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EFB-Forschungsbericht Nr. 271

Lebensdauerorientierte Festigkeitsauslegung von Umformwerkzeugen zur Innenhochdruck-Umformung

EFB271.jpg

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Peter Groche, Dipl.-Ing. Dirk Elsenheimer, Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen der Technischen Universität Darmstadt, Prof. Dr.-Ing. Christina Berger, Dr. Bruno Kaiser, Staatliche Materialprüfungsanstalt Darmstadt, Fachgebiet und Institut für Werkstoffkunde der Technischen Universität Darmstadt

109 Seiten (sw 86 Abb., 17 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-304-2

Preis (Digital) EUR 58,00

Preis (Print) EUR 65,00

Zusammenfassung

Gesamtziel des Projektes AiF 14351 N „Lebensdauerorientierte Festigkeitsauslegung von Umformwerkzeugen zur Innenhochdruck-Umformung“ war es, dem Konstrukteur von IHU-Werkzeugen eine Auslegungsstrategie zur Verfügung zu stellen.

Ergebnis einer Recherche zum Stand der Technik war, dass neben Erfahrung bzw. Empirie, rechnerische Methoden zur Anwendung kommen. Die hierbei gängigste Methode ist die so genannte „FKM-Richtlinie Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile aus Stahl, Eisenguss- und Aluminiumwerkstoffen“.

In einem darauf folgenden Projektschritt wurde, basierend auf einer realen Werkzeuggeometrie zur Innenhochdruck-Umformung hohlförmiger Halbzeuge in der Großserie, eine für IHU-Werkzeuge typische Belastungssituation ermittelt.

Basierend auf den Ergebnissen des vorhergegangenen Schrittes wurden Probekörper konstruiert. Es wurden eine Hohlprobe zur Belastung mit Innendruck sowie eine Kerbprobe zur Vierpunktbiegung realisiert.

Die Fertigung der Hohlproben war extrem zeit- und kostenintensiv. Außerdem fielen für die Prüfung erhebliche Kosten an. Daher erfolgte die Fertigung einer Serie von 25 Prüfkörpern, während die weiteren Versuche an reinen Biegeproben fortgesetzt wurden. Die Erwartung war, dass die Versuchsergebnisse vergleichbar sein würden. Die Ergebnisse der Versuche an den Hohlproben zeigten jedoch unerwartet niedrige Lebensdauern, sowohl im Vergleich zu den Biegeproben aus dem gleichen Werkstoff als auch im Vergleich zu Berechnungen. Diese Abweichungen konnten im Rahmen dieses Projektes nicht abschließend erklärt werden. Die Ergebnisse anderer Forschungsvorhaben legen jedoch den Schluss nahe, dass eine reine Biegeprüfung mit gleicher Vergleichsspannung wie die nachgebildete Geometrie verwertbare Ergebnisse erzielt. Daher muss davon ausgegangen werden, dass nicht die unterschiedliche Aufbringung der Last (über Innendruck bei der Hohlprobe bzw. mechanisch bei der Biegeprobe) der Grund für die abweichenden Ergebnisse ist.

Im weiteren Projektverlauf wurde ein Versuchsplan mittels Vierpunktbiegeproben abgearbeitet, der relevante Werkstoffe sowie Lieferzustände für Gesenke und Werkzeuggrundkörper repräsentativ abdeckt. Die Untersuchungen beinhalteten zusätzlich Analysen zur Ermittlung aller für eine Lebensdauerberechnung der Proben mittels der FKM-Richtlinie notwendigen Daten. Hierzu zählen Zugversuche zur Ermittlung der Materialfestigkeit sowie Rauheitsmessungen der Oberflächen im versagenskritischen Bereich.

Ergebnis der Biegeversuche sind Lebensdauerkennlinien, so genannte Wöhlerkurven, für die Werkstoffe in den jeweiligen Zuständen. Solche experimentell ermittelten und statistisch abgesicherten Kennlinien waren bislang nicht verfügbar.

