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IHU mit Werkzeug- bzw. Medienerwärmung

Motivation für das Forschungsvorhaben

In allen Bereichen der Technik, in denen Massen beschleunigt werden müssen, insbesondere der Luft- und Raumfahrt aber auch dem Schienen- und Straßenfahrzeugbau, mit ihren bedeutend größeren produzierten Stückzahlen, gewinnt der energieressourcenschonende Leichtbau zunehmend an Bedeutung. Großes Potential hierzu bieten IHU-Leichtbaustrukturen aus Leichtmetallen.
Bisherige Forschungen auf dem Gebiet der Blechumformung haben insbesondere für bei Raumtemperatur schlecht umformbare Werkstoffe ein großes Potential zur Erhöhung der Verfahrensgrenzen beim Tiefziehen, Hydromechanischen Tiefziehen und Streckziehen bzw. hydraulischen Tiefen gezeigt. Da in der industriellen Anwendung immer häufiger neben ebenen Blechen durch Tiefziehverfahren auch Hohlprofile durch IHU umgeformt werden, ist es sinnvoll die Forschung im Bereich der Umformung mit Erwärmung auf das IHU auszuweiten.
Aufgrund der relativ zu Stählen kleinen E-Moduli ergeben sich bei gleicher Steifigkeit großvolumige Strukturbauteile. Belastungsangepasste Querschnitte und Funktionsintegration führen gleichzeitig zu einer zunehmenden Komplexität der geometrischen Form. Durch das im Vergleich zu vielen anderen Werkstoffen, besonders gegenüber konkurrierenden Stahlsorten, geringere Formänderungsvermögen der Leichtmetalle bei Raumtemperatur ist die konstruktive Gestaltung von IHU-Bauteilen aus Leichtmetallen jedoch noch eingeschränkt. Gelingt es durch den Einsatz der lokalen Erwärmung des Werkstückes und des Werkzeuges, wie die bisherigen Untersuchungen am PtU erkennen lassen, die Verfahrensgrenzen beim IHU von Leichtmetallen zu erweitern, kann das Bauteilspektrum für den industriellen Anwender deutlich erweitert werden. Es können dann komplexere Hohlstrukturen aus Leichtmetallen, die bisher nur durch kostenintensives Fügen mehrerer Bauteile hergestellt werden konnten, im IHU-Prozess mit Erwärmung kostengünstiger einteilig produziert werden, wobei außerdem die günstigen mechanischen Eigenschaften eines umgeformten Bauteils genutzt werden können.

Zielsetzung und Vorgehensweise

Das Ziel des Forschungsvorhabens am PtU ist es deshalb, das Potential sowohl einer lokalen als auch einer globalen Erwärmung des Werkstücks bzw. des Werkzeugs während des Innenhochdruck-Umformens (IHU) zu ermitteln und durch numerische Simulationen zu beschreiben.
Zunächst wurde ausgehend von den für die Untersuchungen ausgewählten Werkstoffen der zu betrachtende Temperaturbereich festgelegt. Grundlagenuntersuchungen zur Erwärmung und Abkühlung von Werkstoffen und Werkzeugen ermöglichten eine Abschätzung der für den Umformprozess mit Erwärmung wichtigen physikalischen Größen, und deren Relevanz bei der konstruktiven und versuchstechnischen Realisierung des IHU mit Erwärmung. Unterstützt durch Finite-Elemente-Simulationen wurden ausgewählte Erwärmungsvarianten theoretisch analysiert und die bei der späteren versuchstechnischen Umsetzung sinnvoll zu erwärmenden Zonen des Werkzeuges bestimmt. Abschließend wurden die gewonnenen Erkenntnisse bei einer IHU-Verfahrensvariante mit lokaler Erwärmung versuchstechnisch umgesetzt und zur Verifikation der numerischen Ergebnisse genutzt.

