Innenhochdruck-Umformung höchstfester Aluminiumlegierungen
Verfasser:
M. Sc. Ricardo Trân, M. Sc. Rico Haase, Prof. PD Dr.-Ing. habil. Verena Kräusel, Prof. Dr.-Ing. Welf-Guntram Drossel, Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Chemnitz M. Sc. Jonas Reblitz, Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Lehrstuhl für Fertigungstechnologie, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
108 Seiten - 80,00 EUR (sw, 70 teils farbige Abb., 13 Tab.) 
ISBN 978-3-86776-658-6
Zusammenfassung
Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens konnte erfolgreich nachgewiesen werden, dass die umformtechnische Herstellung hochfester Aluminiumbauteile aus rohrförmigen Halbzeugen durch Innenhochdruck-Umformung unter Verwendung unterschiedlicher Prozessführungsstrategien möglich ist.
Neben dem Umformen im lösungsgeglühten und abgeschreckten Zustand (W-Temper-Umformung) wurde als weitere Prozessroute das Abschreckumformen (Hot Form Quench, HFQ) untersucht und beide Verfahren vergleichend einander gegenübergestellt. Zielgrößen stellten dabei die erzielbaren mechanischen Eigenschaften sowie die Prozesseffizienz in Bezug auf wirtschaftliche Aspekte dar.
Die Charakterisierung des Umformverhaltens der Halbzeuge in Abhängigkeit der Prozessführung und die Erarbeitung eines geeigneten Materialmodells stellte dabei einen Schwerpunkt für die Auslegung der Prozesse dar. Für die einzelnen Prozessrouten wurden die Stellgrößen des Umformprozesses variiert, so dass die Prozessfenster für eine robuste Umformung spezifiziert werden konnten.
Der wissenschaftliche Anspruch bestand in der Identifikation von Abhängigkeiten und der Ableitung von Wirkzusammenhängen (Temperierung, Umformvermögen, Formgenauigkeit) bezüglich des Wärmebehandlungs- und somit des Gefügezustandes, was sich letztlich wieder in den mechanischen Eigenschaften niederschlägt. Es wurden Materialkennwerte für die beiden Prozessrouten ermittelt und die Umformprozesse begleitend simuliert.
Auf Basis eines Ergebnisabgleichs zwischen Simulation und Experiment wurde nachgewiesen, dass numerische Prognose und experimentelle Realität sehr nah beieinander liegen und die ermitteln Werkstoffdaten das Verhalten im Prozess sehr gut abbilden. Es wurden systematische Untersuchungen mit numerischer Prozesskettenauslegung zur Umformung von Aluminium-Hohlprofilen aus den Legierungen EN AW-7020 sowie EN-AW 7075 durchgeführt.
Letztlich erfolgte die Bewertung der finalen Werkstoffeigenschaften sowie der Ausformung von Bauteilen in Abhängigkeit der Umformparameter (Temperatur, Gefüge des Halbzeugs, Druckaufbaurate und max. Innendruck). Beide Prozessrouten eignen sich in der Kombination mit dem IHU gleichermaßen zur Herstellung komplexer Profilbauteile.
Im Projekt konnten keine signifikanten Unterschiede zwischen den hergestellten Bauteilen festgestellt werden. In der numerischen Betrachtung sowie im Experiment wurde jedoch deutlich, dass im Vergleich zum W-Temper-Umformen durch das Umformen unter Abschreckbedingungen nur ein Drittel des Innendrucks notwendig ist, was auch zu deutlich niedrigeren notwendigen Schließkräften führt.
Für die industrielle Implementierung ist das genauso in einer Gesamtprozessbewertung zu berücksichtigen wie der beim Abschreckumformen hohe Stickstoffverbrauch. Es wurde außerdem deutlich, dass für eine praktische Anwendung noch in der Auslagerungsbehandlung nach dem Umformen Forschungsbedarf besteht, da nur teilweise die ursprüngliche T6-Festigkeit erreicht werden konnte.
Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben „Innenhochdruck-Umformung höchstfester Aluminiumlegierungen" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 21434BG über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 599 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Summary
Within the scope of this research project, it was successfully demonstrated that the forming-based production of high-strength aluminum components from tubular semi-finished products is possible by hydroforming using different process strategies. In addition to forming in the solution-annealed and quenched condition (W-temper forming), quench forming (Hot Form Quench, HFQ) was investigated as a further process route and both processes were compared.
The target parameters were the achievable mechanical properties and the process efficiency with regard to economic aspects. The characterization of the forming behavior of the semi-finished products as a function of the process strategy and the development of a suitable material model represented a key point for the design of the processes.
For the different process routes, the parameters of the forming process were varied so that robust process windows could be specified. The scientific objective was to identify dependencies and derive cause-effect relationships (tempering, forming capacity, forming accuracy) with respect to the heat treatment and thus the microstructure, which is reflected again in the mechanical properties. Material properties were determined for the two process routes and the forming processes were simulated.
Based on a comparison of results between simulation and experiment, it was demonstrated that the numerical results represent the experiments sufficiently. Systematic investiga-tions with numerical process chain design were carried out for the forming of aluminum profiles made of the alloys AA7020 as well as AA7075.
Finally, the mechanical part properties and the geometry of the formed components were evaluated as a function of the forming parameters (temperature, microstructure of the semi-finished product, pressure build-up rate and maximum internal pressure).
In combination with hydroforming, both process routes are equally suitable for the production of complex profile components. In the project, no significant differences were found between the manufactured components. However, the numerical and experimental results show that the required forming pressure can be reduced up to 66% by the application of forming under quench conditions compared to W-temper forming. As a consequence, lower closing forces can be applied.
For industrial implementation, this must be taken into account in an overall process evalu-ation, as well as the high nitrogen consumption in quench forming. It also became clear that for a practical application there is still a need for research in the ageing treatment after forming, as the original T6 strength could only be partially achieved.
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Summary
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungs- und Kurzzeichenverzeichnis
1 Einleitung
2 Stand der Technik und Forschung
3 Problemstellung, Forschungsziel und Arbeitsprogramm
3.1 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung
3.2 Arbeitshypothesen und Forschungsfragen
3.3 Lösungsweg und realisierter Arbeitsplan
4 Projektergebnisse
4.1 AP1: Charakterisierung rohrförmiger Halbzeuge
4.1.1 Halbzeugeigenschaften im Anlieferungszustand
4.1.2 Charakterisierung der Prozessrouten W-Temper-Umformung und Abschreckumformen
4.1.3 Vergleichbarkeit der Ergebnisse aus dem Rohrzugversuch mit Flachzugproben
4.1.4 Prozessnahe Materialcharakterisierung im Rohraufweitversuch
4.2 AP2: Aufbau und Validierung einer Umformsimulation zur Abbildung des IHU-Prozesses
4.3 AP3: Prozessauslegung und Konstruktion eines Werkzeugs mit austauschbaren Einsätzen
4.4 AP4: Ermittlung der finalen mechanischen Eigenschaften der Bauteile und Bewertung der Prozesse
5 Ergebnisse
6 Literaturverzeichnis
