Erforschung der thermomechanischen Wechselwirkungen in der Scherzone beim Feinschneiden von höherfesten erwärmten Blechwerkstoffen (HotFib)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Bergs, seit 7/2019
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 372316085

Dem Forschungsvorhaben liegt die Forschungshypothese zugrunde, dass mittels einer induktiven Blecherwärmung beim Feinschneiden höherfeste Blechwerkstoffe prozesssicher bearbeitet, die Schneidkraft signifikant gesenkt und die Bauteilqualität verbessert werden können. Damit das Fertigungsverfahren Feinschneiden dazu befähigt werden kann, müssen die thermomechanischen Wirkmechanismen in der Scherzone verstanden sowie erklärt werden. Eine Erwärmung des Blechwerkstoffes führt zu einer Absenkung der Fließspannung, was den plastischen Werkstofffluss begünstigt und die notwendige Prozesskräfte beim Feinschneiden reduziert. Durch eine Absenkung der Schneidkraft wird das Feinschneiden für die Bearbeitung von einerseits größeren Blechdicken und andererseits von hoch- bis höchstfesten Blechwerkstoffen qualifiziert. Die Wechselwirkungen zwischen der Erwärmung des Blechwerkstoffs, der Schneidkraft, der erreichbaren Bauteilqualität sowie die Kenntnis der genauen thermomechanischen Wirkmechanismen sind für das Feinschneiden bislang unerforscht. Zur Bestätigung dieser Forschungshypothese werden sowohl experimentelle als auch numerische Untersuchungen durchgeführt. Mittels des Systems TTH25 werden mithilfe verschiedener Induktorendesigns unterschiedliche Erwärmungsprofile in den Blechwerkstoff (16MnCr5, 42CrMo4) eingebracht und Feinschneidversuche durchgeführt. Durch Analyse der Schnittteilqualität (Mikrostruktur, Schnittflächenqualität) und deren Korrelation mit den Erwärmungsprofilen sowie den Prozesskenngrößen (Schneidkraft, Gegenhalterkraft, Ringzackenkraft) werden die thermomechanischen Wirkmechanismen beschrieben. Die numerischen FE-Prozesssimulationen unterstützen die experimentellen Methoden, um weitere Korrelationen mit dem Spannungs-Dehnungszustand und anderen schwer messbaren Größen (Umformgrad) zu ermöglichen. Es werden alle Teilergebnisse (Schneidkraftreduktion, Schnittteilqualität, hydrostatischer Spannungszustand, Dehnungen) unter Berücksichtigung der Blechdicke, des Blechwerkstoffes und der thermomechanischen Wirkmechanismen miteinander zu einem ganzheitlichen Erklärungsmodell verknüpft. Es wird angestrebt, die Berechnung der Schneid-, Ringzacken- und Gegenhalterkraft beim Feinschneiden um einen Temperaturfaktor zu erweitern. Dadurch wird die analytische Berechnung der Prozesskräfte in Abhängigkeit von der Temperatur ermöglicht. Des Weiteren werden empirisch-analytische Funktionsflächen abgeleitet, die den funktionalen Zusammenhang zwischen Erwärmungstemperatur, Schnittteilqualität und -eigenschaften in Abhängigkeit vom Blechwerkstoff, von der Blechdicke sowie vom hydrostatischen Spannungszustand widerspiegeln. Dadurch wird die postulierte Forschungshypothese überprüft und in Verbindung mit der Validierung des Erklärungsmodells das übergeordnete Forschungsziel erreicht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Fritz Klocke, bis 6/2019