Temperaturbereich und Werkstoffauswahl

Wahl des geeigneten Temperaturbereichs:
Umformungen oberhalb der Rekristallisationstemperatur, d.h. im Bereich der Warmumformung, bewirken keine nennenswerte Verfestigung des Materials. Diese ist für umformtechnisch hergestellte Bauteile aber unter den immer wichtiger werdenden Gesichtspunkten Materialeinsparung und Gewichtsoptimierung anzustreben. Der Energie- und Handlingaufwand, die tribologischen Probleme und die Anforderungen an die Arbeitssicherheit steigen zudem mit der Umformtemperatur. Weiter muss beim IHU mit Erwärmung die Problematik einer temperaturbeständigen Peripherie beachtet werden. Vor allem Temperaturbeständigkeit des Umformmediums und der Ventile und Dichtungen, mit denen das Umformmedium in Kontakt kommt. Unter Berücksichtigung dieser Punkte ist der Bereich der Halbwarm-Umformung, unterhalb der Rekristallisationstemperatur der Aluminiumknetlegierungen, d.h. in einer Temperaturspanne von 200 bis 300°C, für das IHU mit Erwärmung besonders interessant.

Ausgewählte Werkstoffe:
Aluminiumknetlegierung En AW-6060 (AlMgSi0,5), (Werkstoffnummer: 3.3206), als kammergepresstes Rundrohr AW-6060 T61 EN 573-3 als kammergepresstes Rundrohr AW-6060 T66 (F22) EN 573-3 Aluminiumknetlegierung En AW-5086 (AlMg4), (Werkstoffnummer: 3.3545) Als längsnahtgeschweißtes Rundrohr, HF-geschweißt, Zustand O.

Auswahl eines geeigneten IHU-Prozesses

Die Grundlagenuntersuchungen haben gezeigt, dass bei metallischem Kontakt eine sehr effektive Wärmeübertragung möglich ist, weshalb sich IHU-Prozesse bei denen die umzuformenden Zonen des Werkstücks von Beginn des Prozesses an in der Gravur anliegen für eine Untersuchung besonders anbieten. Benutzt man zusätzlich ein temperiertes Umformmedium ist eine globale Erwärmung ohne Temperaturgradienten über der Blechdicke, wie in den FE-Berechnungen angenommen, möglich. Für die numerische Simulation und die späteren experimentellen Untersuchungen wurde deshalb ein T-Abzweig als geeignetes Bauteil ausgewählt, da er eines von wenigen IHU Bauteilen ist, bei dem ein Großteil der Umformzone über die gesamte Prozesslänge Kontakt zur Gravur hat, und für dieses sehr gängige Bauteil ausreichend vergleichbare Untersuchungen bei Raumtemperatur vorliegen.

Tribologie beim IHU mit Erwärmung

Die Tribologie ist besonders für IHU-Prozesse mit Nachschieben von großer Bedeutung, da hier Relativbewegung unter hohen Flächenpressungen, viel höher als z.B. beim Tiefziehen, stattfindet. Dies gilt in besonderem Maße für das Bauteil T-Abzweig, bei dem während nahezu der gesamten Prozessdauer das Rohr mit Ausnahme der kleinen Domkuppe Kontakt zum Werkzeug hat und viel Relativbewegung durch Materialfluss, auch um die Übergangsradien, auftritt. Dagegen gibt es bei vielen anderen IHU Bauteilen zunächst eine freie Aufweitung, kein Umfließen konvexer Werkzeugradien und geringere Nachschiebewege, so dass ein T-Abzweig ein tribologisch sehr anspruchsvolles Bauteil darstellt.
Da zur Zeit noch keine Möglichkeiten bestehen Reibwerte beim IHU mit Erwärmung zu bestimmen (das PtU arbeitet aber daran) wird für die experimentellen Untersuchungen dieses Forschungsvorhabens ein graphitfreier Trockenschmierstoff ausgewählt, der sich im Bereich der Tiefziehverfahren bewährt hat.
Besondere Bedeutung hat bei der Halbwarm-Umformung von Aluminium dessen große Aufschweißungsneigung bei erhöhten Temperaturen. Dieser Aspekt muss bei der Konzeption eines Werkzeuges für das IHU mit Erwärmung berücksichtigt werden. Man kann leicht durch eine Erhöhung der Reibung im IHU Werkzeug bei der Simulation um den Faktor zwei, was bei einer Temperaturerhöhung um 200°C für viele Schmierstoffe realistisch ist, zeigen, dass dies zu einer merklichen Erhöhung der unerwünschten Aufdickungen in der Nachschiebezone und zu einer Verringerung der erzielbaren Domhöhen durch schlechteren Materialfluss und daraus resultierende Ausdünnung bei hohen Nachschiebewegen führt.

