Die Verfahren der Kaltmassivumformung zeichnen sich durch eine effiziente Herstellung hochbelastbarer Bauteile mit einer endkonturnahen Geometrie aus. Die Erweiterung des Werkstoffspektrums von un- und niedriglegierten Stählen hin zu höherfesten, korrosionsbeständigen Stählen ermöglicht die Erweiterung des Einsatzspektrums.
Das aktuell in der Kaltmassivumformung rostfreier Stähle eingesetzte Schmierstoffsystem ist mit ökologischen und ökonomischen Problemen behaftet, wodurch der Einsatz in der industriellen Praxis erschwert wird. Die Einschichtschmierstoffe als mögliche Alternativen sind bisher für die Umformung rostfreier Stähle noch unzureichend untersucht. Zusätzlich ist der Einsatz aufgrund der temperaturabhängigen Leistungsfähigkeit und der prozessbedingten Schmierstoffausdünnung herausfordernd. Die numerische Temperaturbestimmung ist aufgrund der theoretischen Abbildung der Wärmeübertragung mit Fehlern behaftet. Die Methoden zur quantitativen Schichtdickenbestimmung, die in der Blechumformung schon verbreitet sind, sind auf die Kaltmassivumformung bisher nicht übertragbar.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Leistungsfähigkeit von Einschichtschmierstoffsystemen unter tribologischen Lasten von Kaltmassivumformprozessen rostfreier Stähle bestimmt. Zur Verbesserung der Temperaturbestimmung in numerischen Simulationen wurden Wärmeübergangskoeffizienten unter Berücksichtigung des in der Kaltmassivumformung herrschenden Lastkollektivs bestimmt. Die Bestimmung der quantitativen Schmierstoffschichtdickenverteilung bietet die Möglichkeit zur Bewertung der vorliegenden Schmierstoffausdünnung. Hierfür wurde eine Methodik zur Validierung von Fluoreszenzfarbstoffen zur Schmierstoffschichtdickenmessung mittels Fluoreszenzspektroskopie entwickelt.
Aktualisiert: 2023-02-09
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Für die Vorhersage und Kontrolle des Verzugs reicht die alleinige Beherrschung des finalen Wärmebehandlungsprozesses nicht aus. Maß- und Formänderungen werden zwar bei der Wärmebehandlung ausgelöst, aber auch alle vorherigen Prozessschritte, angefangen bei der Konstruktion über die Werkstoffauswahl bis zum Herstellungsprozess des Bauteils, tragen ebenfalls zu den Maß- und Formänderungen bei. Deshalb muss der Verzug als Systemeigenschaft aufgefasst werden, was die Betrachtung der vollständigen Entstehungsgeschichte eines Bauteils erfordert. So darf auch die Wahl des Herstellungsverfahrens zu Erzeugung der Bauteilgeometrie, die sich in den meisten Fällen nach Komplexität und Stückzahl des Werkstücks richtet, bei der Betrachtung des Verzugs nicht vernachlässigt werden. Besonders kaltmassivumgeformte Bauteile stellen aufgrund ihrer komplexen Eigenspannungsverteilung sowie veränderten Gefüge- und Mikrostruktur ein spezielles Problem hinsichtlich Verzugsbeherrschung dar. Die Vielzahl der an zerspanten Bauteilen gewonnenen Erkenntnisse zum Maß- und Formänderungsverhalten können in den meisten Fällen nicht ohne Einschränkungen auf kaltumgeformte Werkstücke übertragen werden.
Aktualisiert: 2021-12-20
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Im Rahmen dieser Dissertation werden umfangreiche Untersuchungen zum Einsatz der Schallemissionsanalyse (SEA) zur Online-Prozessüberwachung im Umfeld der industriellen Kaltmassivumformung durchgeführt und somit ein Beitrag zur Verbesserung zukünftiger Qualitätssicherungsmaßnahmen geleistet. Mit Hilfe der SEA wird die entstehende, spontane Freisetzung von elastisch gespeicherter Energie in Form von Ultraschallwellen, die aus der Bauteilbelastung während des Umformprozesses resultiert, zerstörungsfrei gemessen und analysiert. Im Fokus steht die zuverlässige Erkennung von beginnendem Materialversagen aufgrund von Oberflächenrissen (Längs- und Scherrissen) sowie innenliegenden Bauteilrissen (Chevron-Rissen) direkt während der Materialumformung. Hierbei werden neben den Potenzialen des Verfahrens insbesondere zur Online-Risserkennung auch mögliche Anwendungsgrenzen ermittelt und aufgezeigt.
