Die Entwicklung neuer Verfahren und Prozesse bildet den Kern der Forschungslinie Massivumformung. Im Mittelpunkt stehen am Institut für Umformtechnik neue Verfahren zur Herstellung massenoptimierter Leichtbaukomponenten. Die Anwendungsgebiete der Massivumformung reichen von der Anpassung bekannter Verfahren über die Untersuchung von Verfahrenskombinationen bis hin zu neuartigen Hybridprozessen zur umformtechnischen Herstellung von Mehrkomponenten-Verbundbauteilen. Für die Prozessauslegung kommen numerische Methoden zum Einsatz, die durch spezialisierte Optimierungsmodule eine effiziente Analyse des Lösungsraums aus Parameterstudien erlauben. Die Werkstoffdatenerfassung als Basis für präzise numerische Berechnungen wird am Institut für Umformtechnik auf modernen thermomechanischen Prüfeinrichtungen vorgenommen.
Projektablaufplan
Die Ressourceneffizienz komplexer Umformkomponenten im Automobilbau kann durch einen belastungsgerechten Werkstoffeinsatz gesteigert werden. Insbesondere Hybridbauteile kommen dieser Forderung durch Werkstoffkombinationen nach. Bedingt durch die unterschiedlichen Werkstoffcharakteristiken ist die Beschreibung von hybriden Umformprozessen sehr komplex. Das Ziel dieses Forschungsprojektes ist eine robuste Prozessroute für das Fließpressen flanschförmiger Bauteile, die aus verbundstranggepressten Hybridhalbzeugen hergestellt werden. Hybridprozesse sind in der Umformtechnik bekannt, jedoch ist die Prozesstechnik des Hybridstrangpressens mit anschließender Kaltumformung neuartig. Die Verbindungsqualität der beiden Werkstoffkomponenten über die Prozesskette hinweg und deren Auswirkungen auf die Bauteilbetriebseigenschaften sind nicht bekannt. Die Forschungshypothese lautet, dass durch das Hybridstrangpressen ein stoffschlüssiger Werkstoffverbund erzeugt werden kann, der durch das anschließende Kaltfließpressen aufrechterhalten wird. Zur Prüfung dieser Hypothese wird zunächst durch simulative Abbildung des Gesamtprozesses die Form und Geometrie eines in der Matrix eingebetteten Verstärkungselements bestimmt. Strangpressversuche, gefolgt von Kaltfließpressversuchen (Querfließpressen und Bundanstauchen) dienen der experimentellen Validierung. Schließlich werden Belastungsversuche in Realität und Modell zur Identifikation der Betriebseigenschaften durchgeführt.
Laufzeit: 10.2019 - 10.2021
a) Vorform und Verzahnung; b) Einseitiger Materialfluss in die Kavität
Ziel des Projektes bildet die Entwicklung eines Umformverfahrens, das die Herstellung schwer ausfüllbarer Formelemente ermöglicht. Die Motivation ergibt sich aus dem Kundenwunsch nach einer Stirnverzahnung mit möglichst spitzen Zähnen, welche eine möglichst kleine Abflachung an den Zahnspitzen aufweisen. Eine ausreichende Ausformung der Verzahnung in einem konventionellen Umformprozess bei Raumtemperatur erfordert eine relativ hohe Prozesskraft, welche in unzulässig hohen Spannungen im Umformwerkzeug resultiert. Unter Berücksichtigung einer maximal zulässigen Werkzeugbelastung kann lediglich eine für viele Anwendungsfälle nicht ausreichend ausgeformte Verzahnung erzeugt werden.
Um die Formfüllung der Formelemente zu verbessern, wurde im Rahmen des Projektes eine Vorwärmung des Werkstückes (ca. 200°C - 300°C) sowie ein speziell entwickeltes Verfahren (FDF-Verfahren), welches eine zielgerechte Materialvorverteilung in einer Vorstufe vorsieht, untersucht. Zu beiden Lösungsansätzen wurden, aufbauend auf den Simulationsergebnissen, Versuchswerkzeuge entwickelt und für die experimentellen Prozessuntersuchungen eingesetzt. Im Zuge dieser Untersuchungen konnte mit beiden untersuchten Ansätzen eine Verbesserung der Formfüllung im Vergleich zum Stand der Technik erzielt werden. Dabei ermöglichte das zweistufige FDF-Verfahren eine deutlich bessere Formfüllung gegenüber dem konventionellen Verzahnungspressen bei erhöhter Werkstücktemperatur. Die industrielle Umsetzbarkeit des zweistufigen FDF-Verfahrens wurde im Zuge einer Erprobung unter seriennahen Bedingungen bei der Fa. A+E. Keller bestätigt.
