Prozessoptimierung des Fügens durch Knickbauchen mittels lokaler Halbwarmumformung
Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. habil. Markus Bambach, Dr.-Ing. Alexander Sviridov, Dipl.-Ing. Michael Rusch, Lehrstuhl Konstruktion und Fertigung am Institut für Produktionsforschung der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus-Senftenberg - Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens, M. Sc. Amer Almohallami, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen, Leibniz Universität Hannover
110 Seiten - 72,00 EUR (sw, 95 teils farbige Abb., 3 Tab.)
ISBN 978-3-86776-497-1
Zusammenfassung
Im Rahmen des Forschungsvorhabens zur Prozessoptimierung des Fügens durch Knickbauchen mit lokaler Halbwarmumformung wurde das Verfahren sowohl numerisch als auch experimentell untersucht.
Dazu wurden zunächst die Materialkennwerte des Werkstoffs E235+N und der höherfesten Stähle S690 und S770 in einem Temperaturbereich bis ca. 700 °C ermittelt, so dass eine Datenbasis für die numerische Umformsimulation des Knickbauchens bei erhöhten Temperaturen geschaffen werden konnte. Hieraus ließen sich zahlreiche Aussagen hinsichtlich der zu erwartenden Prozessparameter (z.B. Umformkraft) und der Schädigungswahrscheinlichkeit ableiten.
Ein Hauptziel des Vorhabens lag in der Vermeidung der beim Knickbauchen bei Raumtemperatur auftretenden Schädigung (Rissbildung) im Umformbereich.
Für die experimentellen Versuche wurde eine induktive Erwärmungsanlage konzipiert und gefertigt. Der Vergleich verschiedener Erwärmungskonzepte hinsichtlich ihrer Prozesskette ermöglichte die Auswahl einer robusten und anwendungsnahen Erwärmungsstrategie mittels eines Klappinduktors.
Es erfolgte eine Integration der Erwärmungsanlage in das Umformwerkzeug, so dass die vorgesehenen experimentellen Untersuchungen zum Knickbauchen mit lokaler Erwärmung durchgeführt werden konnten. Neben der Validierung der numerischen Prozesssimulation mittels gemessener experimenteller Versuchsdaten gelang es, den positiven Einfluss der lokalen Erwärmung auf die Schädigung im Knickbereich nachzuweisen.
Eine für das Fügen durch Knickbauchen bei Raumtemperatur entwickelte Fügemethode wurde für das Herstellen von Demonstratoren entsprechend der Randbedingungen der lokalen Erwärmung weiterentwickelt. Daneben konnte eine Möglichkeit zur örtlichen Beeinflussung der Knicklage am Rohr durch die Erwärmung entwickelt werden.
Dies erlaubt die Herstellung vorkonfektionierter Halbzeuge, welche definierte Zonen enthalten, die unter axialer Last einen Knick bilden, während der Rest des Rohrs unbeeinflusst bleibt. Rohre dieser Art lassen sich mit sehr geringem Werkzeugeinsatz flexibel weiterverarbeiten.
Die Anwendbarkeit dieses Verfahrens konnte durch die Herstellung einer Rohr-Profil-Verbindung nachgewiesen werden. Abschließend wurden Bauteilprüfungen durchgeführt, wobei Knickbauchproben hergestellt bei Raumtemperatur mit warm umgeformten Proben verglichen wurden.
Es zeigte sich hier ein positiver Einfluss der Erwärmung auf das Verhalten bei Zug- und Torsionsbelastung. Die Betrachtung verschiedener Werkzeugkonzepte zur Optimierung des Umformprozesses, Überlegungen hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens sowie die Erstellung eines Richtlinienkatalogs in Form eines Merkblatts schlossen das Forschungsvorhaben ab.
Das IGF-Vorhaben „Prozessoptimierung des Fügens durch Knickbauchen mittels lokaler Halbwarmumformung" wurde unter der Fördernummer AiF 17639BG von der Forschungsvereinigung EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 448 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Summary
In the scope of the research project "Process optimization of joining by upset bulging using local warm forming" numerical and experimental investigations were carried out.