Im nächsten Arbeitspunkt fand ein Vergleich der experimentell ermittelten Dauerfestigkeiten mit den gemäß der FKM-Richtlinie zu erwartenden Werten statt. Es zeigte sich, dass, bei Berücksichtigung einer typischer Randbedingungen diese Richtlinie ein geeignetes Werkzeug für die Auslegung von IHU-Werkzeugen darstellt.

Diese Randbedingungen wurden im letzten Schritt in Form eines vereinfachten Ablaufes verfügbar gemacht. Dieser Ablauf ermöglicht die Verwendung der Richtlinie für den speziellen Anwendungsfall „IHU-Werkzeug“, ohne die gesamte Richtlinie mit allen, sehr umfangreichen Möglichkeiten der Berücksichtigung von Effekten, die bei IHU-Werkzeugen in aller Regel nicht auftreten, kennen und verstehen zu müssen.

Das Gesamtziel des Vorhabens wurde weitgehend erreicht. Es musste jedoch die ursprünglich geplante Vorgehensweise geändert werden.

Das Forschungsvorhaben „Lebensdauerorientierte Festigkeitsauslegung von Umformwerkzeugen zur Innenhochdruck-Umformung“ wurde unter der Fördernummer AiF 14351N 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. 271 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

Durability-based design for endurable strength of hydroforming tools

The goal of the project was to provide a design strategy to designers of hydroforming tools. An investigation of the current state-of-the-art came up with the result that the mainly used strategies of designing the tools are experience and mathematical methods. The most frequently applied mathematical method is the so called “FKM-Richtlinie Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile aus Stahl, Eisenguss- und Aluminiumwerkstoffen“.

In the following step, based on a real hydroforming tool geometry from mass series production, stress state being typical for hydroforming tool was defined. Representing this state, two specimen geometries were designed. One geometry had a hollow shape for inducing stresses by internal pressure, while the other had a flat shape for inducing bending stresses.

Producing the hollow specimen geometries turned out to be extremely time- and cost-intensive. Additionally, testing this geometry led to high costs. Therefor, only 25 specimen geometries were manufactured, while further experiments were conducted using the flat shaped bending specimen. The experimental results of the hollow shaped and the flat shaped specimen were expected to be equal. However, the hollow shaped specimen showed unexpectedly low durability. These deviations could not be explained completely during the project. Outcomes of other research projects however show that flat shaped bending specimen are capable of providing suitable results for durability estimation.

In the further progress of the project an experimental schedule was executed, investigating relevant materials as well as conditions of hydroforming tools. The investigations also comprised analyses to gain all parameters necessary for estimating the durability of the specimen mathematically. The analyses comprised tensile tests as well as surface measuring.

The outcome of the bending tests are durability graphs, aka „Wöhler-Graphs“. Such experimentally gained and statistically proved graphs had not been available before.

In the next step of the project the experimental results were compared with the predictions made by the FKM-Guideline. It showed that, when typical boundary conditions are considered, this guideline is an appropriate method for hydroforming tool durability prediction. These guidelines were made available by means of a simplified procedure in the last part of the project. This procedure enables for the application of the FKM-Guideline in the specific field of hydroforming tools, without knowing necessarily the whole guideline with all its extensive content.

The project’s goal has widely been reached. However, the planned approach had to be changed.