Laufzeit: 10.2016 - 08.2019
a) Vereinfachtes Werkzeugkonzept
b) Axiale Spannungen [N/mm²] für eine Beispielgeometrie
In diesem Projekt soll zunächst ein neuartiges schubumformverfahren zur Herstellung kurbelwellenartiger Bauteile durch eine Kombination aus Kalt-Quer-Fließpressen und Verschieben entwickelt werden. Im Gegensatz zur konventionellen Verfahrenskombination von Verschieben und Stauchen bildet sich die Umformzone mit dem neuartigen Verfahren nur lokal im Übergangsbereich von Rohteilachse und Wange aus. In diesem Bereich wird durch den axialen Materialfluss aus der Matrize eine starke Druckspannungsüberlagerung induziert und sowohl die Prozesskräfte als auch die im Bauteil auftretenden Vergleichsspannungen werden reduziert. Hierbei wird zusätzlich der Kanteneinzug an der Wange in den Übergangsbereichen zum Wellen- bzw. Hubzapfen vermindert. Ein einfaches, modular aufgebautes Werkzeug soll zur Untersuchung der Einflüsse und Wirkzusammenhänge verschiedener Prozessparameter wie Druckspannungen, Verschiebeweg oder Verschiebegeschwindigkeit während des Verschiebens sowohl von Halbzeugen aus Aluminium- als auch von Stahlwerkstoffen dienen. Mit diesem Werkzeugkonzept sollen umgeformte Bauteile hergestellt und später zerstörend geprüft werden. Das Projekt soll Grundlagen und einen wissenschaftlichen Erkenntnisgewinn zum kombinierten Umformverfahren „Quer-Fließpressen und Verschieben“ liefern und Verfahrensgrenzen aufzeigen.
Laufzeit: 02.2016 - 03.2018
Mehrfach verzahnte, kurze Hohlwelle aus Blech (links); Mehrfach verzahnte hohle Welle aus einem rohrförmigen Halbzeug und Prinzipdarstellung des Umformwerkzeuges (rechts)
Eines der Probleme bei der umformtechnischen Herstellung von präzisen hohlen Bauteilen stellt die geforderte Lagegenauigkeit der Innen- und Außengeometrie entlang der Bauteilachse dar. Das Projekt befasste sich mit der Verfahrensentwicklung für die Herstellung von geometrisch anspruchsvollen und hochgenauen hohlen Bauteilen mit fertig gepressten Verzahnungen/Profilen. Im ersten Teil dieses Projektes wurde eine Stadienfolge und einzelne Umformstufen der Fertigung eines Versuchsbauteils mit zwei Außenverzahnungen und einem inneren Verzahnungsprofil, ausgehend von einer Ronde aus Blech, ausgelegt. Im Fokus der Untersuchung stand die Überprüfung der Hypothese, ob der Einsatz eines genauen Halbzeugs aus Blechmaterial signifikante Vorteile hinsichtlich der erreichbaren Lagegenauigkeit bei der Herstellung hohler Pressteile bringen kann. Im zweiten Teil des Projektes wurde eine neue Werkzeugtechnik zur Erzeugung von mehrfachverzahnten hohlen Bauteilen aus rohrförmigen, dickwandigen Halbzeugen entwickelt. Der Schwerpukt der entwickelten Werkzeugtechnik liegt in der Minimierung der Konzentrizitätsabweichung der Pressteile durch eine besondere Führungsart des Stempels in der Matrize.
09.2014 - 10.2016
Rohteile und fertig umgeformte Komponente
Dieses Forschungsprojekt beschäftigt sich im Bereich des Fügens durch Umformen mit dem gemeinsamen Quer-Fließpressen zweier zylindrischer Rohteile, von denen eines rohrförmig ausgeführt ist und das andere mit Vollquerschnitt eingesetzt wird. Die separat eingelegten Rohteile werden durch das gemeinsame Quer-Fließpressen unlösbar axial oder axial und radial miteinander verbunden. Bei der mit diesem Verfahren hergestellten gefügten Bauteilgeometrie handelt es sich um eine, je nach Gestaltung der Flanschaußengeometrie, reib- oder formschlüssige Welle-Nabe-Verbindung, wobei der Übergang von der Welle zur Nabe nicht eindeutig ist. Das Ziel ist die Entwicklung eines Verfahrens, durch das es möglich ist, wellenförmige Komponenten mit einer harten Außenschicht und einem leichteren, innen eingesetzten Werkstoff herzustellen. Das Fernziel ist die Entwicklung eines Verfahrens zum Quer-Fließpressen von zwei rohrförmigen Werkstücken, wodurch sich auch hohle Werkstoffverbunde herstellen ließen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Herstellung einer reibschlüssigen Verbindung, wie in obiger Abbildung dargestellt, mit verschiedenen Werkstoffkombinationen und Durchmesserverhältnissen möglich ist.
Weiterführende Arbeiten beschäftigen sich mit der Herstellung einer Außenkontur am Flansch, wodurch die Verbindung auch tangential gegen Verdrehen gesichert ist. Die Torsionsübertragungsfähigkeit der Komponenten wird anschließend ermittelt.
Laufzeit: 08.2013 - 07.2015