Erzeugung eines Temperaturgradienten für das IHU

Eine Erwärmung führt, wie oben beschrieben, zu einer Reduzierung der zu übertragenden Umformkräfte durch das Absinken der Fließspannung metallischer Werkstoffe und hat häufig eine Erhöhung des Umformvermögens zur Folge. Die globale Erwärmung des Werkstoffes führt jedoch bei den meisten Verfahren der Blechumformung zu keiner deutlichen Steigerung der Verfahrensgrenzen, weil nicht nur die erforderlichen Umformkräfte absinken, sondern auch die übertragbaren Kräfte. Erst eine gezielte an das Umformverfahren angepasste Erwärmung in den umzuformenden Bereichen des Bleches und niedrige Temperaturen in den Blechbereichen die Kräfte übertragen, führt zu einer deutlichen Steigerung der Verfahrensgrenzen.

FE-Simulationen als Auslegungshilfe für das IHU

FE-Simulationen des T-Abzweiges (Abbildung 1) bei höheren Temperaturen zeigen, wo im IHU-Werkzeug eine Erwärmung besonders sinnvoll ist. Die höchsten Umformgrade treten seitlich neben dem Dom und an der domabgewandten Seite des Rohres auf. Daraus folgt, dass hier erwärmt werden muss, während die Nachschiebezone und der Bereich des Domes aufgrund der bei niedrigeren Temperaturen verbesserten Tribologie und geringeren Aufschweißungsneigung der Aluminiumlegierungen gekühlt werden sollten. Die Kühlung der Nachschiebezone erhöht zudem die übertragbaren Axialkräfte, während eine Kühlung des nicht im Werkzeug anliegenden Dombereiches durch eine Erhöhung der Fliesspannung übermäßiges Ausdünnen verhindert. Dadurch kann der Innendruck angehoben werden, was zu einem schnelleren Anwachsen der Domhöhe infolge der aus dem Innendruck resultierenden Zugkräfte im Bereich der freien Domkuppe führt. Gleichzeitig wird so das Nachschieben von Material in den Dom erleichtert, was zu geringeren Aufdickungen in der dem Dom gegenüberliegenden Zone und der Nachschiebezone führt. Eine Kühlung der Domkuppe und Nachschiebezone bei geheizter Rohrmitte hat deshalb das Potential einer größeren Verfahrenserweiterung als eine globale Erwärmung.

Abbildung 1:

Vergleichsumformgrade

Vergleichsumformgrade bei der FE-Simulation eines T-Abzweiges bei 230

Konzept und Konstruktion eines Werkzeuges

Auswahl globale oder lokale Erwärmung:
Die Grundlagenuntersuchungen und die FE-Simulationen haben gezeigt, dass beim IHU mit Erwärmung die Verfahrensgrenze deutlich erweitert werden kann, wenn die axialkraftübertragende Nachschiebezone, die wenig umgeformt wird, möglichst kalt ist, während die Zonen in denen beim IHU Material fließt geheizt werden. Zusätzlich bietet die lokale Erwärmung auch Vorteile bezüglich der Tribologie durch geringere Reibung und Aufschweißungsneigung in den ungeheizten Werkzeugzonen. Deshalb wurde für die experimentellen Untersuchungen ein Konzept mit lokaler Erwärmung gewählt.