Firstly the material properties of E235+N and the high-strength steels S690 and S770 were determined in a temperature range up to 700 °C, to create a data base for the numerical forming simulation of upset bulging at elevated temperatures. Therefrom numerous predictions of the expected process parameters (e.g. forming force) and the probability of damage could be derived.
A main purpose of this project was to avoid the formation of cracks in the forming area, which occurred in the upset bulging process at room temperature. For the experimental work, an inductive heating unit was designed and manufactured. Different heating concepts were compared concerning their process chain to pick a robust and application oriented heating strategy using a split inductor.
The heating unit was integrated into the forming tool, to carry out the intended experimental work. It was then possible to validate the numerical process simulation with measured experimental data as well as to prove the positive influence of the local heating onto the reduction of damage in the bulge area.
A joining method, designed for joining by upset bulging at room temperature, was enhanced according to the conditions of the heating process to produce demonstrators. Furthermore a way to locally influence the zone of bulging along the tube could be developed using the local heating. This allows the production of tailored tubes with predefined zones, in which a bulge is formed under axial load while the rest of the tube remains unaffected. This kind of tubes can be processed flexibly with a very low usage of tooling.
The applicability of this procedure was demonstrated with the creation of a tube-profile-joint. Finally, component testing experiments, comparing room temperature bulges with bulges formed with local heating, were executed. The specimen formed with local heating obtained better results in tensile load and torsion load. The description of different tool concepts for optimization of the forming process, considerations regarding the economic efficiency of the overall process and the issue of a guideline catalog in the form of a data sheet describing the results completed the research project.
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Summary
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
Abkürzungsverzeichnis
Formelzeichen
1 Einleitung und Ziele
2 Stand der Technik
3 Lösungsweg zur Erreichung des Projektziels
3.1 Lösungsweg und Vorgehensweise
3.2 Arbeitspakete
4 Ergebnisse
4.1 Prozesscharakterisierung / Festlegung der Werkstoffe und Abmessungen
4.2 AP1: Halbzeuguntersuchung und Materialcharakterisierung
4.2.1 Aufnahme der Fließkurven
4.2.2 Extrapolation der Fließkurven
4.3 AP2: Umformsimulation
4.3.1 Modellaufbau
4.3.2 Validierung der Simulationsergebnisse
4.3.3 Modellerstellung für das Knickbauchen eines Rohres
4.3.4 Numerische Parameterstudie zum Knickbauchen mit erhöhten Temperaturen
4.3.5 Numerische Abbildung der Fügemethode durch Knickbauchen
4.3.6 Numerische Betrachtung der Materialschädigung
4.3.7 Einfluss der Größe der Erwärmungszone sowie der Endtemperatur auf die Materialschädigung für das Material E235+N
4.4 AP3: Untersuchungen zum induktiven Erwärmen
4.4.1 Aufbau der Erwärmungsanlage
4.4.2 Erwärmungskonzepte
4.4.3 Einfluss der Erwärmung auf das Gefüge der Werkstoffe
4.5 AP4: Prozessentwicklung zum Knickbauchen mit partieller Erwärmung
4.5.1 Umformversuche an einfachen Geometrien
4.5.2 Herstellung von Fügeverbindungen (Rohr-Blech)
4.5.3 Beeinflussung der Knicklage durch lokale Erwärmung / Verbindungsherstellung
4.6 AP5: Bauteilprüfungen
4.6.1 Statische Prüfungen
4.6.2 Dynamische Prüfungen
4.6.3 Toleranzen, Form- und Maßabweichungen
4.6.4 Korrosionsverhalten
4.7 AP6: Anlagenaufbau und Prozessführungsstrategien
4.7.1 Werkzeugkonzepte
4.7.2 Prozessführung, Prozessüberwachung
4.8 AP7: Wirtschaftlichkeitsanalyse
4.9 AP8: Richtlinien für industrielle Anwender
5 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen
6 Literaturverzeichnis
