Basic Investigations on Hollow Lateral Extrusion of Additional Shape Elements
Final Report Abstract
Im Rahmen dieser Förderperiode erfolgte die Untersuchung der Machbarkeit und der Prozessgrenzen des Hohl-Quer-Fließpressens ohne Querdorn durch experimentelle und numerische Prozessanalysen. Hierzu wurde der Versuchsaufbau aus der ersten Periode mittels einer Anpassungskonstruktion erweitert. Durch die Verwendung der am IFU Stuttgart entwickelten Schließvorrichtung wurden der erforderliche Gleichlauf der Stempel und der nötige Schließdruck für die praktischen Versuche ermöglicht. Die wesentlichen Einflussfaktoren und Wirkzusammenhänge zwischen den Prozessparametern auf den Stofffluss, die Stempelkraft und die Bauteilgeometrie wurden sowohl experimentell als auch numerisch in AP1 untersucht. Die in den Experimenten festgestellte elliptische Ausformung der Nebenformelemente und der konische Verlauf der Rundheitsabweichung sowie die zunehmende Wanddicke der Innenhohlgeometrie während des Umformprozesses konnten in numerischen Prozesssimulationen abgebildet und erklärt werden. Zur Erzeugung einer ideal kreiszylindrischen Ausformung der Nebenformelemente wurden in AP2 zwei verschiedene Lösungsansätze verfolgt und numerisch bzw. experimentell untersucht. Hierzu fand zum einen eine iterative Anpassung der Matrizengeometrie satt, so dass mit Hilfe einer Vorhaltegeometrie die Druckspannungen in der Umformzone signifikant erhöht werden konnte. Zum anderen wurde der Spannungszustand in den Nebenformelementen durch den Einsatz von Gegenstempeln gezielt mit definierten Druckspannungen überlagert. Die Optimierung der Matrizengeometrie minimierte die Rundheitsabweichung des Nebenformelements, bedingte aber gleichzeitig eine starke undefinierte Zunahme der Wanddicke und eine deutliche Verkürzung der Nebenformelementlänge. Bei der Verwendung von Gegenstempeln konnte ebenfalls eine verbesserte Maßhaltigkeit erzeugt werden, es konnte jedoch zusätzlich auch die Wanddicke gezielt eingestellt und somit belastungsgerecht für den jeweiligen Einsatzfall gestaltet werden. Des Weiteren konnte durch eine definierte Drucküberlagerung Zugspannungen im NFE überlagert werden, so dass auftretende Risse im Bauteil unterdrückt werden konnten. Als Nachteilig ist bei der Verwendung einer zusätzlichen Werkzeugachse der erhöhte Herstellungsaufwand zu nennen, der sich durch die Verwendung eines rotationssymmetrischen Rohteils ohne Bohrungen nicht signifikant auswirkt. In AP2 konnte die Rundheitsabweichung der Nebenformelemente sowohl durch die Verwendung von aktiven Gegenstempeln als auch durch eine Optimierung der Matrizengeometrie deutlich minimiert werden. Beide Ansätze zur Verbesserung wurden anschließend an die numerische Prozessauslegung durch experimentelle Untersuchungen validiert. In AP3 sollte das durch Hohl-Quer-Fließpressen herstellbare Bauteilspektrum um Bauteile mit umlaufendem Hohlflansch erweitert werden. Durch ein klassisches QFP, welches sich durch eine konstante Matrizenöffnung definiert, konnte jedoch, wie sich in numerischen Untersuchungen gezeigt hat, kein zufriedenstellendes Ergebnis erzielt werden. Das bestehende und angedachte Werkzeugkonzept wurde daher um eine verfahrbare Matrize, die gleichzeitig als Stempel fungiert, erweitert. Für dieses Werkzeugkonzept wurde anschließend ein Prozessfenster, das die Grenzen des Prozesses in Bezug auf Werkzeug- und Halbzeuggeometrie zeigt, durch eine numerische Parameterstudie ermittelt und mittels Referenzversuche experimentell validiert. In weiteren numerischen Untersuchungen konnte ebenfalls aufgezeigt werden, dass die Prozessgrenzen der Flanschherstellung beim Hohl-Quer-Fließpressen mit beweglicher Matrize durch den Einsatz von aktiven Gegenstempeln erweitert werden kann.
Publications
- Analyse und Optimierung des Hohl-Quer-Fließpressens ohne Querdorne. International Aluminium Journal Volume 91 (2015), S. 75 – 79, Giesel Verlag GmbH, Hannover
Napierala, O.; Haase, M.; Tekkaya, A. E.; Wälder, J.; Felde, A.; Liewald, M.
- Hohl-Quer-Fließpressen mit geregelten Querstempeln. wt-online 10-2015, Seite 697-703
Wälder, J.; Felde, A.; Liewald, M.; Napierala, O.; Haase, M.; Tekkaya, A. E.
- Hollow lateral extrusion of tubular billets – Further development of the cold forging process Applied Mechanics and Materials Vol. 794 (2015) pp 160-165
Wälder, J.; Felde, A.; Liewald, M.
(See online at https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.794.160) - Hollow Lateral Extrusion without Lateral Mandrel, Proceedings of the 7th JSTP International Seminar on Precision Forging, Nagoya, Japan, (2015)
Napierala, O.; Haase, M.; Tekkaya, A. E.
