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EFB-Forschungsbericht Nr. 055

Temperaturgeführte Prozesssteuerung beim Umformen von Aluminiumblechen

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Dieter Schmoeckel, Institut für Produktionstechnik und Umfrommaschinen der Technischen Universität Darmstadt

148 Seiten (Sw 58 Abb.)

ISBN: 978-3-86776-119-2

Preis (Digital) EUR 59,00

Preis (Print) EUR 66,30

Schlagwörter: Schmierstoff, Diffusion, Aluminiumblechen, Ziehverhältnisse

Zusammenfassung

Das Forschungsvorhaben AiF-Nr. 8482 beschäftigte sich mit dem Tiefziehen von Aluminiumblechen im halbwarmen Temperaturbereich. Dabei sollten die in den vorangegangenen Vorhaben AiF-Nr. 6054 und 7446 gewonnenen Erkenntnisse für einen praktischen Anwendungsfall umgesetzt werden. Im Rahmen der Untersuchungen wurden sowohl Modellziehversuche als auch Realziehversuche durchgeführt. Wesentliches Merkmal bei allen Versuchen war die partielle Erwärmung des Werkstücks.

Die experimentellen Untersuchungen lieferten die folgenden wesentlichen Ergebnisse:

  • Eine praktische Anwendung der Halbwarmumformung beim Ziehen von unregelmäßigen Bauteilen ist möglich und konnte in diesem Vorhaben erfolgreich umgesetzt werden.
  • Es wurde erstmalig das Ziehen von Aluminiumblechen in partiell beheizten Werkzeugen durchgeführt. Es konnte nachgewiesen werden, daß sich gegenüber einem durchgehend erwärmten Werkzeug ein wesentlich besseres Ziehergebnis erreichen läßt.
  • In diesem Vorhaben wurde gezielt der Einluß der Temperatursteuerung auf den Ziehvorgang untersucht. Andere Einflüsse wie ein gesteuerter Niederhalterdruck, ein angepaßter Platinenzuschnitt und Ziehleisten wurden bewußt außer Acht gelassen. Durch diese zusätzlichen konventionellen Maßnahmen kann das Ziehergebnis weiterhin verbessert werden. Es hat sich gezeigt, daß eine temperaturgeführte Prozeßsteuerung konventionelle Ziehhilfen nicht vollständig ersetzen kann und daher eher als ergänzende Maßnahme verstanden werden sollte.
  • Durch eine zusätzliche Preßluftkühlung konnte in den Modellziehversuchen nochmals eine erhebliche Steigerung des Grenzziehverhältnisses erreicht werden. Durch Temperaturmessungen wurde die Effektivität dieser Kühlvorrichtung nachgewiesen. Eine weitere Verbesserung bezüglich der Temperatursteuerung erscheint hier nicht mehr möglich
  • Es wurde aufgezeigt, daß in den Modellziehversuchen Grenzziehverhältnisse bis zu ß0max=3,0 erreicht werden können, wenn zusätzlich mit einem wegabhängig gesteuerten Niederhalterdruck gearbeitet wird. Bei diesem Ziehverhältnis wurde die Grenze der zur Verfügung stehenden Versuchsanlage erreicht.
  • Bei den Realziehversuchen stand keine Preßluftkühlung zur Verfügung. Eine solche Kühlung müßte konstruktiv erheblich aufwendiger als bei den Modellziehversuchen ausgeführt werden, da die Kraftübertragungszone schwieriger zugänglich ist. Es ist aber zu erwarten, daß sich auch hier nochmals eine erhebliche Verbesserung des Ziehergebnisses erzielen läßt. Dies belegen die Temperaturmessungen in der Kraftübertragungszone, die denen aus den Modellziehversuchen ohne Kühlung ähneln.
  • Es hat sich gezeigt, daß in den Realziehversuchen ein lokal unterschiedliches Temperaturprofil eingestellt werden kann, ohne daß in der Umformzone örtlich gekühlt werden mußte. Die so erzielten Temperaturunterschiede von ca. 60°C waren ausreichend groß. Dadurch ist es möglich, den Werkzeugaufbau einfacher ZU gestalten.
  • Bei Temperaturen um 250 °C neigt der verwendete Schmierstoff Platinol 1057 zu Zersetzungserscheinungen. Ein besserer Schmierstoff konnte nicht gefunden werden, so daß diese Temperatur als Obergrenze anzusehen ist. Gerade bei den Realziehversuchen hat sich jedoch gezeigt, daß auch schon bei Maximaltemperaturen von 210 °C vergleichbare Ergebnisse erzielt werden können.
  • Es konnte durch Temperaturmessungen im Blech nachgewiesen werden, daß sich durch ein partiell beheizbares Werkzeug auch im Werkstück lokal unterschiedliche Temperaturen einstellen lassen. Dabei entspricht das Temperaturprofil im wesentlichen dem der Werkzeuge.

