkzeug
4.6 Kostenaufwand zur Beheizung des Tiefziehwerkzeuges
5 Simulation der Wärmeausbreitung
5.1 Prozessablauf der Blechumformung
5.2 Minimierung der Modellgröße
5.3 Thermische Randbedingungen
5.4 Kontaktwärmeübergang zwischen Werkzeug und Magnesiumblech
5.5 Berechnung der Temperaturverteilung im Gesamtsystem
5.6 Überprüfung der Simulationsrechnungen mittels Thermografie
6 Zusammenfassung und Ausblick
6.1 Ergebnisse zum Umformverhalten von Magnesiumfeinblechen
6.2 Ergebnisse zur Simulation der Werkzeugkonzepte
7 Literaturverzeichnis
8 Anhang (Tabellen und Bilder)
8.1 Tabellen
8.2 Bilder