Umformtechnische Erzeugung von Druckeigenspannungen beim Drahtziehen für die Herstellung von hochbelastbaren Federn (DruDraZie)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Zielstellung des Verbundprojekts war es, durch Geometrieelemente in den Ziehmatrizen die Spannungsverläufe über den Probenquerschnitt beim Ziehen von Drähten gezielt zu beeinflussen und somit Spannungszustände reproduzierbar zu erzeugen, die sich positiv auf die Herstellung und den Einsatz von Torsionsstabfedern auswirken. In der 1. Förderungsphase erfolgte die Analyse des Werkstoffs 1.4301. Um die Geometrieelemente auszulegen, wurden FE-Simulationen aufgebaut und verschiedene Geometrieelemente für das Fließpressen und Drahtziehen in den Berechnungen betrachtet. Darauf aufbauend konnte eine Drahtziehvorrichtung entwickelt und Versuche durchgeführt werden. Um die Weiterverarbeitung zu Torsionsstabfedern und den Einfluss der angepassten Eigenspannungszustände des Bauteils im Biegeprozess zu untersuchen, wurde ein modulares Drahtbiegewerkzeug entwickelt, mit dem Abkant- und 3-Punkt-Biegeoperationen unter Verwendung verschiedener Biegeradien untersucht werden können. Im Rahmen der Untersuchungen konnte numerisch und experimentell nachgewiesen werden, dass die Geometrieelemente in den Matrizen die Verteilung der Eigenspannungen über den Drahtquerschnitt beeinflussen. Die phasenspezifischen Eigenspannungen konnten röntgenographisch, tiefenaufgelöst bestimmt und qualitativ nachgewiesen werden. Unter Zuhilfenahme metallographischer Untersuchungen und Texturanalysen wurde die Auswirkung auf die oberflächennahe verformungsinduzierte Martensitbildung analysiert. Durch die Geometrieelemente werden Druckeigenspannungen beim Fließpressen im Randbereich erzeugt. Beim Drahtziehen konnten die Zugeigenspannungen reduziert werden. Die Stabilität der Eigenspannungen wurde im Dauerschwingversuch nachgewiesen. Die Ergebnisse wurden genutzt, um die FE- Simulationen zu validieren und die Auswirkung der veränderten Eigenspannungsverteilung auf den Biegeprozess zu beurteilen. Das Ziel der 2. Förderungsphase war, die gezielte Einstellung von Eigenspannungen beim Ziehvorgang zu vertiefen sowie die Relevanz von Störgrößen und Materialschwankungen zu untersuchen. Die resultierende Beeinflussung der oberflächennahen Eigenspannungszustände wurde mit der röntgenographischen Eigenspannungsanalyse (sin 2ψ – Methode) phasenspezifisch nachgewiesen und für die Validierung der FE-Simulationen zur Verfügung gestellt. Weiterhin konnten die Makroeigenspannungen mittels Bohrlochmethode analysiert werden. Die Drähte wurden unter Verwendung der entwickelten Ziehmatrizen bei verschiedenen Temperaturen und Ziehgeschwindigkeiten gezogen. Zudem erfolgte die Entwicklung eines Demonstrators, der charakteristische Bauteilbereiche einer Torsionsstabfeder aufweist und mit verschiedenen Biegeradien im Biegewerkzeug gefertigt wurde. Die Begutachtung der Drähte erfolgte hinsichtlich des Versagens und Beeinflussung der Rückfederung, und belegen eine mögliche Eigenschaftsverbesserung der Bauteile. Es folgte die Weiterentwicklung der FE-Simulationen zum Drahtziehen und –biegen hinsichtlich der Vorhersagbarkeit und Untersuchungen zur Abbildung der Phasenumwandlung. Weiterhin wurde an der Materialkartenerstellung zur kinematischen Verfestigung gearbeitet. Durch dynamische Belastungen in Form von Schwingversuchen wurde die Stabilität der Eigenspannungen quantifiziert und bestätigt. Die Interaktion zwischen den durch die Geometrieelemente in den Draht eingebrachten Eigenspannungen und der Biegeumformung zur Torsionsstabfeder konnte im Projekt untersucht und im Hinblick auf die Eigenschaftsausbildung nachgewiesen werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Influence of a modified drawing process on the resulting residual stress state of cold drawn wire. MATEC web of Conferences 190, (2018)
Baumann, M., Graf, A., Selbmann, R., Brömmelhoff, K., Kräusel, V., Landgrebe, D., Bergmann, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1051/matecconf/201819004004) - Adjusting the Residual Stress State in Wire Drawing Products via In-Process Modification of Tool Geometries. Materials, (2021), 14, 2157
Baumann, M.; Selbmann, R.; Milbrandt, M.; Kräusel, V.; Bergmann, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.3390/ma14092157) - Concept for controlled adjustment of residual stress states in semi-finished products by gradation extrusion. Arch Appl Mech, (2021)
Selbmann, R., Baumann, M., Dobecki, M., Bergmann, M., Kräusel, V., Reimers, W.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s00419-021-01937-x) - Gezielte Beeinflussung umformtechnisch induzierter Eigenspannungen beim Drahtziehen. Forsch Ingenieurwes (2021)
Baumann, M., Selbmann, R., Dobecki, M., Kräusel, V., Reimers, W., Bergmann, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s10010-021-00501-x) - Strategies for residual stress adjustment in bulk metal forming. Arch Appl Mech, (2021)
Franceschi, A., Stahl, J., Kock, C., Selbmann, R., Ortmann-Ishkina, S., Jobst, A., Merklein, M., Kuhfuß, B., Bergmann, M., Behrens, B.-A., Volk, W., Groche, P.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s00419-021-01903-7)
