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EFB-Forschungsbericht Nr. 322

Optimierung von Vorformgeometrien für das Innenhochdruck-Umformen durch flexibles Walzprofilieren

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Peter Groche, Dipl.-Ing. Falko Vogler, Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen der Technischen Universität Darmstadt

94 Seiten (sw, 74 Abb.)

ISBN: 978-3-86776-358-5

Preis (Digital) EUR 52,00

Preis (Print) EUR 59,00

Zusammenfassung

Durch den Einsatz von Vorformen für das Innenhochdruck-Umformen (IHU) können Formenspektren erweitert und schwer verformbare Materialien eingesetzt werden. Die Herstellung von geschlossenen Profilen mittels flexiblem Walzprofilieren bietet in diesem Zusammenhang die Möglichkeit, querschnittsangepasste Halbzeuge in einem kontinuierlichen Prozess als Vorformen für das IHU herzustellen.

Mögliche Anwendungen für eine derartige Prozesskette finden sich vor allem im Bereich des automobilen Karosserierohbaus. Durch den geschickten Einsatz von IHU-Bauteilen mit extremen Querschnittsunterschieden kann sicherlich ein Beitrag zu leichteren und steiferen Karosserien geleistet werden. Denkbare Bauteile sind insbesondere Säulen, sowie Längsund Querträger.

Beim flexiblen Walzprofilieren wird aus einem ebenen Blechzuschnitt ein U-Profil mit veränderlichem Querschnitt erzeugt. Durch einen konventionellen Walzprofiliervorgang erfolgt das Schließen des Profils zu einem Hohlkörper mit über der Länge erheblich verschiedenen Querschnitten.

Die so umgeformten und mittels Laserschweißen geschlossenen Profile weisen charakteristische Formänderungszustände in den Querschnittsübergängen und den durch Walzprofilieren eingebrachten Biegungen auf. Für diese während der Vorformherstellung verfestigten Bereiche ist für eine zuverlässige Prozessauslegung des IHU mit der Methode der finiten Elemente eine lokale Materialcharakterisierung notwendig. Für die vorliegende Geometrie erwiesen sich Kerbzugproben, hergestellt mit aus der Vorform herausgetrennten Proben, als geeignet, um Aussagen über das Verfestigungsverhalten und die Formänderungsfähigkeit des Werkstoffes zu erhalten.

Neben der lokalen Charakterisierung wurde ein Bauteiltest konzipiert, in welchem die Vorform bis zum Versagen mit Innendruck belastet wird. Dieser Test dient neben Aspekten der Materialcharakterisierung auch der Prüfung der Abbildungsgenauigkeit der FE-Methode für die vorliegende Prozesskette.

Es kann gezeigt werden, dass die eingebrachten Verformungen, Stauchen, Strecken und Biegen, sich unterschiedlich auf das Formänderungspotenzial des Grundwerkstoffes auswirken. Das Grenzformänderungsschaubild als Versagenskriterium kann für verschiedene Bereiche der Vorform lokal angepasst werden. Für das verwendete Material sind kinematische Verfestigungseffekte nachweisbar.

Die Herstellung eines Bauteils in einem IHU-Werkzeug, in welchem maximale Querschnittsunterschiede erreicht werden und typische Formelemente Abbildung finden, zeigt die Schwierigkeiten auf, welche beim Einsatz von Vorformen in der IHU auftreten.

Verschiedene Versagensfälle können aufgezeigt werde, welche auf ungünstige Prozessauslegung oder Fehlannahmen bezüglich der Materialeigenschaften zurückgeführt werden können. Die Anpassung der Werkzeuggeometrie an einer der kritischen Stellen erlaubt schließlich den Nachweis einer erfolgreichen Innenhochdruck-Umformung von mittels flexiblen Walzprofilierens hergestellten Vorformen. Die Ziele des Vorhabens wurden erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Optimierung von Vorformgeometrien für das Innenhochdruck-Umformen durch flexibles Walzprofilieren“ wurde unter der Fördernummer AiF 15542N von der Forschungsvereinigung EFB e.V. über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 322 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Inhalt

1. Zusammenfassung
2. Wirtschaftliche und wissenschaftliche Problemstellung
3. Forschungsziel und Lösungsweg
3.1. Forschungsziel
3.2. Lösungsweg zum Erreichen des Forschungsziels
4. Entwicklung der Vorformherstellung
4.1. Definition der Halbzeuggeometrie
4.2. Prozessauslegung für das flexible Walzprofilieren
4.3. Prozessanpassungen flexibles Walzprofilieren
4.4. Experimentelle Umsetzung des flexiblen Walzprofilierens
4.5. Prozessauslegung Walzprofilieren
4.6. Experimentelle Umsetzung Walzprofilieren
4.7. Schließen des Profils durch Schweißen
5. Bauteilcharakterisierung
5.1. Charakterisierung des Werkstoffes
5.2. Lokale Materialcharakterisierung am Halbzeug
5.3. Kerbzugproben an Elementen der Vorform
5.4. Prozesskettenmodellierung durch Finite-Elemente-Simulation
5.5. Bauteiltest zur Evaluierung der numerischen Simulation
6. Studie zum Biegen der Vorformen
7. Prozessauslegung für das Innenhochdruck-Umformen
7.1. Realisierung verschiedener Dehnungszustände beim IHU
7.2. Auslegung der Steuerkurven für den IHU-Prozess
7.3. Herstellung und Bewertung von Bauteilen durch IHU
8. Empfehlungen zur Prozessauslegung
8.1. Herstellung einer Vorform durch flexibles Walzprofilieren
8.2. IHU Prozessauslegung
9. Wirtschaftliche Bedeutung
10. Literaturverzeichnis