Aktualisiert: 2019-11-07
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In der Kaltmassivumformung können schwankende Werkzeugtemperaturen die finale Bauteilgeometrie beeinflussen und in der Produktion von Ausschussteilen resultieren. Zusätzlich zur Bauteilqualität können Temperaturen an der Schnittstelle zwischen Werkzeug und Werkstück auch die Leistungsfähigkeit von Schmierstoffsystemen signifikant beeinflussen. Eine gezielte und geregelte Temperierung von Werkzeugen ist in der Kaltmassivumformung bisher keine gängige Praxis, da bislang keine zuverlässige Temperaturüberwachung an dieser Schnittstelle existiert. Die vorliegende Arbeit zielt daher auf die Entwicklung einer Methodik ab, Temperaturen in der tribologisch signifikanten Schnittstelle zwischen Werkzeug und Werkstück zu bestimmen und deren Einfluss auf die Leistungsfähigkeit von Schmierstoffen zu untersuchen. Mithilfe von Tribometerversuchen wird die Leistungsfähigkeit von Schmierstoffen in Abhängigkeit der Temperatur charakterisiert. Die Reibwerte temperaturviskoser Schmierstoffe sinken zunächst mit zunehmender Temperatur ab, ehe sie wieder ansteigen und es zum Versagen der Schmierstoffe kommt. Damit lässt sich ein tribologisch optimierter Temperaturbereich ableiten, der als Basis für eine gezielte und geregelte Temperierung von Werkzeugen dient. Die im Rahmen der Arbeit entwickelte Methodik zur Bestimmung von Temperaturen basiert auf der Nutzung von irreversiblen thermochromatischen Farbpigmenten, die in den Schmierstoff eingebracht werden. In Folge der auftretenden Temperatur verändert dieser seine Farbe. Ein für die Arbeit entwickeltes Kalibrierverfahren erlaubt es, diese Farbänderung mit der dazugehörigen Temperatur in Zusammenhang zu bringen. Damit ist es erstmals möglich Temperaturen direkt in der Werkzeug/Werkstück-Schnittstelle messtechnisch zu bestimmen.
Aktualisiert: 2020-12-08
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Das Spaltprofilierverfahren ermöglicht die umformende Herstellung verzweigter Blechbauteile. Im Spaltbereich erhöht sich das Potential der eingesetzten Werkstoffe hinsichtlich gesteigerter Härte, Zugfestigkeit, Oberflächengüte und Dauerschwingfestigkeit. Gemeinsame Forschungsprojekte mit der Automobilindustrie zeigen erhebliche Materialeinsparungspotentiale bei Einsatz spaltprofilierter Halbzeuge in Struktur- und Funktionsbauteilen auf.
Die Überführung einer innovativen Technologie aus der universitären Forschung in die industrielle Anwendung ist mit großen Risiken verbunden. Verfahrensspezifische Vorteile greifen nur, wenn eine optimale und reibungslose Nutzung der Produktionsanlage sichergestellt ist. Ein Maß dafür stellt die Technologiereife dar. Je geringer die Reife einer Technologie ist, desto höher sind die mit ihrem Einsatz verbundenen technischen und wirtschaftlichen Risiken für ein produzierendes Unternehmen.
Die vorliegende Arbeit stellt sich der Herausforderung, mögliche Risiken hinsichtlich eines Einsatzes des Spaltprofilierens im industriellen Produktionsumfeld zu minimieren. Aufbauend auf der Bewertung der Technologiereife des Spaltprofilierens werden Handlungsbedarfe abgeleitet. Die identifizierten und umgesetzten Maßnahmen zum Erhöhen der Technologiereife befassen sich mit der Herstellung verbesserter Oberflächenqualitäten und der Rissfreiheit von Spaltprofilen, der Implementierung einer In-Line Qualitätskontrolle, der Ausgabe von Justageanweisungen, Einfluss ausgewählter Prozessgrößen auf die Bauteilqualität und schließlich der Nutzbarmachung der untersuchten Prozessgrößen zur In-Line Qualitätssicherung. Die Erkenntnisse ermöglichen die Herstellung rissfreier Bauteile bei gleichzeitig großen Flanschspannweiten und hohen Produktionsgeschwindigkeiten.
