P9: Steuerung der Bauteileigenschaften beim Rundkneten

Rundkneten ist ein etabliertes Fertigungsverfahren zum inkrementellen Kaltmassivumformen. Die unvermeidbaren Werkstoffmodifikationen wie Kaltverfestigung und Eigenspannungsaufbau als auch die inkrementellen Werkstoffflüsse, ergeben in ihrer Summe eine komplexe Werkstoffflusshistorie. Aufgrund der großen Variabilität des Werkstoffflusses bei gleicher verbleibender Formänderung ist das Rundkneten als inkrementelles Umformverfahren besonders geeignet, allein durch die Prozessführung komplexe Eigenspannungszustände gezielt zu generieren.

Das langfristige Ziel dieses Vorhabens ist die mechanischen Eigenschaften anhand der Prozessparameter beim Rundkneten vorhersagen zu können bzw. umgekehrt für geforderte Bauteileigenschaften die erforderliche Prozessführung auszulegen. Diesem Ziel liegt die Hypothese zugrunde, dass einerseits die mechanischen Eigenschaften mit den eingebrachten Werkstoffmodifikationen hinsichtlich Kaltverfestigung sowie Eigenspannungszustand korrelieren und andererseits diese Werkstoffmodifikationen aus der Werkstoffflusshistorie des Umformprozesses resultieren.

Ergebnisse der 1. Projektphase

Die komplexen Eigenspannungszustände konnten durch den komplementären Einsatz unterschiedlicher Messverfahren analysiert werden. Durch numerische und experimentelle Untersuchungen wurde festgestellt, dass die Eigenspannungen direkt an der Oberfläche von den aktuellen Prozessbedingungen abhängen, die im konventionellen Rundknetprozess nicht direkt gesteuert oder geregelt werden und deshalb Schwankungen unterliegen. Als relevante Prozessparameter wurden identifiziert die aktuelle Kraftamplitude jedes Schlages, der Schlagfolgewinkel und der tatsächliche (effektive) Vorschub pro Schlag. Die Ausprägung der Schwankungen dieser Größen wird durch die Maschine, den Prozess und das Halbzeug bestimmt und erstreckt sich über einen großen Wellenlängenbereich von einigen 10 μm bis einigen 10 mm. Entsprechend muss die eingesetzte Messtechnik für die Eigenspannungsanalyse sowohl eine hohe Auflösung als auch einen relativ großen Messbereich aufweisen, um diese Beeinflussungen abbilden zu können. Zur prozesssicheren Erzeugung der gewünschten Eigenspannungszustände müssen die Einflüsse dieser Schwankungen und insbesondere deren Zusammenwirken besser verstanden und letztendlich beherrscht werden.

Durch erste Untersuchungen der Wechselbiegefestigkeit und der Eigenspannungsstabilität unter thermischer bzw. zyklischer Beanspruchung wurde beobachtet, dass die Eigenspannungen sich zwar teilweise abbauen, diese aber nicht vollständig relaxieren und somit prinzipiell die Eigenschaften im Betrieb unter Temperatureinfluss und bei schwingender Beanspruchung verbessern können. Eine gezielte Optimierung der Eigenspannungsverteilung für vorgegebene Einsatzbedingungen und die Trennung der Einzeleinflüsse der Kaltverfestigung und der Eigenspannungen auf die Bauteileigenschaften wird in der laufenden Projektphase erfolgen.

Aus den Ergebnissen der Arbeiten aus der ersten Projektphase wird die Hypothese durch die Annahme ergänzt, dass die Entstehung der Eigenspannungen bzw. deren Verläufe und daraus resultierenden Bauteileigenschaften hauptsächlich auf die drei Prozessgrößen Schlagfolgewinkel, Schlagamplitude und effektiver Vorschub pro Schlag zurückgeführt werden können.

Ziele der 2. Projektphase

Zum Erreichen des übergeordneten Ziels werden für die nächste Förderperiode drei Teilziele definiert: Validierung und Weiterentwicklung geeigneter experimenteller und numerischer Methoden zur Erforschung und Beschreibung der Mechanismen der Eigenspannungsentstehung während des Rundknetprozesses; Beschreibung der Auswirkung von Störgroßen der Maschine und des Prozesses sowie Variationen des Halbzeuglieferzustands und des Werkstoffs auf die resultierenden Werstoffmodifikationen nach dem Rundkneten; Quantifizierung der rundknettechnisch eingebrachten Werkstoffmodifikationen und der daraus resultierenden Verbesserungen der Bauteileigenschaften.

Ansprechpartner

bime - Bremer Institut für Strukturmechanik und Produktionsanlagen

Projektleitung P9.A
Prof. Dr.-Ing. Bernd Kuhfuß

Projektbearbeiter
Svetlana Ortmann-Ishkina

Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien-IWT

Projektleitung P9.B
Dr.-Ing. Jérémy Epp

Projektbearbeiter
Dhia Charni