Kühlung des Werkzeuges:
Ein stationäres inhomogenes Temperaturfeld lässt sich nur durch eine Kühlung unbeheizter Werkzeugbereiche aufrechterhalten. Sollen dabei große Gradienten über kurze Strecken ermöglicht werden, darf das Werkzeug nicht aus einem Block bestehen, da sonst ein Kurzschluss von Wärmequellen und Senken entsteht. Dies lässt sich nur durch einen segmentierten Aufbau des Werkzeuges mit Wärmebrücken vermeidenden Isolationsschichten unterbinden.
Temperierung und Führung des Umformmediums:

Das Umformmedium muss eine ähnliche Temperatur wie die Umformzone besitzen, da sonst durch den guten Wärmeübergang zwischen Versuchsrohr und Medium, der durch die Strömung im Rohr unterstützt wird, eine zu rasche Abkühlung der Umformzone eintritt. Ein kaltes flüssiges Umformmedium entzieht, wie die Vorversuche gezeigt haben, einem Versuchsrohr innerhalb von Sekunden einen Großteil der Wärme, wodurch die gewünschten hohen Versuchstemperaturen praktisch nicht mehr herzustellen sind. Eine durch ein erwärmtes Medium zwangsläufig auftretende Erwärmung der Nachschiebezone muss dafür hingenommen werden, und kann durch die Effektivität der Kühlung in diesem Bereich begrenzt werden.

Aufgrund des für die Untersuchungen gewählten Bereichs der Halbwarm-Umformung bis 300°C sind übliche IHU-Medien nicht einsetzbar. Es muss daher auf Wärmeträgermedien zurückgegriffen werden, die bis mindestens 300°C verwendbar sind.

Werkzeugaufbau:
Jede Werkzeughälfte besteht aus vier Werkzeugblöcken, die durch Isolationsmaterial thermisch getrennt und durch Befestigungsschrauben miteinander verbunden sind (Abbildung 2). Das mittlere Segment ist beidseitig über Heizpatronen auf der dem Dom abgewandten Seite geheizt, während die beiden Nachschiebesegmente und das Domsegment durch Wasser gekühlt werden.

Abbildung 2:

Aufbau des Werkzeuges

Aufbau des Werkzeuges für das IHU mit lokaler Erwärmung. Da Luft mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,026W/mK um eine Zehnerpotenz besser isoliert als die Isolationsplatten, wird zwischen den Werkzeugsegmenten nur soviel Isolationsmaterial verwendet, wie zur Übertragung der Schraubenverbindungskräfte und der Kräfte aus Reibung beim Nachschieben erforderlich ist. Der restliche Zwischenraum der Werkzeugsegmente ist zur besseren thermischen Isolation luftgefüllt. Unvermeidbare Wärmeströme in die drei gekühlten Segmente gleicht deren Wasserkühlung aus. Das geheizte Mittelsegment ist zusätzlich gegenüber der Aufnahmeplatte und damit gegenüber der Presse seitlich und unten isoliert.

Temperaturfeld bei der Heizpatronenerwärmung

Zur Beurteilung der Güte der getroffenen konstruktiven Maßnahmen wurde in der Werkzeuggravur bei Temperaturen von 230 und 260 °C die Wärmeverteilung des sich einstellenden inhomogenen stationären Temperaturfeldes axial, d.h. über der Werkzeuglänge, gemessen. Diese Messungen bestätigen die Effektivität des gewählten Werkzeugkonzeptes mit Segmentierung und Isolation zwischen den Segmenten durch einen +/-5 mm von der Segmentgrenze entfernt gemessenen Temperaturunterschied 165 °C bei 260 °C Werkzeugtemperatur (Abbildung 3).