Inhalt

0 Vorwort
0.1 Gegenüberstellung der Ergebnisse mit der Zielsetzung des Antrages
0.2 Auswirkungen auf den wissenschaftlich-technischen und wirtschaftlichen Fortschritt
0.3 Nutzen für kleine und mittelständische Unternehmen
0.4 Innovativer Beitrag und industrielle Anwendungsmöglichkeiten
0.5 Veröffentlichung der Projektergebnisse
0.6 Gewerbliche Schutzrechte
0.7 Hinweis auf die Förderung
1 Einleitung
1.1 Ausgangssituation
1.2 Stand der Forschung
1.3 Zielsetzung
2 Arbeitspakete
2.1 Recherche und Analyse zum Stand der Technik
2.2 Rechnerische Ermittlung der Werkzeugbeanspruchungen
2.2.1 Verwendete Werkzeuggeometrie
2.2.2 Modellbildung
2.2.3 Simulation
2.2.4 Konvergenz- und Plausibilitätsprüfung
2.2.5 Resultate
2.3 Rechnerischer Festigkeitsnachweis bzw. Lebensdauervorhersage
2.4 Experimentelle Ermittlung der Beanspruchbarkeit
2.4.1 Vorbemerkung
2.4.2 Versuchsprogramm
2.4.3 Ursprünglich (d. h. zum Zeitpunkt der Antragstellung) geplante Vorgehensweise
2.4.4 Versuche zur Realisierung von Innendruckschwellversuchen mit einer an der Forschungsstelle vorhandenen Prüfmaschine
2.4.4.1 Vorversuche mit statischer Druckbelastung an IHU-Rohren bis zu ca. 250 bar
2.4.4.2 Vorversuche mit zyklischer Druckbelastung an Rohren bis zu ca. 250 bar
2.4.4.3 Vorversuche mit zyklischer Druckbelastung bei Drücken > 250 bar
2.4.5 Geänderte Vorgehensweise zur Ermittlung der Beanspruchbarkeit
2.4.6 Probenentnahme aus den Halbzeugen
2.4.7 Ergebnisse der Innendruckschwellversuche an Rohrproben
2.4.8 Ergebnisse der Vierpunkt-Biegeschwellversuche
2.4.8.1 Ergebnisse der Vierpunkt-Biegeschwellversuche an Proben aus dem Werkstoff X153CrVMo12 (Werkstoff Nr. 1.2379)
2.4.8.2 Ergebnisse der Vierpunkt-Biegeschwellversuche an Proben aus dem Werkstoff WP7V (Sonderwerkstoff, ähnlich X50CrMoV8-1-1)
2.4.8.3 Ergebnisse der Vierpunkt-Biegeschwellversuche an Proben aus dem Werkstoff X40CrMoV5-1 (1.2344) mit einer Härte von 50 HRC
2.4.8.4 Ergebnisse der Vierpunkt-Biegeschwellversuche an Proben aus dem Werkstoff 45NiCrMo16 (1. 2767) mit einer Härte von 50 HRC
2.4.8.5 Ergebnisse der Vierpunkt-Biegeschwellversuche an Proben aus dem Werkstoff 1.2312 (vorvergütet) mit einer Zugfestigkeit von ca. 1.000 MPa
2.5 Vergleich Beanspruchung / Beanspruchbarkeit, Verifikation
2.5.1 Vorbemerkung zu diesem Kapitel
2.5.2 Vergleich der FKM-Berechnung und der ermittelten Schwellfestigkeit der Hohlproben aus dem Werkstoff 1.2379
2.5.3 Vergleich der FKM-Berechnung und der ermittelten Biegeschwellfestigkeiten für den Werkstoff 1.2379 (X155 CrMoV12-1)
2.5.4 Vergleich der FKM-Berechnung und der ermittelten Biegeschwellfestigkeiten für den Werkstoff WP7V
2.5.5 Vergleich der FKM-Berechnung und der ermittelten Biegeschwellfestigkeiten für den Werkstoff 1.2344
2.5.6 Vergleich der FKM-Berechnung und der ermittelten Biegeschwellfestigkeiten für den Werkstoff 1.2767
2.5.7 Vergleich der FKM-Berechnung und der ermittelten Biegeschwellfestigkeiten für den Werkstoff 40CrMnMoS8-6 (1.2312) längs
2.5.8 Vergleich der FKM-Berechnung und der ermittelten Biegeschwellfestigkeiten für den Werkstoff 40CrMnMoS8-6 (1.2312) quer
3 Anwendung der FKM-Richtlinie für die Auslegung von IHU-Werkzeugen
3.1 Vorbemerkung
3.2 Rechnerische Ermittlung der Werkzeugbeanspruchungen
3.3 Berechnung der dauerfest ertragbaren Spannungsamplitude eines IHU- Werkzeuges mit Hilfe der FKM-Richtlinie
3.4 Vergleich der experimentell ermittelten und nach FKM errechneten  ertragbaren Spannungsamplituden von schwellend beanspruchten  Flachbiegeproben
3.5 Fazit der vergleichenden Bewertung
4 Zusammenfassung
5 Quellenverzeichnis