Aktualisiert: 2019-12-12
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Aktuelle technologische Entwicklungen bezüglich Leichtbaudesign erfordern kaltmassivumgeformte Bauteile mit geringer Masse und hoher Energie- und Werkstoffeffizienz. Zur Erreichung dieser Ziele werden hochfeste Werkstückwerkstoffe und komplexe Bauteilgeometrien eingesetzt. Dies resultiert allerdings in einem Anstieg der Prozesskräfte und infolge dessen in erhöhten mechanischen Werkzeugbelastungen und gesteigerten elastischen Werkzeug- und Maschinenverformungen. Leichtbaudesign intensiviert daher die bereits existierende Problematik der hohen Werkzeugbelastungen in der Kaltmassivumformung. Hieraus ergibt sich eine signifikante Reduktion der Standmenge durch verfrühtes Werkzeugversagen. Die Kenntnis der mechanischen Werkzeugbelastungen während eines Kaltmassivumformprozesses, z.B. durch numerische Prozesssimulationen, ermöglicht die Reduzierung dieser durch eine belastungsgerechte Auslegung der Werkzeuggeometrie. Weiterhin resultieren aus den mechanischen Werkzeugbelastungen Abweichungen in der Werkstückgeometrie infolge der elastischen Werkzeug- und Maschinenverformungen. Für die net-shape Fertigung ist daher ein systematisches Verständnis über die geometrischen Abhängigkeiten zwischen Maschinenverhalten, dem formgebenden Umformwerkzeug und der resultierenden Werkstückgeometrie erforderlich. Grundsätzlich kann eine optimale Werkzeuggeometrie mit Hilfe von mathematischen Algorithmen berechnet werden. Deren Anwendung zur Auslegung von Werkzeugen weist jedoch derzeit zwei Defizite auf. Erstens wird für die Berechnung der Werkzeugbelastungen vor allem die Finite Element Method verwendet. Diese Methode erfordert einen hohen Rechenaufwand für die direkte Berechnung der Werkstück-Werkzeug-Interaktion und macht hierdurch eine iterative Optimierung ineffizient. Zweitens wird aufgrund der Komplexität und der ebenfalls hohen Rechenzeiten der Maschineneinfluss auf die Werkzeugbelastungen meist nicht berücksichtigt. Dadurch weisen die Eingangsgrößen der Optimierung bereits Ungenauigkeiten auf. Gegenstand dieser Dissertation ist daher die Erforschung einer zeiteffizienten, numerischen Simulationsmethode basierend auf einem umfassenden Modellierungsansatz zur Ermöglichung einer belastungsgerechten Auslegung der Geometrie von Kaltmassivumformwerkzeugen. Durch eine iterative Werkzeuggestaltoptimierung lässt sich die Werkzeugstandmenge und die Werkstückgenauigkeit steigern.
Aktualisiert: 2021-07-10
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Aktualisiert: 2021-02-04
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Die Verfahren der Kaltmassivumformung ermöglichen die Fertigung von Werkstücken mit guter Maßgenauigkeit und hoher Werkstoffausnutzung, wobei in vielen Fällen keine spanende Nachbearbeitung erforderlich ist. Der Themenband gibt einen Überblick über wichtige Entwicklungen bei Werkzeugen und Werkzeugwerkstoffen. Ein Schwerpunkt ist die Entwicklung von Stadienplänen und Werkzeugen für das Kaltfließpressen, wobei auch der Einsatz neuartiger Werkzeugwerkstoffe behandelt wird. Besondere Beachtung wird auch dem Werkzeugversagen und seiner Beherrschung gewidmet. Zu dieser Thematik wird umfangreiches empirisches Material durch neuere Ansätze zur Rechnersimulation des Ermüdungsbruches von Fließpressmatrizen ergänzt. Diese Thematik wird vertieft durch Berichte über Industrieerfahrungen mit Verschleißschutzbeschichtungen, insbesondere durch Ionenstrahlbehandlung. Das Buch wird abgerundet durch eine praxisnahe Darstellung der Rechnersimulation von Umformvorgängen mit Hilfe der Finite-Element-Methode.
Aktualisiert: 2022-06-22
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