Die Anwendbarkeit der Halbwarmumformung von Aluminiumblechen beim Ziehen von unregelmäßigen Bauteilen wurde hier exemplarisch für ein bestimmtes Ziehteil nachgewiesen. Bei Ziehteilen von anderer Geometrie muß das Temperaurfeld an die Bauteilgeometrie angepaßt werden. Dabei können die hier vorgestellten Strategien sicherlich eine Hilfe sein, ein für alle Ziehteile, gültiges Patentrezept konnte jedoch nicht entwickelt werden. Hier ergibt sich ein ähnliches Problem wie auch bei der konventionellen Ziehtechnik Der Vorgang ist so komplex, daß er sich einer einfachen Betrachtung entzieht. Daher muß die Ermittlung eines geeigneten Temperaturfeldes empirisch oder durch Einsatz der Finite-Elemente-Methode geschehen.

Die Halbwarmumformung von Aluminiumziehteilen ermöglicht die Fertigung von Bauteilen, die mit konventioneller Ziehtechnik aus diesem Werkstoff nicht herstellbar sind. Von Seiten der Hochschule konnte nachgewiesen werden, daß das Verfahren grundsätzlich funktioniert. Es liegt jetzt an der Industrie, hier Entwicklungsarbeit zu leisten und eine Übertragung der Ergebnisse durchzuführen.
Die hier vorgestellte Ziehtechnik steckt noch in ihren Anfängen, wie bei jedem neuen Verfahren müssen zunächst Erfahrungen gesammelt werden.

Die partielle Erwärmung macht den Prozeß schwieriger beherrschbar, hier sind also entsprechende Erfahrungen notwendig, um das Verfahren in einer Serienfertigung in den Griff zu bekommen. Derzeit erscheint ein Einsatz des Verfahrens in der Großserienfertigung nicht realistisch. Besonders die durch die Aufheizung der Teile bedingten langen Bearbeitungszeiten erscheinen problematisch. Es wäre jedoch denkbar, das Verfahren zunächst bei der Fertigung von Kleinserien zu testen. Geeignet wären hier besonders Teile, die bei Raumtemperatur schon fast gezogen werden können und bei denen nur noch ein kleiner Schritt getan werden muß.

Das Forschungsvorhaben „Temperaturgeführte Prozesssteuerung beim Umformen von Aluminiumblechen“ wurde unter der Fördernummer AiF. 8482 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. 55 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.

Inhalt

1. Einleitung
2. Problemstellung und Zielsetzung
2.1 Zielsetzung der Ausgangsvorhaben AiF-Nr. 6054 und 7446
2.2 Zielsetzung der Forschungsvorhabens AiF-Nr. 8482
3. Grundlagen der Halbwarmumformung von Aluminiumlegierungen
3.1 Einfluß der Temperatur auf das Fließverhalten
3.2 Einfluß der Temperatur auf das tribologische Verhalten
4. Modellziehversuche
4.1 Grundlagen
4.2 Konzeption und Bau einer zusätzlichen Kühlvorrichtung
4.2.1 Aufbau der Kühlvorrichtung
4.2.2 Temperaturmessungen
4.3 Versuche und Ergebnisse
4.3.1 Aufbau der Versuchsanlage
4.3.2 Festlegung der Versuchsparameter
4.3.3 Versuchsdurchführung und Auswertung
4.3.4 Ergebnisse
4.3.4.1 Einfluß der Temperatur und der Ziehgeschwindigkeit auf den Ziehkraftverlauf
4.3.4.2 Grenzziehverhältnisse
4.3.4.3 Reißkräfte
4.3.4.4 Zusätzliche Maßnahmen
5. Realziehversuche
5.1 Grundlagen
5.2 Konzeption und Bau des Werkzeuges
5.2.1 Temperaturmessung im Werkstück während der Umformung
5.2.2 Aufbau der Werkzeuge
5.3 Versuche und Ergebnisse
5.3.1 Aufbau der Versuchsanlage
5.3.2 Festlegung der Versuchsparameter
5.3.3 V ersuche bei Raumtemperatur
5.3.4 Versuche mit durchgehend erwärmten Werkzeugen
5.3.5 Versuche mit partieller Erwärmung
5.3.5.1 Bestimmung eines geeigneten Temperaturprofils
5.3.5.2 Variierte Parameter
5.3.5.3 Ergebnisse
5.3.5.3.1 Relatives Grenzziehverhältnis
5.3.5.3.2 Ziehkraft
5.3.5.3.3 Temperaturmessungen im Stempelbereich der Platine
5.3.5.3.4 Härte- und Wanddickenverlauf an Pedaltöpfen
6. Zusammenfassung
7. Literaturverzeichnis
8. Abbildungsverzeichnis