Abbildung 3:

Temperaturverteilung

Temperaturverteilung im Werkzeug axial längs der Gravur bei 230 und 260C

Versuchsergebnisse

Zunächst wurden, als Referenz für die erzielbaren Formänderungen mit lokaler Erwärmung, die erzielbaren Formänderungen in dem segmentierten Werkzeug bei Raumtemperatur bestimmt. Als Startwerte bei der Findung einer temperaturangepassten Steuerung, die maximale Domhöhen ermöglicht, dienten bei allen Temperaturstufen die in den FE-Simulationen gefundenen geeigneten Beziehungen zwischen den Prozessgrößen Nachschiebeweg und Innendruck.
Bei den Versuchen mit Raumtemperatur zeigte erwartungsgemäß die ausgehärtete Legierung AlMgSi0,5 im Zustand T66 die schlechtesten Umformergebnisse, während AlMgSi0,5 T61 und AlMg4 bei optimaler Prozessführung Domhöhen von 35 bzw. 37 mm ermöglichten (Abbildung 4, 5). Selbst bei einem angepassten Druckaufbau zeigten beide Werkstoffe bei Raumtemperatur eine Neigung zur Bildung von Falten über der gesamten Bauteillänge, mit leichter Konzentration seitlich und in der Mitte des Rohres. Dies war durch eine weitere Steigerung des Innendruckes nicht zu beheben, da diese Versuche stets zu einer großen Ausdünnung und Bersten im Dombereich führten (Abbildung 5). Ein Einfluss der Schweißnaht und deren Lage auf das Umformergebnis war bei den längsnahtgeschweißten AlMg4 Rohren auch bei Raumtemperaturversuchen nicht erkennbar.

Abbildung 4:

Umformvermögen

Verbesserung des Umformvermögens beim IHU mit Erwärmung. Links: aufgesägt mit seitlicher Schweißnaht AlMg4 bei 230C (oben) und RT (unten); rechts: AlMg4 bei RT (oben) und 230C (unten) mit gleichem Nachschiebeweg

Die Versuche mit Erwärmung wurden zunächst bei einer Werkzeug- und Medientemperatur von 230°C durchgeführt. Dabei war mit dem in der FE-Simulation gefundenen Prozessablauf für diese Temperatur sofort eine deutliche Steigerung des Umformvermögens erkennbar (Abbildung 4), insbesondere für den Werkstoff AlMgSi0,5 T66, der bei angepasster Druckkurve vergleichbare Umformgrade erzielt wie AlMgSi0,5 T61 (Abbildung 5).
Beachtenswert ist auch, dass trotz der bei 230°C reduzierten Innendrücke keine über das ganze Rohr ausgedehnte Faltenbildung zu beobachten war, auch nicht bei weit höheren Umformgraden als den bei Raumtemperatur erzielbaren. (Abbildung 4, 5).
Abbildung 4 und 5 zeigen den deutlich verbesserten Materialfluss bei 230°C gegenüber Raumtemperatur. Trotz den auftretenden Aufschweißungen und den daraus resultierenden schlechten Oberflächen der Bauteile und hohen Reibwerte ist die Reibung bei den Halbwarmversuchen aufgrund der niedrigen Flächenpressungen, insbesondere bei den AlMgSi0,5 T61 Rohren, die zum Umformen bei 230°C nur Drücke von maximal 8,5 MPa erfordern, sehr gering.
Versuche mit dem Gegenhalter ergaben bei den höheren Temperaturen keine deutliche Verbesserung der Umformung. Die durch den Gegenhalter mögliche Drucksteigerung während des IHU verringert die Gefahr einer Faltenbildung, die bei den Halbwarmversuchen ohnehin nicht beobachtbar war, kann aber nicht das bei der Halbwarm-Umformung tatsächlich begrenzende lokale Aufdicken des Probenrohres verhindern.

Abbildung 5:

Formgebungsgrenze

Links: Steigerung der Formgebungsgrenze bei AlMgSi0,5 T66 von RT auf 230C (ganz links). Rechts: AlMgSi0,5 T66 bei RT mit zu hoher, passender und zu niedriger Drucksteigerung (von links nach rechts)

Summary

Insgesamt ist festzuhalten das die bisherigen Ergebnisse des Forschungsvorhabens IHU mit Werkzeug- bzw. Medienerwärmung ein sehr großes Potential zur Erweiterung der Verfahrensgrenzen beim Herstellen von IHU Bauteilen aus Aluminiumlegierungen durch lokale Erwärmung erkennen lassen.